DE2741981A1

DE2741981A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des sauerstoffgehaltes im blut

Info

Publication number: DE2741981A1
Application number: DE19772741981
Authority: DE
Inventors: Robert F Shaw; John M Sperinde
Original assignee: Oximetrix Inc
Current assignee: Oximetrix Inc
Priority date: 1976-10-18
Filing date: 1977-09-17
Publication date: 1978-04-20
Also published as: GB1586888A; CA1086982A; NL7709465A; JPS5350880A; DE2741981B2; JPS6111096B2; FR2368038B1; FR2368038A1; US4114604A; NL178278C; DE2741981C3; CH627277A5

Description

PATENTANWALT D-7261 Gechingen/Bergweld

Lindenstr. 16

DIPL-ING. KNUD SCHULTE _{Tel#fon; (0705e)1367}

274 I 9b 1 _15# September 1977

Fall 129/77

K. Schulte, Lindenstr. 16. D-7261 Gechingen

Oximetrix, Inc. Mountain View, Kalifornien 94043 V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes im Blut

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes im Blut gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Salierstoffgehalt des Blutes ist der Anteil des oxydierten Hämoglobins an dem gesamten Hämoglobin, welches sich im Blut befindet. Dieses Hämoglobin ist in bikonkaven Scheiben von einem Durchmesser von zirka 10 u angeordnet, welche üblicherweise mit einer Dichte von etwa fünf Millionen roter Blutzellen pro mm auftreten. Die roten Blutzellen streuen einen Teil der einfallenden Strahlungsenergie zurück und übertragen den anderen Teil der einfallenden Strahlungsenergie. Die Differenzabsorption durch oxydiertes und nicht-oxydiertes Hämoglobin bezüglich der durch die roten Blutzellen geschickten Strahlungsenergie bildet die Basis für die Messung der SauerstoffSättigung. Bei der herkömmlichen Katheteroximetrie werden die zur Messung des Blutes an einer Meßstelle in vivo verwendeten Strahlungen von der Oximetereinrichtung an die interessierende Stelle innerhalb des Blutstromes durch ein optisches Katheter geführt, welches Faseroptikleiter zur Aussendung und zum Empfang von Licht enthält. Der Empfangslichtleiter, welcher vom Blutstrom zurückgestreutes Licht zu einem

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i BäblinQtn AG. Kto. 106468008 (BLZ 60390220) - Pa«ich«ck: Stuttgart 99666-709

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Photodetektor des Oximeters führt, hat üblicherweise eine bezüglich der Ausgangsöffnung des sendenden Faseroptikleiters koplanare Eingangsöffnung. Somit steht zur Messung nur zurückgestreutes Licht zur Verfügung, welches einen sehr kleinen Anteil der gesamten an die Meßstelle übertragenen Lichtmenge darstellt. Die an der Meßstelle vorhandenen Streustellen für Licht wirken daher als Lichtquellen für den das Licht aufnehmenden Faserleiter. Somit wird die Stärke des zum aufnehmenden Faserleiter zurückgestreuten Lichtes beeinflußt durch Änderungen in der Anzahl der Streustellen, deren Anordnung, Größe, Gestalt und Orientierung sowie durch die Differenzabsorption durch Oxyhämoglobin und Hämoglobin.

Das untersuchte Blut fließt innerhalb eines interessierenden Blutgefäßes pulsartig, und die Katheterspitze bewegt sich somit in unkontrollierter Weise bezüglich der Wände des Blutgefäßes. Wenn die Wand eines Blutgefäßes der Katheterspitze nahe kommt, so bewirkt das, daß eine sehr große Anordnung von dicht gepackten Streustellen an der Meßstelle wirksam wird. Dieses ruft eine wesentliche Änderung in der Verteilung und Anzahl der Streustellen hervor, was wiederum in Abhängigkeit von der Wellenlänge wesentlich auf die Stärke des von dem Empfangslichtleiter erhaltenen Lichtes als Funktion der Lichtübertragung durch Hämoglobin und Oxyhämoglobin einwirkt, da diese Stoffe eine von der Wellenlänge abhängige Absorptionscharakteristik haben.

Gewisse bekannte katheterartige Oximetereinrichtungen sprechen auf die Stärke der zurückgestrahlten Energie nur bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen an, vergleiche US-PS 3 847 483. Bei diesen bekannten Vorrichtungen ergeben die bei zwei Wellenlängen gemessenen Strahlungsintensitäten eine Anzeige über die SauerstoffSättigung gemäß der Gleichung:

A + A₁I₁ + A₂I

OS = (Gl. 1)

^B0 ^{+ 8}I¹I ^{+ B}2^I2

wobei I₁ und I- die bei den Wellenlängen Λ 1 bzw. Λ 2 gemessenen Strahlungsintensitäten darstellen.

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Teilt man Zähler und Nenner in Gleichung 1 durch eine der gemessenen Lichtintensitäten, z.B. I,, so ergibt sich:

_ VI₁ * A₁ + A₂ (I₂ZI₁)
V¹I ^{+ B}l ^{+ B}2 ¹V¹I¹

Da die herkömmliche Messung nicht nur eine Funktion des Verhältnisses der Lichtintensitäten sondern auch der einzelnen Lichtintensitäten sowie der Änderungen bezüglich Erscheinungen wie der Geschwindigkeiten des Blutflusses, der Hämatokrit - pH - und pCO₂ Werte ist, wobei diese Einflüsse multiplikativ und in Abhängigkeit von der Wellenlänge auftreten, ergeben sich bei den herkömmlichen Messungen eine Reihe von Fehlern.

Die Vorrichtung gemäß dem vorgenannten Patent ist relativ wenig^e/Btöranfällig gegenüber Fehlern wie der Änderung der Blutgeschwindigkeit, des Hämatokritgehaltes und der Konzentration an Hämoglobin, als vorher bekannte Vorrichtungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu verbessern, daß die vorgenannten Störungsquellen sich noch weniger auf die Messung auswirken und sehr genaue Meßergebnisse bei Messungen der Sauerstoffkonzentration in vivo erhalten werden. Dabei sollen insbesondere Störeinflüsse durch Änderungen des Hämatokritgehaltes, der Blutgeschwindigkeit, der pH- und pCO- Werte, der Osmopolarität und des Transmissionsvermögens der optischen Fasern, der Nähe der Katheterspitze zu den Blutgefäßwänden sowie Fehler durch Linearisierung von nicht-linearen Kennlinien weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen von Anspruch 1 gelöst. Entsprechend wird die SauerstoffSättigung nur als Funktion der Verhältnisse der Lichtintensitäten in

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ausgewählten Wellenlängenbereichen gemessen, so daß multiplicative, von der Wellenlänge abhängige Änderungen die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigen. Da das Verhältnis zwischen der Sauerstoffsättigung und dem Verhältnis der Lichtintensitäten nicht ganz linear ist, werden bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung abschnittsweise lineare Verhältnisse von nicht-linearen Kennlinien ausgewertet, um die SauerstoffSättigung über einen großen dynamischen Wertbereich zu messen.

Da auch viele der vorgenannten Faktoren veränderlich sind, welche an der Meßstelle innerhalb eines Blutgefäßes auftreten, werden sowohl multiplikative als auch additive Aspekte bei der optischen Messung berücksichtigt; dieses erfolgt gemäß einer der folgenden Gleichungen:

A₀-+ A₁(I₁ZI₂) + A₂(I₃ZI₂)

A_n + A₁ (I₁ZI₀) + A-(I₁ZI₀)² + A-(I-VI₀)

OS = TT^ -

B_Q + B₁(I₁ZI₂) + B₂(I₁ZI₂)¹*- + B₃(I₃/I₂)

Γα/r ^j

OS = -t—J ^ _{(G1# 5)}

B.'R ^J

Dabei bedeuten A , A₁, A₂, A₃ und A_t sowie B_Q, B,, B„ und B₁; Gewichtungsfaktoren oder Koeffizienten, I,, I₇ und I, bei den Wellenlängen ^₁, ^₂ und ^₃ gemessene Lichtintensitäten, welche jeweils auf eine gemessene Referenzlichtintensität normiert sind, und R; das Verhältnis der normierten, bei den drei verschiedenen Wellenlängen gemessenen Lichtintensitäten.

Bei der Messung gemäß Gleichung 3 ist die SauerstoffSättigung eine Funktion der gemessenen Lichtintensitäten, und

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diese Messung der Sauerstoffsättigung eignet sich über einen engen Bereich von Meßwerten. Um jedoch die Nicht-Linearitäten der verschiedenen Parameter zu berücksichtigen, welche über einen weiten dynamischen Wertebereich einen wesentlichen Einfluß haben, können der Gleichung 3 weitere Glieder zugefügt werden, die proportional dem Quadrat eines Verhältnisses von Lichtintensitäten gemäß Gleichung 4 sind. Diese Gleichungen können zu der allgemeinen Gleichung 5 erweitert werden.

Es werden wenigstens drei Wellenlängenbereiche bei der Bestrahlung des Blutes an der Meßstelle in vivo verwendet, um die beiden erforderlichen Quotienten der Intensitätswerte für die Messung der Sauerstoffsättigung an der Meßstelle zu erhalten. Diese Wellenlängenbereiche wurden ausgewählt, um die in die Messung der Sauerstoffsättigung eingeführten Fehler infolge der von der Wellenlänge abhängigen Änderungen der einzelnen Parameter gering zu halten. Die Koeffizienten der Ausdrücke in den Gleichungen 3 und 4 sind derart auszuwählen, daß die partielle Ableitung der errechneten Sauerstoffsättigung bezüglich eines der Quotienten ungefähr Null nahe dem unteren Extremwert des Bereichs der Sauerstoffsättigungswerte von physiologischem Interesse ist. Die partielle Ableitung der berechneten Sauerstoffsättigung bezüglich des anderen Quotienten in den Gleichungen 3 und 4 ist etwa Null nahe dem oberen Extremwert des Bereichs der Sauerstoffsättigungswerte von physiologischem Interesse. Auch können die Koeffizienten der Ausdrücke in jeder der drei Gleichungen derart gewählt werden, daß sie der Bedingung genügen, daß die Summe aller Koeffizienten des Zählers sowie auch die Summe der Koeffizienten des Nenners gleich Null ist.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Meßanordnung gemäß der Erfindung,

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Fig. 2 schematisch einen Schaltkreis zur Berechnung der Sauerstoffsättigung als Funktion der Quotienten der Strahlungsintensitäten bei drei Wellenlängen und

Fig. 3 schematisch eine andere Ausführungsform einer Schaltung zum Messen der Sauerstoffsättigung als Funktion der Quotienten der bei drei Wellenlängen gemessenen Strahlungsintensitäten und

Fig. 4 ein Diagramm, aus dem die Wirkung einer Änderung der typischen von der Wellenlänge abhängigen Kennlinie des Blutes auf das Verhältnis zwischen Sauerstoffsättigungswerten und den Quotienten der Intensitäten der bei drei Wellenlängen erhaltenen Strahlung hervorgeht .

Aus Figur 1 geht ein Abschnitt einer schematisch dargestellten Schaltungsanordnung hervor, welche eine Strahlungsquelle, optische Kombinations- und Integrationseinrichtungen, einen Katheter, einen Detektor und Signalverarbeitungseinrichtungen aufweist. Die Strahlungsquelle enthält drei Leuchtdioden 11, 12 und 4, welche abwechselnd drei Zweige 13, 14 und 3 eines Faseroptikleiters belichten. Die Leuchtdioden 11, 12 und werden abwechselnd während etwa 25% der Periode ohne zeitliche Überlappung durch einen Impulsgenerator 15 aktiviert. Es werden drei Perioden mit aufeinanderfolgender Speisung der Leuchtdioden sowie einer folgenden Periode berechnet, in welcher keine der Leuchtdioden 11, 12 oder 4 gespeist wird. Jeder Betriebszyklus umfaßt daher vier Perioden und es ergibt sich somit eine typische Frequenz von 250 Zyklen pro Sekunde.

Die Leuchtdioden 4, 11 und 12 geben Strahlung mit Wellenlängen Λ ι» λ 2 ^vtna λ 3 ^* Diese Strahlung wird durch Faseroptikleiter 13, 14 und 3 gesammelt, welche eine oder mehrere Fasern enthalten können, die räumlich zu einem Bündel

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mit einem minimalen Endquerschnitt 5 von ungefähr der gleichen Gestalt und Größe wie der optische Integrator 6 zusammengefaßt werden.

Der optische Integrator 6 ist kontinuierlich zur Oberfläche 5 angeordnet und ist ein einziger Lichtleiter von etwa der gleichen Gestalt wie das Ende 5, hat einen quadratischen Querschnitt und ein großes Längen/Seitenverhältnis um sicherzustellen, daß die räumlich verteilte Strahlung an der Oberfläche 5 gleichförmig über die Ausgangsöffnung 6A verteilt wird. Somit erhält eine einzige Ubertragungsf aser 9 oder ein Bündel von mit der Apertur; 6A verbundenen Strahlung übertragenden Fasern eine Strahlungsmenge mit jeder der drei Wellenlängen, die nicht wesentlich durch kleine seitliche Fehlausrichtungen beeinflußt wird, welche sich zwischen dem optischen Integrator 6 und der Faser 3 ergeben können.

Es ist nur eine Faser 9 des Katheters 8 erforderlich, um die Strahlung mit den drei verschiedenen Wellenlängen zum Blut am distalen Ende des Katheters 8 zu übertragen. Der sendende Lichtleiter 9 und der empfangende Lichtleiter 10 des Katheters können jeweils aus nur einer einzigen optischen Faser bestehen, wodurch ein preiswerter, nach Gebrauch nicht zur Wiederverwendung bestimmter Katheter erhalten wird, der mit der Meßanordnung an einem Grenzflächenverbindungsstück 1OA angeschlossen werden kann.

Wenn die distale Spitze des Katheters 8 in Blut in einem Blutgefäß oder einem anderen das Blut begrenzenden Behälter eingetaucht wird, wird die Strahlung vom sendenden Lichtleiter 9 bei jeder der Wellenlängen durch die roten Blutkörperchen selektiv absorbiert und zurückgestreut, und ein Teil der zurückgestreuten Strahlung tritt durch die öffnung am distalen Ende des empfangenden Lichtleiters 10 ein. Am nahen Ende des Katheters 8 ist die öffnung des

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Lichtleiters 10 optisch mit dem Strahlungsdetektor 16 gekoppelt, so daß in. wesentlichen die gesamte vom Lichtleiter 10 stammende Strahlung auf die aktive Fläche des Detektors 16 auftrifft.

Die durch den Detektor 16 erfaßten Strahlungssignale werden durch den Detektorverstärker Al verstärkt. Während der Zeitintervalle, in denen keine der Leuchtdioden 11, 12 oder 4 Strahlung abgibt, ist ein Schalter Sl durch ein Signal von dem Impulsgenerator 15 geschlossen. Dadurch wird ein geschlossenes Servosystem zwischen den Verstärkern Al und A2 gebildet, welches eine Vorspannung am Verstärker Al ausbildet, die dessen Ausgangsspannung auf Null einstellt. Während der Zeitintervalle, in denen der Schalter Sl geöffnet ist, wird diese Vorspannung zur Null-Korrektur für den Verstärker Al durch die Ladung aufrechterhalten, die auf einem Rückkopplungskondensator 18 gespeichert ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die Ausgangsspannung des Detektorverstärkers Al Null ist, wenn der Detektor 16 keine zurückgestreute Strahlung erhält. Es werden somit Drift-Erscheinungen des Verstärkers und Störausgangsspannungen des Detektors 16 unterdrückt.

Während der Zeitspanne, in welcher die Diode 4 Strahlung abgibt, ist der Schalter S2 durch ein Signal von dem Impulsgenerator 15 geschlossen, und die Signalspannung am Ausgang des Detektorverstärkers Al (aufgrund der vom Blut zurückgestreuten Strahlung von den Leuchtdioden) wird einem Filter zugeführt, das aus einem Widerstand 17 und einem Kondensator 19 besteht. Die Wirkung des Schalters S2, des Widerstandes 17 und des Kondensators 19 besteht darin, daß eine durchschnittliche Signalspannung am Kondensator 19 erzeugt wird, welche repräsentativ für die Intensität der Strahlung bei der von der Leuchtdiode 11 erzeugten Wellenlänge ist, wobei die Strahlung vom untersuchten Blut zurückgestreut wird. Diese durchschnittliche Signalspannung

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wird durch einen Verstärker 50 verstärkt, der eine Gleichspannung abgibt, weiche direkt bezogen auf die von der Leuchtdiode 4 abgegebene und vom Blut zurückgestreute Intensität der Strahlung bei der Wellenlänge ^₁ ist.

Ähnlich wirken ein Schalter S3, ein Widerstand 22, ein Kondensator 23 und der Verstärker 52 während des Teils der Periode zusammen, in welcher die Leuchtdiode 11 zur Abgabe einer Gleichspannung an den Ausgang des Verstärkers 52 aktiviert wird, welcher Gleichspannung direkt bezogen auf die Intensität der Strahlung bei der Wellenlänge ^₂ ^des von der Leuchtdiode 11 abgestrahlten und vom untersuchten Blut zurückgestreuten Lichtes ist. In der gleichen Weise wirken ein Schalter S4, ein Widerstand 2C, ein Kondensator 28 und ein Verstärker 54 während eines Teils der Periode zusammen, während die Leuchtdiode 12 aktiviert wird, um eine Gleichspannung am Ausgang des Verstärkers 54 abzugeben, die direkt auf die Intensität der Strahlung mit der Wellenlänge \ -, bezogen ist, welche von der Leuchtdiode abgegeben und vom untersuchten Blut zurückgestreut wird.

Gemäß dem Blockdiagramm in Figur 2 ist eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen. Die Ausgangssignale von den Verstärkern 50, 52 und 54 in Figur 1 werden Klemmen 60, 62 bzw. 64 in Figur 2 zugeführt.

Die Signale an den Klemmen 60 und 62 werden einer Teilerschaltung 66 zugeführt, die ein Ausgangssignal 70 erzeugt, das gleich dem Quotienten I,/I₂ ist. Das Signal am Ausgang 70 wird Eingängen 72 und 74 einer Multiplizierschaltung 76 zugeführt, die ein Ausgangssignal 78 erzeugt, das gleich (I₁ZI₃)² ist.

Die Signale an den Klemmen 64 und 62 werden auch einer Teilerschaltung 68 zugeführt, die ein Ausgangssignal 80 erzeugt, das gleich dem Verhältnis !3/I₃ ^ist·

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Ein Verstärker 82 verstärkt das Ausgangssignal 78 mit einem geeigneten Verstärkungsfaktor und Vorzeichen B₀, um ein Signal am Ausgang 94 zu erzeugen, das gleich B₂. (I₁ZI₂) ist. In ähnlicher Weise verstärken die Verstärker 84, 86, 88, 90 und 92 die entsprechenden Eingangssignale mit bestimmten Verstärkungsfaktoren und erzeugen Ausgangssignale, die den gewichteten Intensitätsquotienten entsprechen.

Die Verstärkersignale an den Ausgängen 96, 98 und 102 werden einem Summierverstärker 116 zugeführt, der ein Ausgangssignal 118 erzeugt, für welches gilt:

OS-Zähler = A_Q + A₁(I₁Zl₂) + A₂(I₁ZI₂)² + A₃(I₃Zl₃) (Gl. 6)

Eine Spannungsquelle 112 erzeugt zusammen mit Widerständen 110 und 114 den Ausdruck A_Q am Ausgang 118.

In ähnlicher Weise erzeugt der Summierverstärker 132 am Ausgang 134 ein Signal entsprechend der Beziehung:

OS-Nenner = B_Q + B₁(I₁Zl₂) + B₂(I₁ZI₂)² + B₃(I₃Zl₃) (Gl. 7)

Eine Spannungsquelle 128 erzeugt zusammen mit Widerständen 126 und 130 den Ausdruck B_Q am Ausgang 134. Die sich ergebenden Signale an den Ausgängen 118 und 134 werden einer Schaltung 140 zugeführt, die den Quotienten der Signale an den Eingängen 136 und 138 und ein Ausgangssignal 142 bildet, das die SauerstoffSättigung des untersuchten Blutes angibt. Die auf einem geeigneten Sichtgerät 144 dargestellte Sauerstoff Sättigung entspricht der Gleichung:

A + A (I₁ZI₅) + A₉(I₁ZI,)² + A-(I-ZI₉) OS = -2 ±—i ί 1—i £-5 1 1 2_ (Gl. 8)

B₀ + B₁(I₁ZI₂) + B₂(I₁ZI₂) + B₃(I₃ZI₂)

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Aus Figur 3 geht schematlsch eine andere Ausführungsform einer SignalVerarbeitungsanordnung hervor. Die Ausgangssignale von Verstärkern 50, 52 und 54 In Figur 1 werden Klemmen 200, 202 bzw. 204 gemäß Figur 3 zugeführt.

Die Signale von den Klemmen 200 und 202 werden einer Tellerschaltung 206 zugeführt, die ein Ausgangssignal 208 erzeugt, das dem Quotienten I,/I~ entspricht. Die Signale von den Ausgängen 202 und 204 werden einer Teilerschaltung 210 zugeführt, die ein Ausgangssignal 212 erzeugt, das gleich dem Quotienten I₃/I₂ ^ist*

Ein Verstärker 214 verstärkt das Signal 208 mit geeigneter Polarität und Verstärkung Al zur Erzeugung eines Signales am Ausgang 230, das gleich dem Wert A,.1,/I- entspricht. In ähnlicher Weise verstärken die Verstärker 216 bis 228 die Eingangssignale, so daß sich folgende Ausgangssignale ergeben:

Nummer der Signalleitunq	Signal
230	A₁(I₁ZI₂)
232	A₂(I₃ZI₂)
234	A^(I₁ZI₂)
236	A^(I₃ZI₂)
238	B₁(I₁ZI₂)
240	B₂(I₃ZI₂)
242	B^tI₁ZI₂)
244	B₂(I₃ZI₂)

Die Signale von den Leitungen 230 und von einer Spannungs quelle 254 werden einem Summierverstärker 256 zur Abgabe eines Ausgangssignales auf einer Leitung 258 zugeführt. Wenn Widerstände 246, 248, 250 und 252 sowie die Spannung

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der Spannungsquelle 254 geeignet ausgewählt werden, können die gewünschten Signale gemäß dem folgenden Ausdruck erhalten werden:

OS-Zähler = A_Q + A₁(I₁Zl₂) + A₂(I₃ZI₃). (Gl. 9)

Entsprechend gilt für die Ausgangssignale von Verstärkern 260, 264 und 268:

Nummer der Signalleltung Signal

262 A₀ + A^(I₁ZI₂) + A₂(I₃ZI₂) (Gl. 10)

266 B₀ + B₁(I₁ZI₂) + B₂CI₃ZI₂) (Gl. 11)

268 B₀ + BJ(I₁ZI₂) + B₂(I₃ZI₂) (Gl. 12)

Ein Schalter 272 wählt eine der Ausgangsleitungen 258 oder 262. Ein Schalter 274 wählt entweder die Ausgangsleitung oder 270. Die Schalter 272 und 274 arbeiten synchron, jeweils beide in Position 1 oder Position 2.

Die sich ergebenden Signale auf den Leitungen 276 und 278 werden einer Schaltung 280 zugeführt, die den Quotienten der Signale an den Eingängen 276 und 278 zur Abgabe eines Ausgangssignales auf einer Leitung 282 bildet, wodurch die SauerstoffSättigung des untersuchten Blutes angezeigt wird. Wenn sich die Schalter 272 und 274 in der Position 1 befinden, wird mittels eines Sichtgerätes 284 ein Signal gemäß folgendem Ausdruck angezeigt:

A + A, (I₁ZI₉) + A₉(I-ZI₉) ^0S -

Wenn sich die Schalter 272 und 274 in der Position 2 befin den, ergibt sich entsprechend:

A« + A'(I/I ) + AI(I ZI₅) nc _ ^w χ χ ζ δ j *.

^0S ~ B₀ + Bi(I₁ZI₂) + B₂(I₃ZI₂)

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Eine Komparatorlogik 286 steuert die Position der Kontakte der Schalter 272 und 274. Falls das die SauerstoffSättigung anzeigende Signal auf der Leitung 282 über einem bestimmten Wert von beispielsweise 85% liegt, befinden sich die Schalter 272 und 274 in der Position 1. Falls das die Sauerstoff-Sättigung auf der Leitung 182 anzeigende Signal unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, befinden sich die Schalter 272 und 274 in der Position 2. Durch die Anordnung kann die gewünschte Wahl der Koeffizienten A₁, A₂, A₃, B₁, B₃, B₃, Aj, A' A', Bj, B₂ ¹, und B₃ ¹ erfolgen, um die Genauigkeit der Messung abschnittsweise über einen weiten Bereich von Sättigungswerten zu optimieren.

Im Betrieb wird ein Satz von drei Wellenlängen von etwa 670 nm, 7OO nm bzw. 800 nm verwendet. Diese Wellenlängen wurden aus vielen Daten ermittelt, welche mittels in-vitro-Messungen mit Herz-Lungen-Maschinen sowie mittels in-vivo-Messungen an betäubten Untersuchungstieren und Untersuchungspersonen während der Intensivbehandlung und chirurgischen Behandlung gewonnen wurden.

Für jedes Paar von ausgewählten Wellenlängen kann der Reflexionskoeffizient als Funktion der Sauerstoffsättigung bei einem bestimmten physiologischen Parameter aufgezeichnet werden. Figur 4 stellt die unabhängig gemessene Sauerstoffsättigung über dem Verhältnis der Reflexionswerte bei 670 nm und 700 nm (R₁) über dem Verhältnis der Reflexionswerte bei 800 nm und 700 nm (R₃) für zwei Hämatokritwerte 25 und 45 dar, welche nahe den Extremwerten des interessierenden Wertebereichs liegen. Von der Darstellung in Figur 4 ergibt sich, daß R₃ unabhängig von dem Hämatokritwert bei ungefähr 36% Sauerstoffsättigung ist und sich wesentlich mit dem Hämatokritwert in den oberen Bereichen der Sauerstoffsättigung ändert. In ähnlicher Weise ist der Wert R₁ unabhängig von dem Hämatokritwert bei einer Sauerstoffsättigung von ungefähr 90% und ändert sich wesentlich mit dem Hämatokrit-

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wert In den unteren interessierenden Bereichen der Sauerstoff Sättigung.

Man kann das Verhältnis zwischen der experimentell bestimmten Sauerstoffsättigung und den Quotienten vieler verschiedener interessierender Wellenlängen für die große Anzahl der relevanten physiologischen Parameter aufzeichnen, deren Änderung die Meßgenauigkeit bei der Bestimmung der SauerstoffSättigung beeinträchtigen. Aus einer Untersuchung vieler solcher Quotienten und der Änderungen solcher physiologischer Parameter können die geeigneten Werte der Wellenlängen behalten werden, so daß sich Intensitätsquotienten ergeben, die den kumulativen Fehler der verschiedenen Parameter nahe den Extremwerten des interessierenden SauerstoffSättigungsbereiches minimal machen.

Um die berechnete Sauerstoffsättigung in hohem Maß von demjenigen Quotienten der Lichtintensität abhängig zu machen, der eine minimale Änderung bei einem bestimmten Parameter (beispielsweise dem Hämatokritgehalt wie in Figur 4) in einem bestimmten SauerstoffSättigungsbereich (beispielsweise R₃ bei etwa 36% OS, R₁ bei etwa 85% OS gemäß Figur 4) erfährt, sollten die Gewichtungsfaktoren in den Gleichungen 3, 4 und 5 derart ausgewählt werden, daß die Differenz der berechneten Sauerstoffsättigung bezüglich dem anderen Quotienten Null ist, wenn die Änderung des ersten Quotienten sich bei einem Minimum befindet. Aus Figur 4 ist ersichtlich, daß beispielsweise bei einem Sauerstoffsättigungsbereich von etwa 25 bis 45% das Verhältnis R₃ eine minimale Änderung und das Verhältnis R, eine große Änderung erfährt und daß andererseits bei einer SauerstoffSättigung von etwa 75 bis 95% die Änderung von R^ minimal und diejenige von R- groß ist. Eine Gewichtung in Richtung auf die letzte Änderung oder den letzten Fehler eliminiert somit einen ungünstigen Wert des Quotienten. Somit sollte die Ableitung der Sauerstoff-Sättigung bezüglich R₁ im Bereich von 25 bis 45% Sauerstoff-

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Sättigung ungefähr Null und die Ableitung der Sauerstoffsättigung bezüglich dem Wert R₃ im Bereich von 75 bis 95% etwa gleich Null sein. Durch diese Auswahl der Gewichtungsfaktoren werden die Fehler minimal gemacht, die bei der Messung der Sauerstoffsättigung das Meßergebnis verfälschen durch Änderungen von Parametern, die von der Wellenlänge abhängig sind und nicht selbst auf die Sauerstoffsättigung des untersuchten Blutes bezogen sind.

Weiterhin kann sowohl die Summe der Gewichtungsfaktoren des Zählers als auch die Summe der Gewichtungsfaktoren des Nenners jeweils gleich ungefähr Null gemacht werden, um Fehler auszuschalten, die sich durch Änderungen von additiven Parametern ergäben. Diese Bedingung kann jedoch nur erfüllt werden, falls drei oder mehr Wellenlängen verwendet werden.

Zusammengefaßt werden also die Quotienten von durch das untersuchte Blut bei wenigstens drei Wellenlängen zurückgestreuten Lichtintensitäten verwendet, um die Sauerstoffsättigung des Blutes in vivo zu bestimmen. Dabei können die Wellenlängen, bei denen die Messungen ausgeführt werden, derart ausgewählt werden, daß eine Anzeige der Sauerstoff-Sättigung erhalten wird, die relativ unempfindlich gegenüber Änderungen von Wellenlängen abhängigen Parametern, multipllkativen und additiven Störfaktoren der Meßanordnung und der Umgebung sind.

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Claims

Oximetrix Inc., Int. Az.: Fell <.29/T> 15. September 1977 Patentansprüche :

1.; Verfahren zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung von Blut, dadurch gekennzeichnet , daß elektromagnetische Strahlung mit wenigstens drei unterschiedlichen Wellenlängen ( A 1, Λ 2, Λ 3) erzeugt wird, die Strahlung mit jeder der Wellenlängen dem untersuchten Blut zugeführt wird ( 3, 13, 14, 6, 9), die vom Blut zurückerhaltene Strahlung bei jeder der Wellenlängen bestimmt wird und ein entsprechendes elektrisches Signal gemäß der Intensität der vom untersuchten Blut bei der betreffenden Wellenlänge zurückerhaltenen Strahlung erzeugt wird, ein erstes Ausgangssignal entsprechend dem Quotienten eines Paares von elektrischen Signalen (I,, I2) erzeugt wird, ein zweites Ausgangssignal entsprechend dem Quotienten eines anderen Paares von elektrischen Signalen (I₁, I-,) erzeugt wird, ein zweites Ausgangssignal entsprechend dem Quotienten eines anderen Paares der elektrischen Signale (I₃, I₂) erzeugt wird, ein anderes Ausgangssignal entsprechend der algebraischen Kombination der wahlweise gewichteten ersten und zweiten Ausgangssignale erzeugt wird und aus dem Quotienten der letztgenannten beiden Signale ein Ausgangssignal über die Sauerstoffsättigung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ausgangssignal entsprechend der algebraischen Verknüpfung der wahlweise gewichteten ersten und zweiten Ausgangssignale und des Quadrates eines der ersten und zweiten Ausgangssignale erzeugt wird, und ein anderes Ausgangssignal entsprechend der algebraischen Verknüpfung der wahlweise gewichteten ersten und zweiten Ausgangssignale und des Quadrates eines der ersten und zweiten Ausgangssignale erzeugt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Ausgangssignalen erzeugt wird, die jeweils dem Quotienten eines entsprechenden Paares von Intensitätssignalen entsprechen, resultierende Signale abgeleitet werden aus jedem Ausgangssignal, das mit einem Ausgangssignal und einem ausgewählten Faktor multipliziert ist, ein Ausgangssignal entsprechend der Summe aller wahlweise gewichteten resultierenden Signale erzeugt und ein Ausgangssignal über die Sauerstoffsättigung aus dem Quotienten der ausgewählten Summen von resultierenden Signalen erzeugt wird.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle (4, 11, 12) für elektromagnetische Strahlung mit wenigstens ersten, zweiten und dritten Wellenlängen vorgesehen ist, eine Einrichtung (3, 13, 14) mit der Quelle verbunden ist und dem untersuchten Blut Strahlung mit den entsprechenden Wellenlängen zuführt, eine Detektoreinrichtung (16) angeordnet ist zur Aufnahme der Strahlung aus dem untersuchten Blut, die gegenüber den einfallenden Intensitätswerten der entsprechenden Wellenlängen durch die optischen Eigenschaften des untersuchten Blutes geändert sind, um für die Intensitäten der empfangenen Strahlung bei den entsprechenden Wellenlängen entsprechende Signale zu erzeugen, ein Schaltkreis (66, 68) mit dem Detektor zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignales über den Quotienten eines ersten Paares von Signalen von der Detektoreinrichtung verbunden ist und ein zweites Ausgangssignal entsprechend dem Quotienten eines zweiten Paares von Signalen vom Detektor erzeugt und eine erste Einrichtung (82, 84, 86, 116) mit dem Schaltkreis verbunden ist und ein Ausgangssignal entsprechend der algebraischen Verknüpfung der wahlweise gewichteten ersten

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und zweiten Ausgangssignalt¹ erzeugt, eine zweite Einrichtung (88, 90, 92, 132) mit dem Schaltkreis verbunden ist und ein Ausgangssignal entsprechend der algebraischen Verknüpfung der wahlweise gewichteten ersten und zweiten Ausgangssignale erzeugt und eine Einrichtung (136, 144) mit den ersten und zweiten Einrichtungen verbunden ist und auf deren Ausgangssignale anspricht zur Erzeugung eines Ausgangssignales über den Quotienten dieser Ausgangssignale.

5. Vorrichtung vorzugsweise nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schaltkreis (206, 210) mit der Detektoreinrichtung (16) zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignales entsprechend dem Quotienten eines ersten Paares von Signalen von der Detektoreinrichtung und zum Erzeugen eines zweiten Ausgangssignales entsprechend dem Quotienten eines zweiten Paares von Signalen von der Detektoreinrichtung verbunden ist, eine erste Einrichtung (82, 84, 86, 116) mit dem Schaltkreis zum Erzeugen eines Ausgangssignales entsprechend der algebraischen Verknüpfung der wahlweise gewichteten ersten und zweiten Ausgangssignale und des Quadrates eines der ersten und zweiten Ausgangssignale verbunden ist und eine zweite Einrichtung (88, 90, 92, 132) mit dem Schaltkreis zum Erzeugen eines Ausgangssignales entsprechend der algebraischen Verknüpfung der wahlweise gewichteten ersten und zweiten Ausgangssignale und des Quadrates eines der ersten und zweiten Ausgangssignale verbunden ist.

6. Vorrichtung zum Bestimmen der SauerstoffSättigung, vorzugsweise nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schaltkreis (206, 210) mit der Detektoreinrichtung (16) zum Erzeugen einer Vielzahl von Ausgangssignalen entsprechend dem Quotienten eines entsprechenden Paares von Signalen von der Detektoreinrichtung verbunden ist, eine erste Einrich-

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tung (256, 260 ... 264, 261) ...) mit dem Schaltkreis verbunden ist zum Ableiten entsprechender resultierender Signale aus jedem Ausgangssignal, das mit einem ausgewählten Faktor mit einem Ausgangssignal multipliziert ist,und zum Erzeugen eines Ausgangssignales entsprechend der Summe aller wahlweise gewichteten resultierenden Signale und eine Einrichtung (280) mit den ersten und zweiten Einrichtungen verbunden ist und auf deren Ausgangssignale anspricht zum Erzeugen eines Ausgangssignales über den Quotienten dieser Ausgangssignale.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten (82, 84, 86 ...) und zweiten (88, 90, 92 ...) Einrichtungen Ausgangssignale erzeugen, die zusätzlich den algebraischen Kombinationen der wahlweise gewichteten Referenzausgangssignale entsprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Wellenlänge zirka 670 nm, die zweite Wellenlänge zirka 700 nm und die dritte Wellenlänge zirka 800 nm beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die algebraische Summe aller Faktoren, mit denen die resultierenden Signale in der ersten Einrichtung C82, 84, 86 ...) wahlweise gewichtet sind, im wesentlichen Null beträgt und die algebraische Summe aller Faktoren, mit denen die resultierenden Signale in der zweiten Einrichtung (88, 90, 92 ...) wahlweise gewichtet sind, im wesentlichen Null beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Faktoren, mit

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denen die resultierenden Signale in der ersten Einrichtung wahlweise gewichtet sind, derart gewählt sind, daß die partielle Ableitung der Sauerstoffsättigungsfunktion bezüglich des Quotienten der resultierenden Signale bei einem ersten Paar von Wellenlängen ungefähr Null ist nahe einem Extremwert des Bereichs der zu messenden Sauerstoffwerte und daß die partielle Ableitung der SauerstoffSättigungsfunktion bezüglich des Quotienten der resultierenden Signale bei einem zweiten Paar von Wellenlängen ungefähr Null nahe dem anderen Extremwert des Bereichs von zu messenden Sauerstoffwerten ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten, zweiten und dritten Wellenlängen wahlweise derart gewählt sind, daß die kumulative Abhängigkeit des Quotienten der resultierenden Signale von einem ersten Paar von Wellenlängen bei einer Änderung der physiologischen Parameter mit Ausnahme des Parameters der Sauerstoffsättigung minimal nahe einem Extremwert des Bereichs von zu messenden Sauerstoffwerten ist und daß die kumulative Abhängigkeit des Quotienten der resultierenden Signale bei einem zweiten Paar von Wellenlängen von Änderungen der physiologischen Parameter mit Ausnahme der SauerstoffSättigung minimal nahe dem anderen Extremwert des Bereichs von zu messenden Sauerstoffwerten ist.

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