DE2741981B2 - Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung im Blut - Google Patents

Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung im Blut

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    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/1459—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters invasive, e.g. introduced into the body by a catheter
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    • G01N21/3151—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths using two sources of radiation of different wavelengths

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung von Blut gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Sauerättigung oder der Sauerstoffgehalt des Blutes ist der Anteil des oxydiert«! Hämoglobins an dem gesamten Hämoglobin des Blutes. Das Hämoglobin ist in bikonkaven Scheiben nut einem Durchmesser von etwa 10 μ — den Hydrozyten — angeordnet, die üblicherweise in einer Konzentration von etwa 5 Millionen pro mm1 vorbanden sind. Wird das Blut mit licht bestrahlt, so streuen und reflektieren die roten Blutkörperchen einen Teil der einfallenden Strahlungsenergie zurück, während die restliche Strahlungsenergie absorbiert wird oder hindurch geht Die Differenz der Strahlungsabsorpbon durch oxydiertes und durch nicht oxydiertes Hämoglobin bildet die Grundlage für die Messung der Sauerstoffsättigung. Bei der herkömmlichen Katheteroximetrie wird die zur Messung verwendete Strahlung von der Oximetereinrichtung über einen optischen Katheter einer Meßstelle in vivo innerhalb des Blutes zugeführt
Der Katheter enthält Faseroptikleiter zur Aussendung und zum Empfang von Licht Der Empfangslichtleiter, der das vom Blut zurückgestreute Licht einem Photodetektor des Oximeters zuführt weist übl.^herweise eine zu der Austrittsöffnung des sendenden Lichtleiters koplanare Eintrittsöffnung auf. Damit stellt das zur Messung zur Verfügung stehende zurückgestreute Licht nur einen sehr kleinen Anteil der der Meßstelle zugeführten Lichtmenge dar. Die an der Meßstelle vorhandenen Streustellen wirken als Lichtquellen für den das Licht empfangenden Faserleiter. Die Stärke des zum empfangenden Faserleiter zurückgestreuten Lichtes wird durch Änderungen in der Anzahl
der Streustellen, durch deren Anordnung, Größe, Gestalt und Orientierung sowie durch die Differenz der Lichtabsorption im Ojdbämoglobm und im Hämoglobin beeinflußt.
Da das untersuchte Blut innerhalb des Blutgefäßes in der Regel pulsierend fließt, bewegt sich die Katherspitze gegenüber den Wänden des Blutgefäßes in kontrollierbarer Weise, Kommt die Wand eines Blutgefäßes der Katheterspitze nahe, so bewirkt das, daß eine sehr große Menge von dicht gepackten Streustellen an dej Meßstelle wirksam wird. Dabei wird eine wesentliche Änderung in der Verteilung und in der Anzahl der Streustellen verursacht, was wiederum in Abhängigkeit von der Wellenlänge wesentlich auf die Intensität des von dem empfangenden Lichtleiters erhaltenen Lichtes einwirkt, da das Hämoglobin und das Oxihämoglobin eine von der Wellenlänge abhängige Absorptionscharakteristik aufweisen.
Bekannte Vorrichtungen zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung von Blut verwenden elektromagnetische Strahlung mit zwei verschiedenen Wellenlängen (DE-AS 23 04064, US-PS 3847 483). Die bei diesen Wellenlängen gemessenen Strahlungsintensitäten der zurückgeworfenen Energie werden zu einer Anzeige der Sauerstoffsättigung gemäß folgender Gleichung ausgewertet:
A0 +AJi+A2I2
gung über einen weiten dynamischen Wertbereich zuverlässig zu messen,
Da aucn viele der vorgenannten Faktoren veränderlich sind, welche an der Meßstelle innerhalb eines Blutgefäßes auftreten, werden sowohl multiplikative als auch additive Aiipekte bei der optischen Messung berücksichtigt; dieses erfolgt gemäß einer der folgenden Gleichungen:
05 =
B0+ B1Ii + B2I2 '
wobei /ι und I2 die bei den Wellenlängen A, bzw. A2 gemessenen Strahlungsintensitäten darstellen.
Teilt man Zähler und Nenner in Gleichung 1 durch eine der gemessenen Lichtintensitäten, z. B. /ι, so ergibt sich:
OS = Mt+*+A2'U2II1) BoIh + B1 + B2- (hlIt)'
Die mit der bekannten Vorrichtung gemessene Sauerstoffsättigung des Blutes ist nicht nur eine Funktion d^s Verhältnisses der Lichtintensitäten selbst, sondern hängt auch von der Fließgeschwindigkeit des Blutes, von dem Hämatokrit-Wert und von den pH- und PCO2-Werten ab, wobei diese Einflüsse sich multiplikativ auswirken und ihrerseits von der Wellenlänge abhängen. Damit liefern die bekannten Vorrichtungen Meßwerte, die unter ungünstigen Bedingungen unzuverlässig und zu ungenau sein können.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung de:, Blutes zu schaffen, bei der der Einfluß von Störfaktoren weitgehend ausgeschaltet ist, welche dh Lichtabsorpticn im Blut — insbesondere in Abhängigkeit von der Wellenlänge — verändern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den untergeordneten Patentansprüchen.
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere daraus, daß die Sauerstoffsättigung nur als Funktion der Verhältnisse der Lichtintensitäten in ausgewählten Wellenlängenbereichen gemessen wird. Multiplikative, von der Wellenlänge abhängige Änderungen wirken sich auf die Meßgenauigkeit aus. Da die Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung von den Verhältnissen der Lichtintensität nicht ganz linear ist, werden nicht-lineare Kennlinien abschnittsweise durch lineare Beziehungen approximiert. Damit ist es möglich, die Sauerstoffsätti- OS =
OS =
A0 +Aiihlh)+A2(I3)I2) B0 + B1 HiIl2) + B2 (I3II2)
A0 + A1 (HiIh) + A2 (hlhf -
B0+ Bi UJI2) + B2(I1Ih? +B3(I3II2)
OS = ■
Dabei bedeuten Aq, A\, A7, A3 ui«i 4, sowie Bq, B1, B2 und B, Gewichtungsfaktoren oder Koeffizienten, Z1, I2 und /j bei den Wellenlängen Ai, A2 und A3 gemessene Lichtintensitäten, weiche 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 Sauerstoffsättiguiig eine Funktion der gemessenen
jo Lichtintensitäten, und diese Messung der Sauerstoffsättigung eignet sich über einen engen Bereich von Meßwerten. Um jedoch die Nicht-ünearitäten 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 Weüenlängen-
•r, bereiche 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
•,ο auszuwählen, daß die partielle Ableitung der errechneten Sauerstoffsättigung bezüglich eines der Quotienten ungefähr Null nahe dem unteren Extremwert dss Bereichs der Sauerstoffsättigungswerte von physiologischem Interesse ist. Die partielle Ableitung der
V) 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
wi 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 Ausführungsbei-
hr> spiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es zeigt
F i g. 1 schematisch eine Meßanordnung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 schematisch einen Schaltkreis zur Berechnung der Sauerstoffsättigung als Punktion 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 in Sauerstoffsättigungswerten und den Quotienten der Intensitäten der bei drei Wellenlängen erhaltenen Strahlung hervorgeht.
Aus F i g. 1 geht ein Abschnitt einer schematisch dargestellten Schaltungsanordnung hervor, welche eine Strahlungsquelle, optische Kombinations- und Integrationseinrichtungen, einen Katheter, einen Detektor und
' f"".gC" ϋϋ-=-·!·!ΐί
lungsquelle enthält drei Leuchtdioden 11, 12 und 4, welche abwechselnd drei Zweige 13, 14 und 3 eines Faseroptikleiters belichten. Die Leuchtdioden 11,12 und 4 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 >i 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. j(l
Die Leuchtdioden 4, 11 und 12 geben Strahlung mit Wellenlängen Ai, A2 und A3 ab. Diese Strahlung wird durch Faseroptikleiter 13, 14 und 3 gesammelt, welche eine oder mehrere Fasern enthalten können, die räumlich zu einem Bündel mit einem minimalen r> 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 4» 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 -r, eine einzige Übertragungsfaser 9 oder ein Bündel von mit der Apertur 6/4 verbundenen Strahlung übertragenden Fasern eine Strahlungsmenge mit jeder der drei Wellenlängen, die nicht wesentlich durch kleine seitliche Fehlausrichtungen beeinflußt wird, welche sich zwisehen dem optischen Integrator 6 und der Faser 9 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 10/4 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 Lichtleiters 10 optisch mit dem Strahlungsdetektor 16 gekoppelt, so daü im 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 A 1 verstärkt. Während der Zeitintervalle, in denen keine der Leuchtdioden 11, 12 oder 4 Strahlung abgibt, ist ein Schalter 51 durch ein Signal von dem Impulsgenerator IS geschlossen. Dadurch wird ein geschlossenes Servosystem zwischen den Verstärkern A 1 und A 2 gebildet, welches eine Vorspannung am Verstärker A 1 ausbildet, die dessen Ausgangsspannung auf Null einstellt. Während der Zeitintervalle, in denen der
>jviiaitv.i <j ■ gkuiinvt ui, nuu uivjv τ \jt jpaiiiiung /.ui Null-Korrektur für den Verstärker A 1 durch die Ladung aufrechterhalten, die auf einem Rückkopplungskondensator 18 gespeichert ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die Ausgangsspannung des Detektorverstärkers A 1 Null ist wenn der Detektor 16 keine zurückgestreute Strahlung erhält. Es werden somit Drift-Erscheinungen des Verstärkers und Störausgangsspannungen des Detektors 16 unterdrückt.
Wäh and der Zeitspanne, in welcher die Diode 4 Strahlung abgibt ist der Schalter 52 durch ein Signal von dem Impulsgenerator 15 geschlossen, und die Signalspannung am Ausgang de: Detektorverstärkers A 1 (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 52, 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 wird durch einen Verstärker 50 verstärkt der eine Gleichspannung abgibt welche direkt bezogen auf die von der Leuchtdiode 4 abgegebene und vom Blut zurückgestreute Intensität der Strahlung bei der Wellenlänge Ai ist.
Ähnlich wirken ein Schalter 53, 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, weicher Gleich ,pannung direkt bezogen auf die Intensität der Strahlung bei der Wellenlänge A2 des von der Leuchtdiode 11 abgestrahlten und vom untersuchten Blut zurückgestreuten Lichtes ist In der gleichen Weise wirken ein Schalter 54, ein Widerstand 26, 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 A3 bezogen ist weiche von der Leuchtdiode 12 abgegeben und vom untersuchten Blut zurückgestreut wird.
Gemäß dem Blockdiagramm in Fig.2 ist eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen. Die Ausgangssignaie von den Verstärkern 50, 52 und 54 in Fig. 1 werden Klemmen 60, 62 bzw. 64 in Fig.2 zugeführt
Die Signale an den Klemmen 60 und 62 werden einer
Teilerschaltung 66 zugeführt, die ein Ausführungsbeispiel 70 erzeugt, das gleich dem Quotienten I1Ih ist. Das Signal am Ausgang 70 wird Eingängen 72 und 74 einer Multiplizierschaltung 76 zugeführt, die ein Ausgangssignal 78 erzeugt, das gleich (Uh)2 ist.
Die Signale an den Klemmen 64 und 62 werden auch ein*"· Teilerschaltung 68 zugeführt, die ein Ausgangssigna'.8O erzeugt, das gleich dem Verhältnis Uh ist.
Ein Verstärker 82 verstärkt das Ausgangssignal 78 mit einem geeigneten Verstärkungsfaktor und Vorzeichen Bi, um ein Signal am Ausgang 94 zu erzeugen, das gleich Bi ■ (I1Ih)2 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:
Nummer der Signalleitung Signal
OS-Zähler = A11+ A1 H1H2) + A2H1H2)2 +
Eine Spannungsquelle 112 erzeugt zusammen mit Widerständen 110 und 114 den Ausdruck A0 am Ausgang 118.
In ähnlicher Weise erzeugt der Summierverstärker 132 am Ausgang 134 ein Signal entsprechend der Beziehung:
OS-Nenncr = tf„+ B1 H1Hi) + B2H1Hi)2 + B3H3I2).
Eine Spannungsquelle 128 erzeugt zusammen mit Widerständen 126 und 130 den Ausdruck Bo 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 Sauerstoffsättigung entspricht der Gleichung:
os = An + A1 H1Hz) + A2H1H2)2 + A3 H3J2)
ß„ + B1 H1H2) + B2 (I1H2)1 + B3 H3 I:)'
Aus Fig.3 geht schematisch eine andere Ausführungsform einer Signalverarbeitungsanordnung hervor. Die Ausgangssignale von Verstärkern 50, 52 und 54 in F i g. 1 werden Klemmen 200, 202 bzw. 204 gemäß F i g. 3 zugeführt.
Die Signale von den Klemmen 200 und 202 werden einer Teilerschaltung 206 zugeführt, die ein Ausgangssignal 208 erzeugt, das dem Quotienten /1//2 entspricht Die Signale von den Ausgängen 202 und 204 werden einer Teilerschaltung 210 zugeführt, die ein Ausgangssignal 212 erzeugt, das gleich dem Quotienten Uh ist
Ein Verstärker 214 verstärkt das Signal 208 mit geeigneter Polarität und Verstärkung A 1 zur Erzeugung eines Signais am Ausgang 230. das gleich dem Wert A1 ■ I1II2 entspricht In ähnlicher Weise verstärken die Verstärker 216 bis 228 die Eingangssignale, so daß sich folgende Ausgangssignale ergeben:
230 232 234 236 238 240 242 244
A1(I1II2)
A1 1O1Il2) Ai(Uh) B1(I1Ih) B1(Uh)
B2'(hlh)
Die Signale von den Leitungen 230 und von einer Spannungsquelle 254 werden einem Summierverstärker 256 zur Abgabe eines Ausgangssignals auf einer Leitung 258 zugeführt. Wenn Widerstände 246,248,250 und 252 sowie die Spannung V, Ηργ Snannungscjueüe 254 geeignet ausgewählt werden, können die gewünschten Signale gemäß dem folgenden Ausdruck erhalten werden:
OS-Zähler = A1, + A1 H1H2) + A2 H3 I2). (9)
Entsprechend gilt für die Ausgangssignale von Verstärkern 260,264 und 268:
Nummer der Siunal Ai O1H2) + A. >Ί2) (10)
267 λ; + B1 [I1Hi) + B2 H2) (H)
266 B11 + Bi H1Hi) + B2 >H2) (12)
268 Bi, +
[H
H3
(/.
Ein Schalter 272 wählt eine der Ausgangsleitungen 258 oder 262. Ein Schalter 274 wählt entweder die Ausgangsleitung 266 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 Ausgangssignals auf einer Leitung 282 bildet, wodurch die Sauerstoffsättigung des untersuchten Blutes angezeigt wird. Wenn sich die Schalter 272 und 274 in der Positon 1 befinden, wird mittels eines Sichtgerätes 284 ein Signal gemäß folgendem Ausdruck angezeigt:
B0+B1(I1H1)
(13)
Wenn sich die Schalter 272 und 274 in der Position 2 befinden, ergibt sich entsprechend:
OS =
A6+
Bi+ BiHiH2)
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 Sauerstoffsättigung auf der Leitung 182 anzeigende Signal unterhalb eines bestimmten Wertes liegt befinden sich die Schalter 272 und "274 in der Position 2. Durch die Anordnune kann die
gewünschte Wahl der Koeffizienten A\, Ai, Ai, B\, Bi, Bi, A\, A{, A-J, B\, Bi, und B] 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, 700 nm bzw. 800 nm verwendet. Diese Wellenlängen "'urden aus vielen Daten ermittelt, welche mittels iil-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. F i g. 4 stellt die unabhängig gemessene Sauerstoffsättigung über dem Verhältnis der Reflexionswerte bei 670 nm und 700 nm (R]) über dem Verhältnis der Reflexionswerte bei 800 nm und 700 nm (Rs) für zwei Hämatokritwerte 25 und 45 dar, welche nahe den Extremwerten des interessierenden Wertebereichs liegen. Von der Darstellung in Fig.4 ergibt sich, daß Rj 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 R\ unabhängig von dem Hämatokritwert bei einer Sauerstoffsättigung von ungefähr 90% und ändert sich wesentlich mit dem Hämatokritwert in den unleren 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 nohem Maß von demjenigen Quotienten der Lichtintensität abhängig zu machen, der eine minimale Änderung bei einem bestimmten Parameter (beispielsweise dem Hämatokritgehalt wie in Fig.4) in einem bestimmten Sauerstoffsättigungsbereich (beispielsweise Rj bei etwa 36% OS, R] bei etwa 85% OSgemäß Fig.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 Fig.4 ist ersichtlich, daß beispielsweise bei einem Sauerstoffsättigungsbereich von etwa 25 bis 45% das Verhältnis Ri 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 Ri 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 Sauerstoffsättigung bezüglich R] im Bereich von 25 bis 45% Sauerstoffsättigung ungefähr Null und die Ableitung der Sauerstoffsättigung bezüglich dem Wert Ri 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 Sauerstoffsättigung erhalten wird, die relativ unempfindlich gegenüber Änderungen von Wellenlängen unabhängigen Parametern, multiplikativen und additiven Störfaktoren der Meßanordnung und der Umgebung sind.
Ilicr/u 4 I51;i(t ZcichnuimL-n

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    IO
    L Vorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung von Blut, die versehen ist mit:
    (a) Strahhmgsquellen zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung mindestens zweier verschiedener Wellenlängen;
    (b) einer Leiteinrichtung, durch die die Strahlung dem zu untersuchenden Blut zugeführt wird;
    (c) einer Detektoretnrichtung zum Empfangen der von dem Blut zurückgeworfenen Strahlung, deren Intensitäten bei den verschiedenen Wellenlängen entsprechend der optischen Eigenschaften des Blutes verändert worden sind, und zum Erzeugen von den empfangenen Intensitäten entsprechenden elektrischen Signalen, sowie
    (d) einer Auswerteschaltung, durch die aus den elektrischen Signalen durch QuotientenbDdung x ein die Sauerstoffsättigung darstellendes MeS-signal erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daS sie eine zusätzliche Strahlungsquelle (12) zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mindestens einer dritten Wellenlänge aufweist; daß die Detektoreinrichtung (16 bis 54) mit einem Schaltkreis (206,208) verbunden ist, in dem aus einem ersten Paar elektrischer Signale (Iu k) ein erstes Quotientensi- » gnal und ?us einem zweiten Paar elektrischer Signale (Ij, h) ein zweites Quotientensignal erzeugt wird, und daß die Ausweiteschaltung eine die QuotientensignaJe empfangende erste und zweite Einrichtung (82, 84, 86, 116 f. w. 88, 90, 92, 132) κ aufweist, durch die mit den in vorgegebener Weise gewichteten Quotientensignalen eine erste und eine zweite algebraische Summe gebildet werden, sowie eine dritte Einrichtung (136, 144), durch die das Meßsignal (OS) als Quotient der ersten und zweiten algebraischen Summen erzeugt wird,
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten und der zweiten Einrichtung (82, 84, 86, 116) die Quotientensignale (I\lh, Wh) gewichtes werden, indem sie mit « Koeffizienten (A0 bis Aj, Bo bis Bi) versehen werden, deren algebraische Summen im wesentlichen gleich Null sind
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Wellenlängen flt, A2, Xj) der a elektromagnetischen Strahlung derart festgelegt sind, daß das erste Quotientensignal (I\lh) bei einem ersten Wert der Sauerstoffsättigung unabhängig von physiologischen Änderungen des Blutes mit Ausnahme seiner Sauerstoffsättigung und das zweite v> Quotientensignal (IjIh) bei einem zweiten Wert der Sauerstoffsättigung unabhängig von diesen Änderungen ist
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quotientensignale u> (UIh, I1Ih)durch Koeffizienten(A0 ,bis Aj, B0 bis B1) derart gewichtet werden, daß der Einfluß veränderlicher physiologischer Eigenschaften des Blutes mit Ausnahme seiner Sauerstoffsättigung minimiert wird. bi
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung mit den Quotientensignalen algebraische Summen der Form A>-M, (h/Q+A2 (I3Ik) und Β,+Β, (IxIk)+Bz (JhIkA gebildet werden, wobei A, und 4 vorgegebene Wkhtnngskoeffizienten sind. 6, Vorrichtung nach einen der Ansprüche I bis 5,
    dadurch geki
    ebnet, daß die Quotientensignale
    ( h/k) durch Versaren und Kenngrößen der Bantrile in der ersten und zweiten Einrichtung (82, 84, 86, 116 bzw. 88, 90, 92, 132) derart gewichtet werden, daß in der Niie eines
    ^ i
    2n
    rekfas die partielle Ablehung der algebraischen Summe nach einem Quotienten (UIh) und in der Nähe des anderen Endes des Sanerstoffsätögimgsberekbs die partielle Abteitimg der algebraischen Summe nach dem zweiten Quotienten (h/k) angenähert gleich Null sind.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten WrilmBnggn nmr* g«—r3hlt CJnH1 Haft fm- «-in erstes Paar von Wellenlängen die kumulative Abhängigkeit der Quotientensuntale von einer Änderung der physiologischen Parameter mit
    AiKMhme &er SaiMTgtnffcättigiing nabf finfm Fndf
    des Bereichs der zu messenden Sauerstoffwerte rt ist und daß für ein zweites Paar von
    Wellenlängen die kumulative Abhängigkeit der Quotientensiga?ie von Änderungen der physiologischen Parameter mit Ausnahme der Sauerstoffsättigung nabe dem anderen Extremwert des Bereichs der zu messenden Sauerstoffwerte minimiert ist.
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