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Die
Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Durchblutungsmessvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine
solche Vorrichtung dient insbesondere zur selektiven Erfassung und
Visualisierung der dermalen arteriellen Perfusionsrhythmik des Menschen.
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Spätestens
seit den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts ist bekannt, dass
die Dynamik der Blutvolumenschwankungen in hautnahen Gefäßnetzen am
Körper des Menschen bereits unter physiologischen Bedingungen
in ihrem Verlauf und frequenzselektiver Zusammensetzung starken
individuellen Variationen unterliegen. Das Blutvolumen des Menschen
ist mit etwa 5 Litern (1/15 des Körpergewichts) zu klein,
um gleichzeitig alle Organe und Gewebsabschnitte mit gleicher Intensität
zu perfundieren. Vor allem die Perfusion in Kapillarbereichen (Gefäßendstrombahn)
der einzelnen Körperareale kann daher autonom zeitweise
zu Gunsten anderer Areale reduziert werden, die auf Grund der aktuellen
Lebenslage und aus Sicht der Lebenserhaltung wichtigere Funktionen
zu erfüllen haben. Am meisten erforscht sind die herzsynchronen
und die respiratorisch bedingten Rhythmen in der Perfusion der Haut,
deutlich weniger dagegen die langsameren Rhythmen, die oft etwa
im Bereich 0,1 bis 0,2 Hz liegen und deren Genese und diagnostische
Relevanz letztlich noch nicht in allen Einzelheiten bekannt ist.
So werden in der Literatur beispielsweise rhythmische Schwankungen
der Organperfusion mit Perioden von 5–10 s als Folge der Tatsache
beschrieben, dass bei Ruhelage des Menschen nur 30% der Kapillaren
hämodynamisch wirksam sind. Bei pathophysiologischen Gefäßzuständen,
z. B. onkologischen Erkrankungen (Neuvascula risierung im Tumorgebiet),
sind diese Unterschiede intra- und interindividuell noch deutlicher
ausgeprägt.
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In
den letzten Dekaden sind eine ganze Reihe von Vorrichtungen zur
nichtinvasiven optoelektronischen Erfassung der dermalen Hämodynamik
entwickelt worden. Vorrichtungen, von denen bei der Formulierung
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, sind beispielsweise
aus den Patentschriften
DE 3100610.8 (Blazek
und Wienert, 1981),
DE 3609075.1 (Schmitt
und Blazek, 1986) und
DE 4226973.3 (Blazek
und Schmitt, 1992), bekannt. Alle diese Vorrichtungen weisen einen
optoelektronischen Sensor auf, der wenigstens eine Lichtquelle und
einen Lichtdetektor beinhaltet. Auf diese Druckschriften wird im Übrigen
zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen
Begriffe ausdrücklich verwiesen.
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Die
meisten dieser Vorrichtungen gehen methodisch zurück auf
das von A. B. Hertzman in "The blond supply of
various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph" (Amer.
J. Physiol. 124 (1938)) erstmals beschriebene Prinzip der
Photoplethysmographie (kurz PPG).
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Der
PPG-Technik liegt die Tatsache zu Grunde, dass das Licht im nahen
Infrarotbereich und großem Teil des Sichtbaren von Hämoglobin
bzw. von Blut wesentlich stärker als von Gewebe absorbiert wird.
Da eine Gefäßerweiterung immer mit einer Zunahme
des Blutvolumens im Messzenario verbunden ist, vergrößert
sich zwangsläufig auch das Absorptionsvolumen. Sendet man
nun selektives Licht geringer Intensität in das Gewebe,
so wird ein Detektor in der Nähe der Lichteinkopplung mit
Zunahme des Blutvolumens im Messareal weniger Licht empfangen. Auch
ist es bekannt, dass die photoplethysmographischen Signale in der
Regel aus einem relativ großen nichtpulsatilen Signalan teil
(d. c., Gleichsignal) besteht, dem ein amplitudenmäßig
viel kleineres Perfusionssignal (a. c., Wechselsignal), der wiederum
aus verschiedenen Frequenzanteilen zusammengesetzt wird, überlagert
ist.
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Es
sind optoelektronische Sensoren bekannt, die mehrere Wellenlängen
im roten und infraroten Bereich des Spektrums zum Beispiel zur Bestimmung
der dermalen Sauerstoffsättigung (Pulsoximetrie) heranziehen.
Andere Sensorversionen, beschrieben beispielsweise im
US Patent Nr. 5830137 (Scharf, 1996),
verwenden zwei leicht unterschiedliche Wellenlängen des
grünen Lichtes für die gleiche Anwendung. In keiner
dieser Veröffentlichungen werden jedoch weit auseinander
liegende Messwellenlängen verwendet.
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Die
Hauptaufgabe der Erfindung liegt darin, eine verbesserte Durchblutungsmessvorrichtung
zur Verfügung zu stellen. Dabei soll insbesondere eine einfach
und kostengünstig realisierbare Optrode zum Einsatz gelangen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung
dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei kürzeren
Wellenlängen des sichtbaren Spektrums die optische Dämpfung
der obersten Hautschicht, der Epidermis, deutlich zunimmt, was wiederum
zur Reduktion der Eindringtiefe dieser Strahlen führt.
Wenn also in die klassischen photoplethysmographichen Sensoren (Optroden)
mehrere selektive Lichtquellen mit Wellenlängen von beispielsweise
470 nm (blaues Licht) über 560 nm (grünes Licht)
bis zu 950 nm (infrarotes Licht) integriert werden, können
erfindungsgemäß in diesen einzelnen Spektralbe reichen
gleichzeitig unterschiedliche Tiefen des Gewebes illuminiert werden.
Durch die Wahl der Messwellenlänge lässt sich
also die maximale Empfindlichkeit der Optrode rein elektronisch
je nach diagnostischer Fragestellung in gewünschte Hauttiefen
einstellen. Dies führt wiederum dazu, dass die Perfusion
der Haut tiefenselektiv und trotzdem gleichzeitig erfasst werden
kann, also zum Beispiel überwiegend im hautoberflächennahen
Kapillarbereich durch Verwendung des grünen Lichtes oder überwiegend
in den tiefen dermalen Gefäßnetzen (Hauttiefen
von etwa 3 bis 4 mm) durch Verwendung von Infrarotlicht.
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Außerdem
wird erstmals erfindungsgemäß genutzt, dass durch
die Verwendung des grünen Lichtes gezielt die Hautschicht
illuminiert werden kann, die die größte Dichte
der Kapillaren besitzt und dementsprechend bei diesen Wellenlängen
das größte normierte Perfusionssignal (der pulsatile ac-Anteil,
bezogen auf den nichtpulsatilen dc-Anteil) zu erwarten ist. Somit
können erstmals durch die Verwendung von grünem
Licht Optroden konstruiert werden, die auch bei einer extrem schwachen
Gewebeperfusion hinreichende Messempfindlichkeit besitzen.
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Schließlich
kann durch Verwendung des günstigen grünen Signals
in Verbindung mit Korrelationsfiltern auch die Signalqualität
des weniger günstigen, jedoch aus diagnostischer Sicht
womöglich ebenso wichtigen roten Signals gesteigert werden.
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Die
Erfindung verwendet erstmals weit auseinander liegende Messwellenlängen
(beispielsweise blau, grün, rot und infrarot), wodurch
die universelle Anwendbarkeit der optoelektronischen Sensoren gegeben
ist. Durch die gezielte Wahl der Wellenlängen kann die
Messtiefe (Sensorempfindlichkeit) rein elektronisch gesteuert werden,
wobei je nach Wellenlänge respektive Messtiefe unterschiedliche
Messsignale (wellenlängenspezifische Pulsamplitude und Pulsform)
zu erwarten sind.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist als eine optoelektronische,
messtiefen- und gewebeartselektive Durchblutungsmessvorrichtung ausgebildet
und dient zur rechnerunterstützten, nicht-invasiven Erfassung
und Visualisierung der rhythmischen Phänomene der peripheren
dermalen Perfusion (Blutvolumenschwankungen in den Gefäßnetzen
der Haut) als Abbild der aktuellen Kreislaufdynamik des Menschen.
Diese Durchblutungsmessvorrichtung umfasst in einer bevorzugten
Ausstattung
- – eine Optrode (optoelektronischer
Sensor), die mit mindestens zwei selektiven Lichtquellen, deren
Licht das Messareal mit programmierbarem Regime gezielt beaufschlagt,
und mit mindestens einem Lichtdetektorsystem, welches das im Gewebe
gestreute Licht empfängt, ausgebildet ist, wobei das detektierte
Signal in seinen Einzelteilen den selektiven Lichtquellen derart
zugeordnet werden kann, dass zumindest eine der Lichtquellen überwiegend
oder gänzlich der eigentlichen Perfusionsmessung dient,
wobei die Messwellenlänge dieser Lichtquelle je nach medizinischer Fragestellung
und gewünschter Messtiefe gezielt ausgewählt wird,
und mindestens eine der Lichtquellen, die an einer anderen Wellenlänge
betrieben wird, ein Signal liefert, das überwiegend oder gänzlich
zur Unterdrückung der Messartefakte respektive zur Mustererkennung
dient, und
- – einer Steuer- und Auswerteeinheit, die die anliegenden
funktionellen Biosignale analysiert und daraus das je nach diagnostischer
Fragestellung optimierte, artefaktbefreite Arbeitsregime des Sensors überwacht.
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Durch
die abgestimmte Zusammenwirkung ihrer einzelnen Merkmale zeichnet
sich die Erfindung im Vergleich mit den Vorrichtungen nach dem Stande der
Technik beispielsweise dadurch aus, dass erstmals arterielle Perfusionsdaten
durch die Wahl von günstigen Wellenlängen selektiv
aus verschiedenen Hauttiefen erfasst werden können oder
beispielsweise auch die daraus abgeleiteten Vitalparameter wie die
Sauerstoffsättigung des Gewebes je nach Messzenario artefaktoptimiert
analysiert werden können.
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die
im Übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text
nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen
Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.
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Es
zeigen:
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1 einen
prinzipiellen Aufbau einer Durchblutungsmessvorrichtung, bei der
eine Optrode im Reflexionsmodus arbeitet;
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2 einen
prinzipiellen Aufbau einer abgewandelten Durchblutungsmessvorrichtung,
bei der die Optrode im Transmissionsmodus arbeitet;
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3 eine
weitere Ausführungsform der Optrode, die an der Haut befestigt
ist, im Reflexionsmodus arbeitet und in der Lage ist, durch Wahl
verschiedener Wellenlängen der integrierten selektiven
Lichtquellen verschiedene Hauttiefen und somit verschiedenen Gefäßbereiche
der Haut abzutasten;
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4 Spektrale
Reflexions- und Extinktionseigenschaften ausgewählter biologischer
Proben im sichtbaren und nahen IR-Bereich des Spektrums (Blazek,
Dissertationsschrift, IHF/RWTH Aachen, 1979);
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5 ein
Beispiel der simultanen Registrierung der dermalen Perfusion mit
einer Optrode mit vier verschiedenen Lichtquellen, wobei auf Grund
der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe verschiedene Perfusionsphänomene
in unterschiedlichen Hautschichten simultan abgebildet werden;
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6 ein
weiteres Anwendungsbeispiel der selektiven, simultanen Registrierung
der Hautperfusion im grünen (oben) und roten (Mitte) Wellenlängenbereich,
wobei mit Hilfe des hinreichend hoch aufgelösten grünen
Signals und Korrelationsfiltern die Signalqualität des
roten Signals gesteigert wird (unten).
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1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Messanordnung und deutet auch das Vorgehen bei deren bevorzugter Anwendung
im Rahmen der medizinischen Funktionsdiagnostik an. Die Optrode
(RMO) arbeitet nach dem ReflexionsModus, ist rotationssymmetrisch
ausgebildet und beinhaltet 4 selektive Lichtquellen (LEDs oder LDs)
(L1 bis Ln) sowie
einen Lichtdetektor (D). Die Abstände zwischen dem Lichtdetektor
und den Lichtquellen sind vorzugsweise identisch, so dass in diesem
Fall die Messtiefe (die aus der relativen Empfindlichkeit als Funktion
der Hauttiefe berechnet werden kann) der Optrode lediglich von der Messwellenlänge
der einzelnen Lichtquellen abhängt. Über eine
mehradrige, hochfle xible Kabelverbindung (EKV) wird die Optrode
mit der zugehörigen Steuerungs- und Auswerteelektronik
(SAE) verbunden, in Mikroausfertigungen der Vorrichtung kann aber
auch SAE direkt in die RMO integriert werden. Die SAE beinhaltet
in der Minimalausstattung alle zur Signalerfassung, -steuerung und
-auswertung notwendige elektronische Schaltkreise, wie Signalwandler,
Verstärker und Filterstufen, Korrelationsschaltkreise,
Prozessoren, Stromversorgungs- und Signalanzeigevorrichtungen. So
können beispielsweise gezielt die einzelnen Photonenströme,
die das Gewebe transilluminieren, eingestellt werden, die einzelnen normierten
Signalamplituden errechnet und auch gegenseitig nach programmierbaren
Algorithmen verglichen werden sowie Messartefakte erkannt und minimiert
werden.
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2.
zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Messanordnung. Diesmal ist der
optoelektronische Sensor (TMO) so ausgebildet, dass er im Transmissions-Modus
ausgewählte periphere Körpergebiete (in diesem Fall
Finger) durchleuchten kann.
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3.
zeigt schließlich die erfindungsgemäße
Messanordnung mit einer quadratisch ausgebildetem Reflexionsmodus-Optrode
(RMO). In diesem Fall sind die mittleren Abstände der Lichtquellen
(L1 bis Ln) von
dem Lichtdetektor (D) unterschiedlich, die Zwischenräume
(ZW) zwischen den einzelnen optoelektronischen Wandlern sind mit
einem nicht transparenten Material ausgefüllt, um das Nebensprechen zwischen
den einzelnen Bauteilen zu unterdrücken. Die Sensorgeometrie
und die Messwellenlängen der Lichtquellen (L1 bis
Ln) sind so gewählt, dass beispielsweise
bei einer blauen oder grünen Wellenlänge überwiegend
nur die obersten Gefäßstrukturen der Haut (kapillare
Endstrombahn) transilluminiert werden, bei einer IR-Wellenlänge
um 950 nm dagegen die maximale Sensorempfindlichkeit im Bereich der
tiefen, horizontal verlaufenden Gefäßnetzen (G3) oder
(G2) herrscht.
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Die
Kurvenverläufe in 4. zeigen
anschaulich, dass im gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich,
sowie im nahen Infrarot, große Unterschiede (gute optische
Kontraste) zwischen den spektralen Reflexionsgraden der blutleeren
Haut (1) und des Blutes (2) bestehen. Dies wird
vor allem auf die erhöhte Absorption des (oxygenierten
oder reduzierten) Hämoglobins im Blut zurückgeführt.
Die dort aufgeführte Kurve (3), die spektrale
Extinktion (Strahlungsschwächung) der Epidermis, zeigt
die lebenswichtige Strahlungsfilterfunktion dieser obersten, nicht
durchbluteten Hautschicht. Man erkennt eine fast vollständige
Dämpfung der UV-Strahlung und eine minimale Dämpfung
von nur lediglich 15% im nahen IR-Bereich. Dieser Effekt wird hier
erfindungsgemäß zur Wahl der Eindringtiefe der
Messstrahlen genutzt. Dadurch können erstmals Perfusionssignale tiefenselektiv
respektive gefäßanschnittselektiv sortiert und
für medizinisch-diagnostische Zwecke als neuartige funktionelle
Parameter herangezogen werden.
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Dass
diese erfindungsgemäße, rein elektronische Perfusionssignalselektion
in der Praxis funktioniert, belegen zwei Beispiele experimenteller
Perfusionsregistrierungen (zeitabhängige Blutvolumenschwankungen)
in den 5 und 6.
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5 zeigt
vier simultane Registrierungen der dermalen Perfusionsdynamik, aufgenommen
mit 4 verschiedenen Wellenlängen. Auf Grund der wellenlängenabhängigen
Eindringtiefe können somit erstmals verschiedene Durchblutungsphänomene
in unterschiedlichen Hautschichten simultan abgebildet werden. Diese
Messergebnisse belegen, dass sowohl die herzsynchronen Perfusionsrhythmen
als auch langsame Vasomotionsrhythmen um 0,1– 0,15 Hz am
besten mit grünem Licht erfasst werden können.
Sie scheinen somit in den Kapillaren besonders ausgeprägt
zu sein.
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Einige
Einsatzgebiete der optoelektronischen Sensorik, wie z. B. die Pulsoximetrie
(transkutane Bestimmung der Sauerstoffsättigung im Blut) und
auch die Konzentrationsbestimmung weiterer Blutgase, erfordern ebenfalls
simultane Perfusionsmessungen mit verschiedenen Wellenlängen.
Aus den Amplitudenverhältnissen der in diesem Fall herzsynchronen
Perfusion (= Pulsation) kann auf die jeweilige Stoffkonzentration
geschlossen werden. Die optimalen Beleuchtungswellenlängen
der in der Optrode integrierten Lichtquellen werden hierbei von
den Absorptionseigenschaften des jeweiligen Blutgases bestimmt,
wobei auch mehrere Wellenlängenkombinationen in der Literatur
bekannt sind (beispielsweise 660 nm/930 nm oder 560/577 nm für
die Pulsoximetrie). Eine Verwendung von weit voneinander liegenden
Wellenlängen (z. B. 470, 530, 617 und 950 nm) ist in diesem
Zusammenhang in der Fachliteratur noch nicht diskutiert worden.
Verschiedene Messungen, vor allem mit RMOs (ReflexionsModusOptroden)
zeigen jedoch, dass gerade bei Perfusionsmessungen im roten Spektralbereich
die Signalqualität oft unzureichend ist.
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Um
die Signalqualität bei diesen problematischen Wellenlängen
erfindungsgemäß zu verbessern, kann zusätzlich
zu den für die Analyse benötigten, klassischen
Wellenlängen im roten und infraroten Bereich auch mit grünem
oder blauem Licht gemessen werden. Die dabei erzielbaren Messkurven weisen
zumeist eine deutlich höhere Signalqualität auf.
Unter Ausnutzung von Korrelationsanalyse und Mustererkennung kann
das grüne Signal verwandt werden, um eine Signalverbesserung
des roten und/oder infraroten Signals durchzuführen.
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6 zeigt
ein Beispiel hierzu. Nach simultaner Aufzeichnung von Perfusogrammen
mit grüner und roter Beleuchtung konnte vorzugsweise mittels eines
Wavelet-Filters die Signalqualität des roten Signals deutlich
verbessert werden (6 unten). Eine weitere positive
Folge der Integration kurzwelliger Lichtquellen in die erfindungsgemäße
Vorrichtung liegt in der Effizienz der optoelektronischen Gewinnung
der funktionellen Perfusionsdaten in diesem blaugrünen
Bereich zwischen etwa 470 und 570 nm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3100610 [0003]
- - DE 3609075 [0003]
- - DE 4226973 [0003]
- - US 5830137 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - A. B. Hertzman
in ”The blond supply of various skin areas as estimated
by the photoelectric plethysmograph” (Amer. J. Physiol.
124 (1938)) [0004]
- - Blazek, Dissertationsschrift, IHF/RWTH Aachen, 1979 [0020]