DE29807158U1

DE29807158U1 - Vorrichtung zur nichtinvasiven und kontinuierlichen Messung des Blutdrucks in der Human- und Tiermedizin (kontinuierlicher Blutdruckmonitor)

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Publication number: DE29807158U1
Application number: DE29807158U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2008-04-24

Description

VORRICHTUNG ZUR NICHTINVASIVEN UND KONTINUIERLICHEN MESSUNG DES BLUTDRUCKS IN DER

HUMAN- UND TIERMEDIZIN

KONTINUIERLICHER BLUTDRUCKMONITOR

STAND DER TECHNIK

Zur Messung und Überwachung des Blutdrucks unterscheidet man zwischen den nichtinvasiven und den invasiven Meßverfahren. Die nichtinvasiven Verfahren bzw. die dafür verwendeten Geräte beruhen auf dem Prinzip, durch äußeren Druck auf eine Extremität den Blutfluß zunächst zu unterbinden. Dann wird kontrolliert der Druck solange reduziert, bis der systolische Druck des Blutes den äußeren Druck überwinden kann. Später ist der Blutfluß zu keinem Zeitpunkt mehr unterbrochen, wenn der diastolische Blutdruckwert unterschritten worden ist. Zur Realisierung dieser Techniken werden Luftdruckmanschetten verwendet, die durch eine Pumpe unter Druck gesetzt werden. Zur Ermittlung der spezifischen Druckwerte werden entweder Barometer mit Mikrophonen verwandt (auskultatorisches Meßprinzip) oder die Schallwellen werden im Schlauch zwischen Pumpe und Manschette übertragen und es wird dann geräteintern eine Schwingungsmessung vorgenommen (oszülometrisches Meßprinzip). Allen Vorrichtungen sind folgende nachteilige Eigenschaften gemeinsam:

(1) Die Messung benötigt mehrere Herzperioden, die Druckverhältnisse der einzelnen Herzperioden stimmen also nur näherungsweise.

(2) Da durch den Druck Blutleere in der Extremität erzeugt wird, kann nicht in beliebig kurzen Intervallen gemessen werden. Üblicherweise liegen die Intervalle im Bereich von fünf bis einhundertzwanzig Minuten. Alle Ereignisse zwischen den Meßntervallen werden &ldquor;übersehen". (3) Durch den Druck der Manschette auf die Extremität zum Zeitpunkt der Messung wird der Patient gestört, so daß die ermittelten Werte nicht realistisch sind. Die Messung am schlafenden Patienten liefert realitätsfremde Werte, da dieser bei der Messung häufig aufwacht.

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Um die obigen Nachteile zu vermeiden, kann auf invasive Techniken zurückgegriffen werden. Dabei wird dem Patienten ein Katheter in eine große Arterie gelegt. Ein durch den Druck des Blutes komprimiertes Übertragungsmedium (üblicherweise physiologische Kochsalzlösung) drückt gegen einen Druckwandler (Transducer), der dann dem Druck proportionale elektrische Signale erzeugt, die gemessen und geeignet dargestellt werden können.
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Die invasive Technik ihrerseits hat folgende nachteilige Eigenschaften:

(1) Es wird bei dem Patienten ein Körperzugang gelegt, womit alle Risiken einer klinischen Infektion bestehen.

(2) Das Verfahren ist nur bei Patienten mit weitgehend intakten Arterien anwendbar.

KONTINUIERLICHER BLUTDRUCKMONITOR

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nichtinvasiven und kontinuierlichen Messung des arteriellen Blutdrucks. Es wird dem Patienten beispielsweise am Bauch ein Ultraschallsender aufgeklebt. Der Schallsender erzeugt im benachbarten Gewebe ein nahezu sphärisches Schallfeld. Bruchteile der Schalleistung werden in die Arterien eingekoppelt. In einem bestimmten Abstand, z. B. ca. 100mm vom Sender entfernt wird ein Ultraschallempfänger aufgeklebt, der die ankommende Schalleistung in ein elektrisches Signal umwandelt.

Der Schallsender koppelt die Schallwelle
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f(t) = ao-cos(ö)ot) (Gl. 1)

in den Körper ein. Die Schallwelle passiert das Gewebe zwischen Sender und Empfänger zum überwiegenden Teil durch das Muskel-, Fett- und Bindegewebe, wobei eine Phasenänderung zur eingekoppelten Welle entsteht. Ein kleinerer Teil der Schallwelle

passiert die Gefäße, sowohl Venen als auch Arterien, in denen durch das fließende Blut und den damit verbundenen Dopplereffekt eine Frequenzverschiebung &Agr;&ohgr; = &ogr;&khgr;> - &ohgr; &ogr; erfolgt:

öJd = &agr;>&ogr;| 1 &eegr;— 1 &ngr;= Fließgeschwindigkeit des Mediums, (Gl. 2)

V c/

c=Schallgeschwindigkeit im Medium.

Die Blutflußgeschwindigkeiten in den großen Arterien schwanken in ihrem Maximum zwischen 0,1m/s und 0,7m/s. Bei der angenommenen Schallgeschwindigkeit in Wasser ( bei 4°C) von 1490m/s ergibt sich in den großen Arterien:

&Dgr;&ohgr; = ufe-<Wo = O-»30s"¹, (Gl. 3)

während die Blutgeschwindigkeit in venösen Gefäßen ca. 0,1 m/s beträgt, vom arteriellen Druck abhängt und somit vernachlässigbar ist.

Am Ausgang des Schallempfängers ist also folgendes Signal meßbar:

F(t) = bo-cos(<yo-t + &phgr;) + bi-cos([oo + &Agr;&ohgr;]-t + &phgr;), (Gl. 4)

wobei bo»bi ist.

Gleichung 4 beschreibt eine Amplitudenmodulation mit einem unterdrückten Seitenband und sehr kleinem Modulationsgrad:

m=bi/bo<O,Ol. (Gl. 5)

Da die Information über die Blutflußgeschwindigkeit nicht in der Amplitude des Signals, sondern in der Frequenzverschiebung übermittelt wird, ist letztere Überlegung zum Modulationsgrad für die Dimensionierung der Verstärker nach der Demodulation wichtig.

Die Demodulation des Signals erfolgt durch multiplikative Mischung mit der Grundwelle:

Y = F(t) -COs(Oo · t) = — · cos(#>) + — · cos(2 · öJo · t + &phgr;) +—■ cos([2 · «Wo + &Dgr;&ohgr;] · t + &phgr;) +

ti &khgr;

c; · t + &phgr;)

(Gl. 6)

und nach dem passieren eines Bandpasses mit der unteren Grenzfrequenz 0,1 Hz und der oberen Grenzfrequenz 50 Hz verschwinden die ersten drei Glieder, nämlich die höherfrequenten Anteile und der Gleichstromanteil. Es verbleibt:

Y = - COs(AoJt + ^). (Gl. 7)

Empirisch wurde ermittelt, daß der hier als konstant angenommenen Phasenwinkel &phgr; für Bewegungsartefakte bei der Messung verantwortlich ist. Änderungen der Phasenlage können dadurch vermieden werden, daß Ultraschallsender und Empfänger mechanisch starr miteinander verbunden werden.

Nach der Demodulation und dem Bandpass wird ein Verstärker nachgeschaltet, der das Signal Y in den Spannungsbereich +/- 1,0V anhebt, so daß es mit einer Analog-Digital-Wandlerkarte (A/D-Karte) in den Rechner eingelesen werden kann. Da ein Herzzyklus ca. Is Periodendauer hat, kann man mit einer Abtastrate von 10 ms ein hinreichendes Abbild der Funktion Y. erreichen. Praktisch alle A/D-Karten gewährleisten diese Abtastraten bei einer Auflösung von 12 bit im Bereich +/-1V.

Da die so gemessenen Werte von &Dgr;&ohgr; ein Maß für die Blutflußgeschwindigkeit sind und so zunächst keine Aussage über die Druckverhältnisse enthalten, sind weiterführende Überlegungen notwendig, die die softwareseitige Weiterverarbeitung der Meßwerte betreffen.

Da die Blutflußgeschwindigkeit keine Konstante ist, sondern sich rythmisch im Herzzyklus ändert, kann die Dopplerfrequenzänderung (Gl. 2 und Gl. 3) wie folgt beschrieben werden:

&Dgr;&ohgr; = &ngr;(0·— (Gl. 8).

Aus Gl. 7 ergibt sich dann:

^_C0S([() t] _{+ <Z)}) (Gl. 9)

2 c

Als Maß für die Zeitfunktion der Blutströmungsgeschwindigkeit gild dann nach der Normierung der Meßwerte in den Bereich +/-1:

v<t).H5S9iO, (Gi. 10)

da die Konstanten in Gl. 9 bei der rechentechnischen Realisierung keine Rolle spielen und die Rechenzeit lediglich verlängert würde.

Ferner, gilt fur laminar strömende Flüssigkeiten durch eine starre Röhre die Bernoullische Gleichung:

= —;

Vq; &sfgr;.: Dichte, &lgr;:: Strömungswiders tan d, Ap: Druckdifferenz, &lgr;·&sfgr;·\

1: La nge~, d: Röhrendurchmesser

(CSLIl)

[HÜTTE, des Ingenieurs Taschenbuch, 27. Aufl., Verl. Wilhelm Ernst & Sohn, 1949] Übernehmen wir in Näherung die Prämissen der Gleichung 11, dann gild für den

Blutdruckverlauf nach der Zeit p(t) ~ &ngr; oder ein Maß für den Druck in dem Gefäß:

p(t)~VvÖ)· (Gl. 12)

Die Arterien sind bei einem Menschen keine starren Röhren sondern sehr elastische Gefäße. Zudem sind die Parameter der Gefäße (Durchmesser, Elastizität, Rauhigkeit, die die Laminarität der Strömung beeinflußt, u.s.w.) individuell großen Schwankungen unterworfen. Deswegen muß die Meßanordnung nach jeder Plazierung der Schalleinheit einmalig geeicht werden. Man ermittelt also mit einem herkömmlichen Blutdruckmesser systolischen und diastolischen Blutdruck. Als dritter Punkt steht der theoretische Nullpunkt &rgr; = 0 => &ngr; = 0 zur Verfugung. Durch diese drei Eichpunkte wird eine Ausgleichsparabel gelegt und zukünftige Messungen an dieser Parabel inter- bzw. extrapoliert (Fig. 1).

P = m-p²(t) + n-p(t) (Gl. 13)

Durch die konventionelle Blutdruckmessung werden die Werte für den systolischen ( ps*,) und den Diastolischen (&rgr;&kgr;.) Blutdruck ermittelt. Daraus ergeben sich die Parameter der quadratischen Gleichung:

ni₌ (Gl. 15).

&Rgr;»

Der Koeffizient des quadratischen Summanden ist ein Maß für die Elastizität des Gefäßes. Bei einer starren Röhre würde er sehr klein. Dahinter verbirgt sich die diagnostische Information über den Zustand des Gefaßsystems des Patienten.

Fig. 2. Zeigt einen Prinzipschaltplan des Gerätes und Fig. 3 die Schalleinheit.

Claims

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur nichtinvasiven und kontinuierlichen Messung des Blutdrucks, gekennzeichnet dadurch, daß in das Gewebe eine Schallwelle eingekoppelt wird, die Schallwelle zum Teil in den Gefäßen übertragen wird, dort durch den Dopplereffekt eine Frequenzverschiebung auftritt und von der Blutflußgeschwindigkeit auf den Blutdruck geschlossen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß Schallsender und Schallempfänger kombiniert an einer Stelle des Körpers oder an verschiedenen Stellen des Körpers befestigt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der arterielle Blutdruck gemessen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1. Und 2., dadurch gekennzeichnet, daß der venöse Blutdruck gemessen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1. Und 2., dadurch gekennzeichnet, daß ein Maß für die Elastizität der Gefäße ermittelt wird und damit eine Aussage zum Zustand des Gefaßsystems ermöglicht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1. Und 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung transportabel ist und mit dem zur Auswertung benutzten Rechner durch drahtlose oder drahtgebundene Signalübertragung verbunden ist oder den zur Auswertung benutzten Rechner selbst enthält.