DE4226973A1 - Meßverfahren zur kalibrierten Blutvolumenbestimmung in menschlichen Extremitäten - Google Patents

Description

Tendentiell lassen sich Blutvolumenverschiebungen in menschlichen Extremitäten, verursacht durch aktive Bewegung, den Lagewechsel oder die arterielle Blutdruckpulsation, seit vielen Jahren mit photoplethysmographischen Verfahren durch Messung der Änderung der Lichtreflexion oder der Lichttransmission (im weiteren kurz PPG-Signal) im Gewebe nachweisen.

Dabei wird bei allen bekannten photoplethysmographischen Meßein­ richtungen das PPG-Signal entweder in nicht vergleichbaren Ein­ heiten (z. B. Skalenteilen oder Volt nach der lehre von DE 31 00 610) oder bezogen auf einen Startwert in Prozent der optischen Reflexions- oder Transmissionsänderungen (DE 36 09 075, P 42 12 498) angegeben.

Da jedoch der Zusammenhang zwischen dem Blutvolumen im Gewebe und dem PPG-Signal nicht linear ist und zusätzlich von Mensch zu Mensch bzw. auch von Hautgebiet zu Hautgebiet variieren kann, bedarf es eines speziellen Kalibrierverfahrens, um photoplethys­ mographisch die Blutvolumenänderungen bestimmen zu können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiter­ bildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 Zusammenhang zwischen der Reflexionsänderung der Haut und der Blutvolumenänderung (optische Hautübertragungsfunkti­ on) für drei verschiedene Hauttypen.

Fig. 2 Das Prinzip des erfindungsgemäßen 2-Punkt-Kalibrierverfah­ rens, dargestellt für drei verschiedene Hautübertragungs­ funktionen.

Fig. 3 Ein Ausführungsbeispiel der Meßanordnung bei der Durchfüh­ rung der Kalibrierung.

Fig. 4 Die Auswirkung der Kalibrierung; dargestellt am Beispiel des Muskelpumpen-Tests für die Venendiagnostik.

Fig. 5 Die Auswirkung der Kalibrierung, dargestellt am Beispiel der Umrechnung des Reflexionspulses in einen Blutvolumen­ puls im Rahmen der arteriellen Gefäßdiagnostik.

Die Fig. 1 zeigt typische optische Übertragungsfunktionen für drei verschiedene Hauttypen. Der Zusammenhang zwischen der Haut­ reflexion (oder Hauttransmission) und dem Blutvolumen in der Haut ist nichtlinear. Es lädt sich nachweisen, daß die Übertragungs­ funktionen zwar stets den gleichen charakteristischen Verlauf haben (etwa eine Wurzelfunktion), jedoch einen unterschiedlichen Startwert und unterschiedliche Steilheit besitzen. Dies führt zwangsläufig dazu, daß die gleiche Blutvolumenänderung ΔV in den drei unterschiedlichen Hautgebieten als drei unter­ schiedliche Reflexionssignal-Änderungen ΔR1, ΔR2 und ΔR3 regi­ striert wird. Dieses Problem aller Photoplethysmographen nach dem Stande der Technik wird - wie in Fig. 2 anschaulich dargestellt - erfindungsgemäß wie folgt gelöst.

Nach der Befestigung des photoplethysmographischen Sensors wird zunächst der erste, für alle möglichen Hautübertragungsfunktionen gemeinsame Kalibrierpunkt (A), z. B. nach der lehre von DE 36 09 075, eingestellt. Hiermit wird das Startblutvolumen zu 1 bzw. 100 Blutvolumenprozent gesetzt. Auch das PPG-Signal wird in diesen Ruhezustand zu 1 bzw. 0 PPG-Prozent gesetzt. Nun erfolgt die Bestimmung des zweiten Kalibrierpunktes. Dabei wird der PPG- Sensor so stark auf die Haut gepreßt, bis eine maximale Reflexi­ onszunahme bei Blutvolumen 0 im Meßgebiet unter dem Sensor er­ zielt ist. Man erkennt aus Fig. 2, daß bei diesem Preßtest für verschiedene Hautübertragungsfunktionen (F1), (F2) und (F3) verschiedene Kalibrierpunkte (B), (C), oder (D) ermittelt werden. Für jede Hautübertragungsfunktion, die z. B. von der individuel­ len Gefäßdichte abhängig ist, werden somit 2 charakteristische Kalibrierpunkte ermittelt. Damit läßt sich die Steilheit der Funktion im Start-Arbeitspunkt (A) errechnen. Dies ist wiederum die Voraussetzung für die angestrebte Umrechnung des PPG-Signals in das Blutvolumensignal.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Meßanordnung bei der Durchführung der Kalibrierung. Der PPG-Sensor (S) ist in diesem Fall an der Spitze des Fingers (FI) befestigt und über eine Leitung (L1) an den Blutvolumenmonitor (M) angeschlossen. Die vorzugsweise mikropro­ zessorgesteuerte Elektronik des Monitors (M) sorgt nun im ersten Kalibrierschritt für die Einstellung des Arbeitspunktes (A). Wird nun das Ruheblutvolumen identifiziert (und vorzugsweise zu 100% gesetzt), erfolgt automatisch (z. B. mit einer über den Sensor gelegten und über Leitung (L2) gesteuerten Luftmanschette) oder manuell das Anpressen des Sensors an die Haut mit einer steigen­ den Kraft (K) so lange, bis das PPG-Signal einen maximal mögli­ chen, konstanten Wert erreicht. Dieser Wert entspricht der maxi­ mal möglichen Blutvolumenreduktion auf 0% und wird im Monitor (M) elektronisch gespeichert und zur weiteren Verarbeitung des PPG-Signals während der nun nachfolgenden eigentlichen Messung herangezogen. Es ist naheliegend, daß

• - nach jedem Meßortwechsel eine erneute Kalibrierung vorgenommen werden muß und
• - die beschriebene Kalibrierung nur an der Stelle des menschli­ chen Körpers möglich ist, wo sich das Blut vollständig aus dem Meßareal unter dem PPG-Sensor anpressen läßt, also vorzugsweise an dem über dem Knochen liegenden Hautbezirk (Finger, Zehen, Fersengegend u. a.).

Fig. 4 zeigt nun, welche Bedeutung die Erfindung in der Venen­ diagnostik z. B. bei der Quantifizierung des PPG-Signals während eines Muskelpumpen-Tests hat. Im Rahmen dieses Tests führt der Patient 8 Beinübungen in 16 Sekunden durch. Durch die sog. Mus­ kelpumpe wird dabei das venöse Blut herzwärts abgepumpt, die Haut wird heller, daß PPG-Signal steigt um 6%. In der nun folgenden Ruhephase füllt sich das Bein in To = 30 Sekunden (die venöse Auffüllzeit) wieder mit Blut auf. Auf Grund der vorher durchge­ führten Kalibrierung wird für diesen Hautbezirk die maximale Reflexion von 24% (als zweiter Kalibrierpunkt) ermittelt und somit auch die Tangente (T) der Hautübertragungsfunktion (F). Daraus läßt sich schließlich die Blutvolumenkinetik während des Muskelpumpen-Tests ermitteln. Bei dieser Übung sank das Blutvolu­ men um 41%. Zum ersten Mal steht somit für die Venendiagnostik ein Bewertungsparameter der Muskelpumpen-Leistung zur Verfügung, der von Mensch zu Mensch und von Hautareal zu Hautareal ver­ gleichbar ist.

Fig. 5 zeigt die Quantifizierung der Blutvolumenpulsation im Rahmen der arteriellen Diagnostik. Gemessen wird hier in einem anderen Hautbezirk an der großen Zehe, Rmax betrug unter dem Preßmanöver 17%.
Aus der nach dem Stand der Technik lediglich möglichen Reflexi­ onsänderung ΔR = 2% lädt sich die Blutvolumenpulsamplitude von 23% ermitteln. Außerdem läßt sich zum ersten Mal auch die Form des Blutvolumenpulses durch computerunterstützte Entzerrung dar­ stellen.

Damit schafft die Erfindung ein nichtinvasives, zeit- und kosten­ sparendes Screening-Meßverfahren, das sowohl physiologische als auch pathophysiologische Blutvolumenverschiebungen in den Extre­ mitäten erstmals exakt erfassen und belegen kann und aufwendige und risikoreiche Invasiv-Meßmethoden einsparen hilft.

Claims (6)

1. Meßverfahren zur kalibrierten Blutvolumenbestimmung in mensch­ lichen Extremitäten mit einem photoplethysmographischen Sensor (S) und einem Blutvolumenmonitor (M), der insbesondere aus einer Steuer- und Auswerteelektronik mit analogen und digitalen Schnittstellen, einem Rechner und einem Datenspeicher besteht, dadurch gekennzeichnet, daß vor jeder photoplethysmographischen Registrierung eine Si­ gnalkalibrierung derart vorgenommen wird, daß das Sensorsignal unter Ruhebedingungen (keine Blutverdrängung durch Sensorgehäuse aus dem Meßgebiet) und das Sensorsignal der blutleeren Haut (maximal mögliche Blutverdrängung aus dem Meßgebiet durch Anpres­ sen des Sensors) ermittelt und zur weiteren Signalkorrektur als zwei Kalibrierpunkte herangezogen werden.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal durch die Erfassung der Hautreflexion oder der Hauttransmission gewonnen wird.

3. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der beiden Kalibrierpunkte die hautspezifische Übertragungsfunktion errechnet werden kann.

4. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit der hautspezifischen Übertragungsfunktion im Kalibrierpunkt unter Ruhebedingungen errechnet und zur Berech­ nung der Blutvolumenkinetik aus dem PPG-Signal herangezogen wird.

5. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpressen des Sensors zur Ermittlung der maximalen Blut­ entleerung durch eine vom Blutvolumenmonitor gesteuerte Luftman­ schette vorgenommen wird.

6. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Blutentleerung statt des Anpressens näherungs­ weise durch Hochlagerung der Extremität erreicht wird.