DE102006026126A1

DE102006026126A1 - Verfahren und Multisensor zur nichtinvasiven Überwachung der fraktionellen Sauerstoffsättigung und Detektion pathologischer Veränderungen im Herzkreislaufsystem

Info

Publication number: DE102006026126A1
Application number: DE102006026126A
Authority: DE
Inventors: Omar Abdallah
Original assignee: Abdallah Omar Dr-Ing
Current assignee: Abdallah Omar Dr-Ing
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2006-06-03
Publication date: 2007-03-01

Abstract

Es ist bekannt, Herzkreislaufprobleme mit invasiven Methoden zu erkennen und darauf zu reagieren. Allerdings ist auf diese Weise ein Monitoring gefährdeter Patienten nicht möglich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Multisensor zu schaffen, mit dem ein Monitoring ermöglicht werden kann. DOLLAR A Dies gelingt dadurch, dass eine Messung mithilfe von Photoplethysmographie-Sensoren an mehreren Stellen des Patientenkörpers gleichzeitig durchgeführt wird. Mithilfe von deren optisch ermittelten Werten und weiteren Parametern, wie EKG und Temperaturwerten, ist eine zuverlässige Diagnose ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Multisensor zur nichtinvasiven Überwachung der fraktionellen Sauerstoffsättigung und Detektion pathologischer Veränderungen im Herzkreislaufsystem.

In den Industrieländern sind Erkrankungen des Herzkreislaufsystems mitunter die häufigste Todesursache. Ein Mangel an Sauerstoffversorgung kann unter anderem in Notfällen aufgrund verschiedener Ursachen schnell auftreten und bereits in kurzer Zeit den Tod unter anderem von Gehirnzellen verursachen. Daher ist die rasche Erkennung von Störungen in der Sauerstoffaufnahme und der Sauerstoffverteilung im Körper besonders in der Notfall- und Intensivmedizin von großer Bedeutung.

Eine allgemeine Verminderung der Hämoglobinkonzentration kann dabei zur Anämie führen. Allgemeine Müdigkeit, eingeschränkte körperliche Leistungsfähigkeit, Atemnot und Herzklopfen bei Belastung, Kopfschmerzen und Konzentrationsstörungen treten dabei als Symptome auf. Zur Diagnose einer Anämie kann die Hämoglobinkonzentration bis zum heutigen Tag nur invasiv gemessen werden, was mit einer hohen Belastung für die Patienten und das Personal verbunden ist. Zudem liegen Ergebnisse einer solchen Messung stets nur mit einer Zeitverzögerung vor, so dass ein kontinuierliches Monitoring bislang nicht möglich ist.

Durch kleine Störungen wie etwa der Erwärmung der verwendeten Lichtquellen und durch rechnerische Näherungen werden die Ergebnisse schnell unbrauchbar.

Zur Bestimmung des Blutsauerstoffs werden üblicherweise Pulsoximeter verwendet, mit denen auch ein Monitoring der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins möglich ist. Nach dem Lambert-Beer-Gesetz fällt das transmittierte Licht durch eine mit der Lichtintensität I₀ durchstrahlten Probe, exponentiell mit der Probedicke d und der Absorptivität der Probe μ_a, die sich aus der Konzentration der Probe c und ihrem Extinktionskoeffizient ε wie folgt ergibt: I = I0·10–ε·c·d

Mit dem Pulsoximeter wird die funktionelle Sauerstoffsättigung berechnet, d.h. nur die oxygenierten und reduzierten Hämoglobine werden berücksichtigt. Die fraktionelle Sauerstoffsättigung, welche das Verhältnis der Konzentration des oxygenierten Hämoglobins zu der Gesamtkonzentration aller Hämoglobinkomponenten, nämlich oxygeniertes Hämoglobin O₂Hb, reduziertes Hämoglobin Hb, Carboxyhämoglobin COHb und Methämoglobin Met-Hb, darstellt, kann mit dem Pulsoximeter nicht ermittelt werden. Das Carboxyhämoglobin, das durch Kohlenmonoxidvergiftung entsteht, oder Methämoglobin, das bei Einwirkung von Oxidationsmitteln auf Hämoglobin entsteht, werden nicht betrachtet. Diese beiden Hämoglobinformen sind jedoch nicht mehr zum Sauerstofftransport fähig und verfälschen somit den ermittelten Wert für die Sauerstoffsättigung. Das kann im Besonderen bei Carboxyhämoglobin schwerwiegende gesundheitliche Folgen haben.

Außer dem Pulsoximeter sind keine weiteren Geräte zur Überwachung der Sauerstoffsättigung bekannt. Bei den entwickelten Methoden zu den nichtinvasiven Messungen werden viele Vereinfachungen verwendet, um die Messungen für ein Monitoring einsetzbar zu machen. Dies bedeutet jedoch zugleich, dass ein einfacher Einsatz der detektierten Signale in den Berechnungen zu einem verfälschten Lösungsansatz führt. Der dabei verursachte Fehler lässt sich zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr beheben.

Da die Sauerstoffsättigung und die Hämoglobinkonzentration sowie andere Blutinhalte eine bedeutende Rolle spielen, sollen sie bei der Analyse von den anderen physikalischen Parametern wie beim Plethysmogramm und Herzratenvariabilität bei der Herzkreislaufdiagnose berücksichtigt werden. Bei den bisherigen Entwicklungen werden Messungen einer dieser Größen jeweils nur an einem bestimmten Ort durchgeführt. Die Abhängigkeit der Messungen von dem Ort und von den anderen Größen werden nicht berücksichtigt, was zu einer irrtümlichen Beurteilung der physiologischen Änderungen führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Detektion pathologischer Veränderungen im Herz-Kreislauf-System sowie von Durchblutungsstörungen zu schaffen, welches ein Monitoring des Patienten erlaubt und für diesen bei der Untersuchung möglichst wenig Unangenehm ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch den Multisensor gemäß dem nebengeordneten Anspruch 8. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Erfindungsgemäß wird ein Multisensor zur Detektion pathologischer Veränderungen im Herz-Kreislauf-System sowie von Durchblutungsstörungen eingesetzt, mithilfe dessen eine Mehrzahl von Photoplethysmogrammsignalen (PPG-Signalen) gleichzeitig erfassbar sind. Deren Auswertung erfolgt über eine mit den Sensoren signalverbundene Recheneinheit, welche die Signale der Sensoren in Diagnoseparameter umarbeitet, wie sie von Ärzten lesbar sind. Da die menschlichen physiologischen Parameter nicht voneinander unabhängig sind, ist es von großer Bedeutung, bei der Diagnose möglichst viele Parameter gleichzeitig zu messen, um eine effektive und genaue Diagnose zu gewährleisten. Um den Herz- und Blutgewebezustand zu untersuchen sind nicht nur Herzfrequenz, Sauerstoffsättigung oder EKG-Ableitungen von Bedeutung, sondern auch unter anderem die Messung des Blutdrucks, eine Bestimmung der Blutinhaltstoffe und die Funktion der Steuerung des Herz-Kreislauf-Systems über Sympathikus und Parasympathikus. Eine einfache, nichtinvasive Methode zur Messung dieser Nervenaktivitäten kann mit der Messung der Herzraten- und Blutdruckvariabilität erreicht werden, indem eine Diagnose mit sichtbarem bzw. nahinfrarotem Licht durchgeführt wird. Im Vordergrund dieser Messungen steht die Überwachung der fraktionellen Sauerstoffsättigung und der Hämoglobinkonzentrationen, sowie der Herzfrequenz, des Blutdrucks, der Temperatur und der Herzfrequenzvariabilität zur Detektion von Pathologien. Die Messungen sind aufgrund der optischen Sensoren nichtinvasiv und können für längere Zeit ohne Nebenwirkungen zur Überwachung eingesetzt werden.

Mit Vorteil ist eine Messung der genannten Körperparameter gleichzeitig an mehreren Körperstellen eines Patienten ermöglicht. Hierzu weist ein Multisensor eine Mehrzahl von Sensoren auf, so dass verschiedene Körperstellen gleichzeitig mit einem Körpersensor beaufschlagt werden können.

Flankierend wird zu der Erfassung von Messwerten, beispielsweise während des Patientenmonitorings, die Körpertemperatur des Patienten kontinuierlich erfasst und dem Multisensor als Parameter zugeführt, so dass auch diesbezüglich und hinsichtlich davon abhängiger Parameter eine ständige Überwachung stattfinden kann. Aus dem gleichen Grund wird mittels eines mechanischen Drucksensors oder auch über einen Photoplethysmographie-Sensor (PPG-Sensor) eine kontinuierliche Blutdruckmessung vorgenommen.

Um eine Überwachung auch visuell durchführen zu können ist es vorteilhaft, wenn die Messwerte nicht nur ermittelt, sondern auch weiterverarbeitet und/oder zur Inaugenscheinnahme ausgegeben werden. Gerade aufgrund teilweise längerer Zeitrahmen von Überwachungen empfiehlt sich ein Ausdruck der Messwerte, etwa in Form einer Kurve.

Mit besonderem Vorteil wird sowohl der Blutdruck als auch die Temperatur kontinuierlich ermittelt, so dass eine Bestimmung des Herzzeitvolumens über Temperatur- und Blutdruckvariabilität ermöglicht ist.

Ein wichtiger Faktor bei der Genauigkeit des Detektionsverfahrens ist das Signal-Rausch-Verhältnis. Besonders bei Minderperfusionen führt ein kleines Signal-Rausch-Verhältnis zu schlechten Ergebnissen oder es sind unter Umständen die Messungen auch gar nicht möglich. Es gibt jedoch viele Rauschquellen, die minimiert werden können. Bei sehr kleinen Perfusionen sind die Nutzsignale sehr schwach ausgeprägt. Da sie durch Wechselwirkung zwischen pulsierendem Blut und Licht entstehen, kann man die Perfusion beispielsweise durch Wärme vergrößern. Eine Reaktion hierauf kann jedoch zu langsam erfolgen. Eine Erhöhung der Anzahl der Photonen, die eine Wechselwirkung mit dem Gewebe haben können, kann zur Signalverbesserung jedoch ebenfalls beitragen.

Die PPG-Sensoren sind Transmissionssensoren, Reflexionssensoren oder Transflexionssensoren. Soweit es sich um Transmissionssensoren handelt, befindet sich die Lichtquelle des optischen Sensors auf einer Seite des zu prüfenden Gewebes und der Detektor auf der anderen Seite. Ein Reflexionssensor weist auf gleicher Seite Lichtquelle und Empfänger auf und ein Transflexionssensor ist beiderseits mit einem Empfänger ausgestattet. Je nachdem, welche Gewebeteile zu untersuchen sind, eignen sich unterschiedliche Sensoren besser oder schlechter dafür.

In vorteilhafter Ausgestaltung handelt es sich bei den verwendeten Lichtquellen um LEDs, die sich wegen ihrer großen Lichtleistung, ihrer geringen Leistungsaufnahme und ihrer geringen Baugröße besonders eignen. Zudem ist hier eine allenfalls sehr geringe Erwärmung festzustellen, was ansonsten eine Verfälschung der Messergebnisse bedeuten würde. Alternativ ist jedoch ein Einsatz auch von Laserdioden oder Lampen mit Filtern möglich.

Entsprechend werden auch mit Vorteil Photodioden als Empfänger eingesetzt, wobei auch hier Alternativen in Form von Phototransistoren oder CCD-Detektoren bereitstehen.

Durch ihre geringe Bauform fördern die genannten Bauteile auch die Möglichkeit, den Multisensor in besonders kleiner Bauform auszuführen, so dass der Sensor auch in Hohlorgane einführbar ist. Insbesondere eignet er sich hierdurch zum Einsatz am ungeborenen Kind und zur Überwachung von Mutter und Fötus während der Geburt.

Wird der Sensor auf den Messort am Körper des Patienten aufgebracht, so wird der zum Festhalten des Sensors verwendete Druck auf die Messstelle so groß eingestellt, dass keine relative Bewegung zwischen Sensor und Probe stattfindet, gleichzeitig aber so klein, dass die durch die Pulswelle verursachte Volumenänderung mit dem Sensor nicht verhindert werden darf.

Mit Vorteil ist der Multisensor auch mehrpatientenfähig, also in der Lage, mehr als einen Patienten gleichzeitig zu überwachen. Dazu sind dem Multisensor mehrere Sensorengruppen zugeordnet, wobei jede Gruppe einem Patienten angelegt wird und dieser so überwacht werden kann. Etwa beim Einsatz in Katastrophenfällen kann dies hilfreich sein, wenn nur in beschränktem Maße Material zur Verfügung steht.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die von dem Multisensor ermittelten Daten in einem Dateisystem bereitgestellt werden können. Hierzu ist eine Schnittstelle vorzusehen, über welche eine Einspeisung der Messwerte in ein Rechnersystem, etwa ein Klinik-Datensystem und dort vorzugsweise direkt in die betreffende elektronische Patientenkartei, einfügbar ist.

Mit besonderem Vorteil sind dem Multisensor weitere Sensoren zugeordnet, welche im Alltag von Kliniken und Arztpraxen regelmäßig eingesetzt werden, etwa Sensoren zur Ermittlung der venösen Sauerstoffsättigung, zur Erstellung von EKG oder EEG, ein Hautimpedanzsensor, Atemgassensoren, ein Sensor zur Erkennung von Kariesbildung und von anderen pathologischen Änderungen in der Zahnmedizin und/oder chemische Sensoren für Tränen-, Gas- und Schweißanalysen.

Insbesondere beim Einsatz mit mehreren Patienten, wodurch eine stärkere Belastung der Rechenkapazität der Recheneinheit erzeugt wird, kann es sinnvoll sein, wenn die Verarbeitung der Messdaten nicht unbedingt online erfolgen muss, sondern auch zu einem späteren Zeitpunkt offline erfolgen kann.

Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Messaufbau, bei welchem ein Patient an einen Multisensor angeschlossen ist,
2a ein als Reflexionssensor aufgebauter PPG-Sensor mit zentraler Photodiode,
2b ein als Reflexionssensor aufgebauter PPG-Sensor mit zentraler Leuchtdiode und
3 ein Ablaufdiagramm einer Messung mit einem Multisensor.
1 zeigt einen Messaufbau mit einem Patienten 2, welcher an einen Multisensor 1 angeschlossen ist. Der Multisensor findet seinen Einsatz unter anderem in der Notfall- und Intensivmedizin, im Operationssaal, bei Patientenverlegungen, bei (Früh-) Geburten, beim Fötalmonitoring während Schwangerschaft und Geburt, im Homecare-Bereich und in der Schlafmedizin. Das Gerät kann zudem in Arztpraxen, Krankenhäusern, bei der Schlafmedizin, im Sport, im Homecare-Bereich, bei Schlafapnoe und zur Biofeedbackmessung eingesetzt werden.
Vorliegend ist der Patient 2 über drei PPG-Sensoren 3, 4, 5 mit dem Multisensor verbunden. Der Blutdruck wird mithilfe mehrerer PPG-Sensoren erfasst und aufgezeichnet. Gleichzeitig werden weitere Parameter, wie etwa das EKG, die Temperatur oder insbesondere die Sauerstoffsättigung und die Hämoglobinkonzentration im Blut des Patienten 2 ermittelt und in von einem Arzt lesbare Diagnosewerte umgearbeitet.
In Krankenhäusern kann auch ein Gerät für die Überwachung von mehreren Patienten gleichzeitig eingesetzt werden.
Dabei werden mit einem Modus die Ergebnisse von der Sauerstoffsättigung, Herzrate und PPG-Signale dargestellt. Es besteht auch die Möglichkeit, weitere Parameter zu messen, etwa Konzentrationen der berechneten Hämoglobinkomponenten (HbO2, RHb, COHb, Met-Hb, Sulf-Hb) und die gesamte Hämoglobinkonzentration sowie die Sauerstoffsättigung anzuzeigen.
Neben den genannten Funktionen kann der Multisensor zusätzlich auch Sensoren zur Ermittlung der venösen Sauerstoffsättigung, zur Erstellung von EKG oder EEG, ein Hautimpedanzsensor, Atemgassensoren, ein Sensor zur Erkennung von Kariesbildung und von anderen pathologischen Änderungen in der Zahnmedizin und/oder chemische Sensoren für Tränen-, Gas- und Schweißanalysen aufweisen, so dass eine umfassende Diagnose des Patienten ermöglicht ist.
In 2 sind zwei Varianten eines PPG-Sensors 6 dargestellt, in welchem eine zentrale Photodiode 8 von verteilten Leuchtdioden 7 umgeben ist (bzw. umgekehrt). Bei diesem Sensor 6 handelt es sich um einen optischen Reflexionssensor, welcher den zu untersuchenden Hautabschnitt mit Licht bestrahlt. Von der Haut reflektiertes Licht wird von der Photodiode 8 detektiert und das entsprechende Signal ausgewertet. Der Sensor 6 ist planar aufgebaut, so dass ein flächiges Auflegen auf die Haut des Patienten 2 ermöglicht ist.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Messung mit dem oben beschriebenen Multisensor 1. Nach dem Start 9 der Messung erfolgt ein gleichzeitiges Auslesen der verschiedenen Sensoren, nämlich ein Auslesen eines Fingersensors 10, eines Universalsensors 11, eines Reflexionssensors 12 und eines EKG 13. Weitere Sensoren können dem Multisensor 1 ebenfalls zugeordnet werden. Die eingelesenen Signale werden in einem Signalverarbeitungsschritt 14 zusammengetragen und ausgewertet. Nachfolgend vergleicht der Multisensor 1 im Schritt 15 unter Berücksichtigung sämtlicher Messwerte die ermittelten Ergebnisse mit dem Multisensor 1 zur Verfügung gestellten Erfahrungswerten und leitet daraus Hinweise und Empfehlungen ab, die dem diagnostizierenden Arzt diagnoseunterstützend zur Verfügung gestellt werden. Dazu erfolgt im letzten Schritt 16 eine Ausgabe der genannten Hinweise und Empfehlungen, und wenn gewünscht auch der Messwerte, auf einem Display oder einem Drucker. Die Auswertung kann alternativ zur einmaligen Ausführung auch zur dauerhaften Überwachung eingesetzt werden, wobei in diesem Fall eine kontinuierliche Abfrage der Sensorik erfolgt.

1: Multisensor
2: Patient
3: Fingersensor
4: Blutdrucksensor
5: Universalsensor
6: Plethysmographie-Sensor
7: Leuchtdiode
8: Photodiode
9: Start
10: Auslesen des Fingersensors
11: Auslesen des Universalsensors
12: Auslesen des Reflexionssensors
13: Auslesen des EKG
19: Signalverarbeitung
15: Ableitung von Hinweisen und Empfehlungen
16: Ausgabe auf einem Display oder Drucker

Claims

Verfahren zur nichtinvasiven Überwachung der fraktionellen Sauerstoffsättigung und Detektion pathologischer Veränderungen im Herzkreislaufsystem durch eine gleichzeitige Erfassung verschiedener optischer Photoplethysmogrammsignale (PPG-Signale) mithilfe von Photoplethysmographie-Sensoren (PPG-Sensoren) (6), wobei eine Auswertung der PPG-Signale durch eine mit den PPG-Sensoren (6) signalverbundene Recheneinheit erfolgt und mithilfe der Recheneinheit aus den PPG-Signalen für einen Arzt interpretierbare Diagnoseparameter abgeleitet werden.
Verfahren gemäß Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung gleichzeitig an mehreren Körperteilen eines Patienten (2) vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleichzeitige Erfassung mehrerer Parameter mithilfe der PPG-Sensoren (6) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Temperaturmessung vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Blutdruckmessung mithilfe des PPG-Sensors vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Parameter, etwa auf einem Drucker und/oder Oszilloskopschirm kontinuierlich ausgegeben werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Herzzeitvolumen dadurch bestimmt wird, dass aus dem kontinuierlich erfassten Blutdrucksignal die Blutdruckvariabilität ermittelt wird, während die Temperaturvariabilität aus ebenfalls kontinuierlich erfassten Temperaturwerten ermittelt wird.
Multisensor zur nichtinvasiven Überwachung der fraktionellen Sauerstoffsättigung und Detektion pathologischer Veränderungen im Herzkreislaufsystem durch eine gleichzeitige Erfassung verschiedener optischer Photoplethysmogrammsignale (PPG-Signale) mithilfe von Photoplethysmographie-Sensoren (PPG-Sensoren) (6), zur Auswertung der PPG-Signale mit einer Recheneinheit signalverbunden ist und mithilfe der Recheneinheit aus den PPG-Signalen für einen Arzt interpretierbare Diagnoseparameter ableitbar ist.
Multisensor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die PPG-Sensoren (6) Transmissions-, Reflektions- und/oder Transflektionssensoren sind.
Multisensor gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass den PPG-Sensoren (6) als Lichtquellen LEDs (7), LDs oder eine Lampe mit optischen Filtern zur Selektion bestimmter Wellenlängen zugeordnet sind.
Multisensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass den PPG-Sensoren (6) als Detektoren Photodioden (8), Phototransistoren, CCD-Detektoren zugeordnet sind.
Multisensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für den Multisensor (1) eine kleine Bauform, vorzugsweise in Form einer Sonde, gewählt ist.
Multisensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressdruck des PPG-Sensors (6) auf den Messort selbsttätig dynamisch so einstellbar ist, dass er kleiner als der diastolische Blutdruck des Patienten ist, aber so groß, dass eine Bewegung auf dem Messort verhindert ist.
Multisensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus den vorhandenen Sensoren mehrere Sensorgruppen derart gebildet sind, dass jeweils eine Sensorgruppe für jeweils einen Patienten (2) einsetzbar ist.
Multisensor gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelte Daten über eine Datenschnittstelle der Recheneinheit in ein Datensystem einlesbar sind.
Multisensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Multisensor weitere zusätzliche Sensoren, etwa zur Ermittlung der venösen Sauerstoffsättigung, zur Erstellung von EKG oder EEG, ein Hautimpedanzsensor, Atemgassensoren, ein Sensor zur Erkennung von Kariesbildung und von anderen pathologischen Änderungen in der Zahnmedizin und/oder chemische Sensoren für Tränen-, Gas- und Schweißanalysen, zugeordnet sind.
Multisensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Sensordaten durch die Recheneinheit Online oder Offline durchführbar ist.