DE19703220A1 - Sensor für Pulsoximetrie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor für Pulsoximetrie gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei kritischen Gesundheitszuständen ist es wichtig, für eine kontinuierliche Überwachung der Sauerstoffsättigung des ar­ tiellen Blutes zu sorgen. Diese variable Größe ist meßbar durch ein nichtinvasives Meßverfahren, welches allgemein als Pulsoximetrie bekannt ist und 1974 von dem Japaner T. Aoyagi erfunden wurde.

In ihrer Standardausführung wird die Pulsoximetrie in fol­ gender Weise angewendet: Von zwei Leuchtdioden (LEDen), die auf einer Seite einer Fingerklemme angebracht sind, wird Licht in zwei Wellenlängenbereichen ausgestrahlt, das eine im roten Bereich bei etwa 660 nm und das andere im nahen In­ frarotbereich bei etwa 940 nm. Die Signale aus den beiden Wellenlängenbereichen werden von einer Fotodiode auf der ge­ genüberliegenden Seite der Fingerklemme, nach Durchdringung des Fingers, eines Ohres oder eines anderen Körperteils er­ faßt. Die Trennung der Signale der beiden Wellenlängenbe­ reiche erfolgt durch Änderung der Stromzufuhr zu der betref­ fenden Leuchtdiode und durch Verwendung von Zeitfenstern in der Detektorschaltung. Es wird sowohl das statische Signal überwacht, welches die Stärke des durch den Finger übertra­ genen Lichtes representiert, als auch das (überlagerte) Si­ gnal, welches sich synchron mit dem Herzschlag ändert, das heißt, die Signalkomponente, die durch den arteriellen Blut­ fluß verursacht wird. Somit erhält man vier Meßwerte, zwei von jedem Wellenlängenbereich. Durch doppelte Quotientenbil­ dung dieser vier Werte erhält man einen numerischen Wert, der, zumindest annähernd, in einer unzweideutigen Beziehung zur Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes steht.

Pulsoximetrie wird auf der ganzen Welt allgemein bei Anäs­ thesie und auf Intensivstationen zur Überwachung von Patien­ ten angewendet. Es wurden auch Versuche unternommen, das Verfahren bei anderen bestimmten Gelegenheiten zu verwenden, zum Beispiel bei Untersuchungen, die magnetische Resonanzab­ bildung (MRI) verwenden. Es herrschen dann besondere Anfor­ derungen an die Patientenüberwachung, da es manchmal notwen­ dig ist, den Patienten in Schlaf zu versenken, und eine di­ rekte Beobachtung ist wegen des Aufbaus und der Größe des MRI-Gerätes nicht möglich. Frühere Versuche, Pulsoximeter in dieser Umgebung zu verwenden, haben ergeben, daß sie aus folgenden Gründen ungeeignet sind: Einerseits kann das MRI- Gerät Ströme in die Meßkabel induzieren, die in schlimmsten Fällen zu Verbrennungen im dem Körperteil führen können, an welchem der Sensor angeschlossen ist. Andererseits kann die Stromspeisung der Leuchtdioden die Bilderzeugung des MRI-Ge­ räts stören.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für Pulsoximetrie zu entwickeln, durch den die vorgenannten Schwierigkeiten überwunden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Sensor für Pulsoximetrie vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnen­ den Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen genannt.

Die oben genannten Schwierigkeiten werden durch die Erfin­ dung dadurch gelöst, daß die Signalübertragung zwischen Pa­ tient und Pulsoximetriegerät auf optischem Wege durch opti­ sche Fasertechnik erfolgt. Der faseroptische Sensor gemäß der Erfindung ist ferner so beschaffen, daß Pulso­ ximetriegeräte üblicher Art und üblichen Aufbaus verwendet werden können. Der faseroptische Sensor kann in gleicher Weise an ein Pulsoximetriegerät angeschlossen werden wie ein herkömmlicher Sensor, d. h. ohne vorherige Anpassung oder Ei­ chung. Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung, da Meß­ fehler, die durch Fehler bei der Einstellung oder Eichung verursacht werden, im schlimmsten Falle zu einer falschen Behandlung des Patienten führen können.

Das Erreichen der Auswechselbarkeit ohne die Notwendigkeit von Justierungen oder Eichungen ist zum Teil eine Frage des grundsätzlichen Aufbaus und zum Teil eine Frage der sorgfäl­ tigen Auswahl der Materialien und Bausteine, die bestimmten Leistungsanforderungen genügen müssen.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Sen­ sors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 detailliertere Ausführungsbeispiele eines zentralen Funktionselementes des Sensors.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht der Sensor gemäß der Erfindung aus zwei Hauptteilen, von denen der eine der lichtemittie­ rende und lichtempfangende Teil 1a, 1b ist, der in einem Ge­ häuse 15 untergebracht ist. Die Teile 1a und 1b sind einer­ seits an den zweiten Hauptteil des Sensors, namlich das fa­ seroptische Kabel 7, angeschlossen und andererseits über ein elektrisches Kabel 2 und einen Stecker 3 an ein Pulsoxime­ triegerät 4.

Das faseroptische Kabel 7 ist aus einer Vielzahl paralleler optischer Fasern aufgebaut. Diese sind in der Weise unter­ teilt, daß ein Bündel 7a den lichtaussendenden Teil 1a mit der einen Seite einer aus zwei Hälften bestehenden Finger­ klemme 8 verbindet, während die andere Seite 9 über ein Bün­ del 7b mit dem lichterfassenden Teil 1b verbunden ist. Vor­ zugsweise haben die Bündel 7a, 7b getrennte Mäntel aus einem nichttransparenten Material, um die optische Isolierung zwi­ schen den beiden Seiten sicherzustellen.

Die Verbindung des faseroptischen Kabels mit dem lichtaus­ sendenden Teil 1a und dem lichterfassenden Teil 1b erfolgt über Öffnungen 21, 22 in der Wand des Gehäuses 15. Vorzugs­ weise sind diese Öffnungen mit Identifizierungsvermerken versehen, zum Beispiel einer numerischen oder farblichen Co­ dierung, und mit Verriegelungsmechanismen, zum Beispiel Schnappverbindern, so daß die Verbindung und Trennung ohne Verwendung von Werkzeug und ohne die Gefahr von Verwechslun­ gen durchgeführt werden kann. Es kann so das faseroptische Kabel 7 einschließlich der Klemme 8, 9 ausgetauscht werden und durch ein entsprechendes Teil anderer Größe in Abhängig­ keit von der Größe des Patienten, spezieller Anforderungen oder dergleichen ersetzt werden.

Die Enden der optischen Fasern an der Klemme 8, 9 sind gebo­ gen und in speziell geformten Teilen 17, 18 untergebracht.

Diese sind so ausgebildet, daß sie auf einen Finger 10, ein Ohr oder ein anderes Körperteil passen, der/das in die Klemme 8, 9 eingeführt werden soll und durch die Faserenden, die direkt an der Oberfläche der Haut anliegen, durchleuch­ tet werden soll. Das durch den Finger 10 transmittierte Licht wird von dem empfangenen Faserbündel 7b in dem geform­ ten Teil 18a auf der Unterseite 9 der Klemme erfaßt und über das faseroptische Kabel 7 zu dem lichterfassenden Teil 1b zurückgeleitet. Normalerweise enthält das Kabel 7 200 bis 400 Fasern mit äußeren Durchmessern von 50 bis 100 µm und ist mit einem gemeinsamen Mantel 14 zum Schutz gegen mecha­ nische Beanspruchungen umgeben. Die beiden Seiten der Klemme sind längs einer Achse durch den Drehzapfen 19 gegeneinander beweglich. Die feste Anlage der geformten Teile 17, 18 gegen den Finger wird von einer Feder 20, zum Beispiel ein elasti­ scher Ring, bewirkt.

Der lichtaussendende Teil 1a enthält eine Leuchtdiode 11, die rotes Licht im Wellenlängenbereich von 650 bis 670 nm aus­ sendet, und eine Leuchtdiode 12, die infrarotes Licht im Wellenlängenbereich von 920 bis 960 nm aussendet. Durch Schleifen und Polieren der Kapsel der Leuchtdioden und der Enden 5 der optischen Fasern sowie durch dichte Anlage zwi­ schen diesen Oberflächen findet eine effektive Übertragung von Licht in das faseroptische Kabel 7 statt, während gleichzeitig die Streuung von Licht in die Umgebung mini­ miert wird. Die Leuchtdioden werden mit Stromimpulsen ge­ speist, die nach bekannten und standardisierten Mustern von dem Pulsoximetriegerät 4 erzeugt werden und über elektrische Leiter in dem verbindenden Kabel 2 der betreffenden Leucht­ diode 11, 12 zugeführt werden. Die Stromimpulse passieren auch einen passiven Leistungsverteiler 23, der in nichtgal­ vanischer Weise einen gewissen Teil der Impulsleistung an einen Leistungsempfänger 24 überträgt, während der größte Teil der Impulsleistung an die Leuchtdioden 11, 12 weiterge­ leitet wird.

Der lichterfassenden Teil 1b enthält einen Fotodetektor 13, zum Beispiel eine Fotodiode oder einen Fototransistor, der wie die Leuchtdioden 11, 12 in dichtem körperlichen Kontakt mit den Faserenden 6 des Teils 7b des faseroptischen Kabels 7 steht, welches das vom Finger 10 zurückkommende Signal überträgt. Im Fotodetektor 13 werden schwache Stromimpulse erzeugt, synchron mit den von den Leuchtdioden 11, 12 über­ tragenen Lichtimpulsen. Bei der faseroptischen Übertragung tritt im Vergleich mit einem herkömmlichen Pulsoximetriesen­ sor, bei dem die Fotodiode direkt an der Haut anliegt, ein erheblicher Leistungsverlust ein. Damit das gewöhnliche Pul­ soximetriegerät in der Lage ist, diese schwachen Signale zu erkennen, ist deren Verstärkung in dem Signalverstärker 25 erforderlich, der von dem Leistungsempfänger 24 mit Energie versorgt wird. Der Ausgang des Signalverstärkers 25 ist über das Kabel 2 und den Stecker 3 mit dem Pulsoximetriegerät 4 verbunden, wo eine weitere Verstärkung sowie eine Filterung, Signalverarbeitung und Darstellung des Meßergebnisses erfol­ gen.

Der lichtaussendende Teil 1a und der lichterfassende Teil 1b sind durch einen Schirm 16 sowohl optisch als auch elektro­ magnetisch gegeneinander abgeschirmt. Die optische Abschir­ mung zwischen den beiden Teilen sollte mindestens 60 dB be­ tragen. Die elektromagnetische Abschirmung erstreckt sich weiter über das Kabel 2 mittels getrennter Abschirmmäntel um die Detektorleiter und die stromführenden Leiter zu den Leuchtdioden 11, 12. Dies ist in Fig. 1 nicht dargestellt; jedoch sind Funktion und Aufbau offensichtlich.

Die Leistungsverteilung über den Leistungsverteiler 23 kann auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden. Zwei ge­ eignete Ausführungen sind in den Fig. 2a und 2b darge­ stellt. Fig. 2a zeigt eine Lösung mit einem Impulstransfor­ mator 101, dessen Primärwicklung 102 mit dem Stromversor­ gungsleiter zwischen dem Pulsoximetriegerät 4 und den Leuchtdioden 11 und 12 in Reihe geschaltet ist. Die Sekun­ därwicklung 103 des Impulstransformators ist an eine Dioden­ brücke 105 angeschlossen, welche die in die Sekundärwicklung 103 des Impulstransformators induzierte Spannung gleichrich­ tet. Die Primärwicklung 102 entspricht daher dem Leistungs­ verteiler 23 in Fig. 1, und die Sekundärwicklung 103 ent­ spricht dem Leistungsempfänger 24 in Fig. 1. Ferner ist ein Spannungsregler 106 vorhanden, der mit dem Ausgang der Di­ odenbrücke verbunden ist. Die Ausgangsspannung des Span­ nungsreglers ist eine stabile Gleichspannung mit unbedeuten­ der Fluktuation. Diese Spannung versorgt den Signalverstär­ ker 25 mit Energie, der die vom Fototektor 6 erzeugten schwachen Stromimpulse verstärkt und das verstärkte Signal an das Pulsoximetriegerät 4 weitergibt. Der Impulstransfor­ mator 101 überträgt somit Leistung (Energie) von dem licht­ aussendend Teil des Sensors zu seinem lichterfassenden Teil ohne galvanische Verbindung. Der Wirkungsgrad dieser Über­ tragung ist hoch, insbesondere, wenn der Transformator mit einem Ferritkern 104, beispielsweise in Toroidform, zwischen der Primär- und Sekundärwicklung 102, 103 versehen ist.

Fig. 2b zeigt eine Lösung mit einem Optokuppler 110, der eine Leuchtdiode 111 enthält, die in Reihe mit dem Strom­ speiseleiter zwischen dem Pulsoximetriegerät 4 und den Leuchtdioden 11, 12 geschaltet ist. Die Empfängerseite des Optokupplers 110 besteht aus einer oder mehreren Fotodioden oder Solarzellen 112, die bei Bestrahlung eine Spannung er­ zeugen. In diesem Falle ist die Leuchtdiode 111 der Lei­ stungsverteiler 23 gemäß Fig. 1, und die Fotodioden oder Solarzellen 112 stellen den Leistungsempfänger 24 dar. An den Ausgang dieses Leistungsempfängers ist ein Spannungsreg­ ler 113 angeschlossen, der eine stabile Gleichspannung mit unbedeutender Fluktuation liefert. Diese Spannung speist den Signalverstärker 25, der die schwachen Stromimpulse ver­ stärkt und an das Pulsoximetriegerät 4 weitergibt. Der Opto­ kuppler 110 überträgt so elektrische Leistung von dem licht­ aussendenden Teil des Sensors zu dem lichterfassenden Teil ohne galvanische Verbindung.

Übliche Werte der über das Kabel 4 vom Pulsoximetriegerät verfügbaren Leistung betragen 100 bis 500 mW. Zum Betrieb des Signalverstärkers 25 sind maximal 10 mW erforderlich. Neben den beschriebenen Übertragungsprinzipien gemäß den Fig. 2a und 2b ist es auch möglich, thermische, mechani­ sche, pneumatische, hydraulische oder akustische Prinzipien im Rahmen der Erfindung zu verwenden.

Das in der Einleitung genannte Erfordernis, wonach der Sen­ sor gemäß der Erfindung in Bezug auf die Pulsoximetriegeräte austauschbar sein soll, unabhängig von deren Seriennummern, Typennummern, Modellen, Herstellern usw., führt zu Schwie­ rigkeiten sowohl hinsichtlich des oben beschriebenen Aufbaus als auch hinsichtlich des Leistungsvermögens der verwendeten Elemente. Beispielsweise sollten die Wellenlängenbereiche der Leuchtdioden 11, 12 genau angegeben werden. Ihre Ab­ strahlung sollte optimiert sein. Für die rote Leuchtdiode gilt ein unterer Grenzwert von 3 Candela bei maximal zuläs­ sigem Strom; für die infrarote Diode gilt eine untere Grenze von 20 mW pro Steradiant. Ferner sollte die spektrale Emp­ findlichkeit der Fotodiode um nicht mehr als den Faktor 2 über das Wellenlängenintervall von 650 bis 960 nm variieren, und der Störpegel sollte nicht 2 fW/(Hz)1/2 überschreiten (der Störpegel wird in äquivalenter optischer Leistung ange­ geben, dividiert durch die Quadratwurzel der Bandbreite, ge­ rechnet in Perioden pro Sekunde, Hz). Die Dämpfung des opti­ schen Kabels sollte nicht mehrmals 0,3 dB in diesem Wellen­ längenbereich betragen, da die Übertragungslänge oft 10 m übersteigt. Dies bedeutet, daß nur inorganische Materialien, wie zum Beispiel hochgereinigtes Glas oder Silica, für den lichtleitenden Kern der optischen Fasern verwendet werden kann. Ferner ist es wichtig, daß kein Material des faserop­ tischen Kabels 7 oder der Klemme 8, 9 ferromagnetisch ist, da dies die MR-Bilder stören würde.

Die genannten Ausführungsbeispiele können im Rahmen der Pa­ tentansprüche und bekannter Technologien in vielfacher Weise variiert werden.

Claims (12)

1. Sensor für Pulsoximetrie, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor zur faseroptischen Signal­ übertragung versehen ist

• - mit einem lichtaussendenden und lichterfassenden Teil (1a, 1b), welcher
• - Leuchtdioden (11, 12) enthält, die Licht in mindestens zwei Wellenlängenbereichen auszustrahlen vermögen,
• - mindestens einen Fotodetektor (13) enthält, und
• - mit einer elektrischen Anschlußvorrichtung (2, 3) an ein Pulsoximetriegerät (4) versehen ist,
• - mit mindestens einem faseroptischen Kabel (7), dessen eines Ende (7) an die Leuchtdioden (11, 12) und den Fo­ todetektor (13) angeschlossen ist und dessen anderes Ende an eine aus zwei Hälften bestehenden Klemme (8, 9) zur Fi­ xierung und Durchleuchtung eines Fingers oder eines ande­ ren durchleuchtbaren Körperteils angeschlossen ist, und
• - mit mindestens einem Leistungsübertrager (23), der einen Teil der verfügbaren, vom Pulsoximetriegerät (4) über die genannte elektrische Anschlußvorrichtung (2, 3) lieferba­ ren Leistung auf mindestens einen Leistungsempfänger (24) überträgt, der mindestens einen Signalverstärker (25) mit elektrischer Energie versorgt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannte elektrische Anschlußvor­ richtung aus einem zum Sensor gehörenden Kabel (2) mit einem oder mehreren Steckern (3) für das Pulsoximetriegerät be­ steht.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der lichtaussendende und lich­ terfassende Teil (1a, 1b) individuell gegenüber dem faserop­ tischen Kabel (7), einschließlich der aus zwei Hälften be­ stehenden Klemme (8, 9), und umgekehrt, ohne das Erfordernis einer Justierung oder Eichung auswechselbar ist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der licht­ aussendende und lichterfassende Teil (1a, 1b) mindestens eine erste lichtaussendende Diode (12) mit Emission im Wel­ lenlängenbereich von 650 bis 670 nM und mindestens eine zweite lichtaussendende Diode (12) mit Emission im Wellen­ längenbereich von 920 bis 960 nM und mindestens einen Foto­ detektor (13) enthält.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannte erste Diode (12) eine Emittanz von mehr als zwei Candela hat, daß die genannte zweite Diode (12) eine Emittanz von mindestens 20 mW/ Stera­ diant hat, daß die Empfindlichkeit des Fotodetektors (13) um weniger als den Faktor zwei in und über die genannten Wellenlängenbereiche variiert und daß die äquivalente Stör­ pegelleistung weniger als zwei fW/(Hz)1/2 beträgt.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das faser­ optische Kabel (7) eine Vielzahl von optischen Fasern ent­ hält mit einer maximalen Dämpfung von 0,3 dB/Meter im Wel­ lenlängenbereich von 650 bis 960 nM.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das opti­ sche Kabel (7) eine Vielzahl von optischen Fasern enthält, die derart in zwei Bündel (7a, 7b) aufgeteilt sind, daß eine separate optische Verbindung vorhanden ist zwischen jeder Seite der aus zwei Hälften bestehenden Klemme (8, 9) und dem lichtaussendenden Teil (1a) bzw. dem lichterfassenden Teil (1b), wobei zwischen den beiden Seiten eine optische Isola­ tion vorhanden ist, die 60 dB überschreitet.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das faser­ optische Kabel (7) einen gemeinsamen Mantel (14) hat.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ge­ nannte lichtaussendende und lichterfassende Teil (1a, 1b) in einem Gehäuse (15) untergebracht ist, welches mit einer op­ tische und elektromagnetische Abschirmung (16) zwischen dem lichtaussendenden Teil (1a) und dem lichterfassenden Teil (1b) versehen ist.

10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus zwei Hälften bestehende Klemme (8, 9) versehen ist mit zwei geformte Teile (17, 18) mit Anschlüssen für optische Fasern, welche Biegungen in Richtung der Ausbreitung des Lichtes aufweisen, mit einem Drehzapfen (19) für eine Drehbewegung längs einer Achse und mit einer elastischen Feder (20) zum Andrücken der beiden Hälften der Klemme gegen den genannten Körperteil (10).

11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das faser­ optische Kabel (7), einschließlich der Klemme (8, 9), voll­ ständig aus nicht-ferromagnetischen Materialien besteht.

12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ fläche der Faserenden (5, 6) poliert sind und in direktem Kontakt mit den polierten Oberflächen der lichtaussendenden Dioden (11, 12) und des Fotodetektors (13) des lichtaussen­ denden und lichterfassenden Teils (1a, 1b) gebracht werden können.