DE2136823A1 - PHOTOELECTRIC MEASURING DEVICE FOR PLETHYSMOGRAPHIC MEASUREMENTS, IN PARTICULAR FOR MEASURING THE CIRCULATION OF LIVING TISSUE TO DETERMINE THE PULSE AMPLITUDE AND PULSE RATE - Google Patents
PHOTOELECTRIC MEASURING DEVICE FOR PLETHYSMOGRAPHIC MEASUREMENTS, IN PARTICULAR FOR MEASURING THE CIRCULATION OF LIVING TISSUE TO DETERMINE THE PULSE AMPLITUDE AND PULSE RATEInfo
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Description
Foto elektrisches Meßgerät für plethysmographische messungen, insbesondere für die Messung der Durchblutung von lebendem Gewebe zur Bestimmung der Pulsamplitude und Pulsfrequenz Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein fotoelektrisches Meßgerät für plethysmographische Messungen, insbesondere für die Messung der Durchblutung von lebendem Gewebe, um die Pulsfrequenz oder Pulsamplitude zu bestimmen. In der medizinischen Diagnostik wird heute vorzugsweise der periphere arterielle Puls auf fotoelektrischem Wege abgenommen, da dafür nur ein geringer Meßaufwand erforderlich ist. Auf der Aufiiehrnerseite liegen dabei entweder eine Lichtquelle, z.B. eine Leuchtdiode und ein Photodetektor auf einem Träger nebeneinander, wenn das vomt durchbluteten Gewebe reflektierte Licht zur Messung benutzt werden soll, oder die beiden genannten Elemente sind auf zwei Träger verteilt, die im allgemeinen durch eine Klammer zusammengehalten werden und zwischen sich den zur Messung herangezogenen Teil des Körpers aufnehmen, z.B. ein Ohrläppchen. Das vom Photodetektor aufgenommene Licht wird im allgemeinen nach Verstärkung einem Anzeige- oder Registriergerät zugeführt oder einem Auswertegerät, das aus den Signal schwankungen die Pulsfrequenz ermittelt.Photo electrical measuring device for plethysmographic measurements, in particular for measuring the blood flow in living tissue to determine the pulse amplitude and pulse rate The subject of the present invention is a photoelectric Measuring device for plethysmographic measurements, in particular for measuring blood flow from living tissue to determine the pulse rate or pulse amplitude. In the Medical diagnostics today is preferably based on the peripheral arterial pulse removed photoelectric way, since only a small measurement effort is required is. Either a light source, e.g. a Light-emitting diode and a photodetector on a carrier next to each other, if the vomt perfused tissue should be used to measure reflected light, or the both of these elements are distributed over two supports, generally through a clamp are held together and between them the ones used for the measurement Pick up part of the body, e.g. an earlobe. The one recorded by the photodetector Light is generally fed to a display or recorder after amplification or an evaluation device that determines the pulse frequency from the signal fluctuations.
Die durch vorliegende Erfindung erzielte Weiterentwicklung solcher fotoelektrischer Meßgeräte löst die Aufgabe, den störenden Einfluß von Umweltlicht, z.B. der Leuchtstofflampen, aber auch von normalem Tageslicht, auf das Meßergebnis zu beseitigen. Insbesondere würden sich die durch die Netzfrequenz verursachten Beleuchtungsschwankungen dem Meßergebnis überlagern, ähnlich auch andere Umwelteinflüsse.The further development of such achieved by the present invention photoelectric measuring devices solve the problem of the disturbing influence of ambient light, e.g. fluorescent lamps, but also normal daylight, have an impact on the measurement result to eliminate. In particular, those caused by the network frequency would be Superimpose lighting fluctuations on the measurement result, similarly to other environmental influences.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen synchronen Chopperbetrieb, indem die Lichtquelle für den Fotodetektor des Gerätes von einem Wechselstrom gespeist wxrZund das erzeugte elektrische Meßsignal in einem phasenstarren Gleichrichter gleichgerichtet wird, der durch den gleichen Wechselstrom gesteuert wird.The invention solves this problem through a synchronous chopper operation, by feeding the light source for the photodetector of the device from an alternating current wxrZund the generated electrical measurement signal in a phase-locked rectifier which is controlled by the same alternating current.
Diese durch die Erfindung erreichte Fortentwicklung ist mit den Ansprüchen näher gekennzeichnet. Die Figur t zeigt die zum Yerständuis der Erfindung wesentliche Prinzipschaltung.This further development achieved by the invention is consistent with the claims marked in more detail. The figure shows the essential to the performance of the invention Schematic circuit.
Figur 2 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines Pulsabnehmers im Querschnitt und seine Wirkungsweise in Bezug auf die Bestimmung der Durchblutung des Körperteils, an dem er angelegt wird.FIG. 2 schematically illustrates the structure of a heart rate monitor in cross section and its mode of action in relation to the determination of blood flow the part of the body to which it is applied.
Bei der fotoelektrischen Messung der Körperdurchblutung für die Pulsfrequenzermittlung wird vorteilhaft in einem sog. isosbestischein Spaktralbereich gearbeitet, in dem die Absorption von Haemoglobin und Oxyhaemoglobin den gleichen Wert hat. D.h. die Messung bei einer solchen Wellenlänge ist ganz unabhängig vom Sauerstoffgehalt des Blutes, und die Reflexions- oder Transmissionseigenschaften des zur Messung herangezogenen Körperteils, z.8. einer Fingerkuppe, eines Ohrläppchens oder der Nasenscheidewand, ist allein von der Durchblutung und nicht vom Sauerstoffgehalt des Blutes abhängig.With the photoelectric measurement of the body's blood flow to determine the pulse rate it is advantageous to work in a so-called isosbestischein spactral area in which the absorption of hemoglobin and oxyhemoglobin has the same value. I.e. the Measurement at such a wavelength is completely independent of the oxygen content of the Blood, and the reflection or transmission properties of the used for the measurement Body part, e.g. 8. a fingertip, earlobe, or nasal septum, depends solely on the blood flow and not on the oxygen content of the blood.
Isosbestische Punkte des Spaktralbereiches liegen zwischen Lichtquellenlängen von 800 und 900 um, sowie z.B. bei 450 um und bei 550 mr Es stehen heute Leuchtdioden, vor allem auf Gallium-Arsenid-Basis, zur Verfügung, die Licht einer derartigen Wellenlänge erzeugen und ausstrahlen. Sie haben den besonderen Vorteil, daß ihre Eniission ohne Verzögerung den Schwankungen des Speisestromes folgt und somit für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet sind. Als M»todetek« tor eignen sich für solche Leuchtdioden, die qualitative und quant tative Verbesserungen erbflngen, besonders Silizium-Photodetektoren.Isosbestic points of the spactral area lie between light source lengths from 800 and 900 um, as well as e.g. at 450 um and 550 mr There are today light-emitting diodes, mainly based on gallium arsenide, the light of such a wavelength is available generate and radiate. They have the special advantage that their eniission without Delay follows the fluctuations in the supply current and thus for the purposes of the Invention are particularly suitable. As M »death detector« are suitable for such light emitting diodes, which require qualitative and quantitative improvements, especially silicon photodetectors.
Die Aufgabe der Erfindung, ambivalente Störeinflüsse durch das Umlicht, durch Körperbewegung oder durch Temperatur bei der fotoelektrischen Messung der Pulsfrequenz auszuschalten, wird durch einen synchronen Chopperbetrieb für die Lichtquelle und für den erforderlichen Gleichrichter gelöst, wozu sich eine Schaltung eignet, die schematisch in Figur 1 dargestellt und mit den Ansprüchen gekennzeichnet ist.The task of the invention, ambivalent interfering influences by the ambient light, by body movement or by temperature in the photoelectric measurement of the Switching off the pulse frequency is done by a synchronous chopper operation for the light source and solved for the required rectifier, for which a circuit is suitable, which is shown schematically in Figure 1 and characterized with the claims.
Gemäß dem Vorschlag der Erfindung wird die Lichtquelle 1, die zur Beleuchtung des zur Messung herangezogenen Körperteils dient, von einer Wechselstromquelle 7, vorzugsweise von einem astabilen Multivibrator, gespeist, der einen rechteckigen Wechselstrom mit dem Tastverhältnis 1 : 1 von seinem strombegrenzten Ausgang g her über das Kabel 8 an die Lichtquelle 1 liefert. Der Photodetektor 2, vorzugsweise ein Silizium-Photoelement, wirkt auf den Eingang b eines Differenzverstärkers 3, der vorzugsweise unter Benutzung von Feldeffekttransistoren aufgebaut ist. Der Eingang a des Differenzverstärkers liegt an Leitungs-Null oder an einem entgegengesetzten Pol des Photodetektors 21 so daß eine Differenzschaltung möglich ist.According to the proposal of the invention, the light source 1, which is used for Illumination of the body part used for the measurement is used by an alternating current source 7, preferably fed by an astable multivibrator, which has a rectangular Alternating current with a duty cycle of 1: 1 from its current-limited output g supplies the light source 1 via the cable 8. The photodetector 2, preferably a silicon photo element, acts on input b of a differential amplifier 3, which is preferably constructed using field effect transistors. The entrance a of the differential amplifier is at line zero or at an opposite one Pole of the photodetector 21 so that a differential circuit is possible.
Die beiden Differenz ausgänge c und d werden von einem elektronischen Schalter 4 und 5, der wie die Lichtquelle 1 vom gleichen Wechselstrom-Generator 7 über seine komplementären Ausgänge e und f gesteuert und gespeist wird, im Takt dieses Steuerstromes abwechselnd an den Tiefpaß 6 gelegt, der die Frequenz des Wechselstrom-Generators 7 aus dem verstärkten Meßsignal herausfiltert. Dazu ist erforderlich, daß die Tastfrequenz des Wechselstrom-Qenerators 7 bzw. des astabilen Multivibrators 7 ausreichend über dem zweifachen Wert der höchsten zu erwartenden Signalfrequenz liegt.The two difference outputs c and d are from an electronic Switch 4 and 5, like the light source 1 from the same alternating current generator 7 is controlled and fed via its complementary outputs e and f, in time this control current is alternately applied to the low-pass filter 6, which is the frequency of the alternating current generator 7 is filtered out of the amplified measurement signal. This requires that the sampling frequency of the alternating current Qenerators 7 or the astable multivibrator 7 sufficiently over twice the value of the highest expected signal frequency.
Da nun kaum Störlichteinflüsse oder andere, durch Bewegungen, Temperatur oder Umgebungsverhältnisse verursachte Störeinflüsse phasenrichtig synchron mit der Tastfrequenz auftreten können, kompensiert sich deren Wirkung über mehrere Tastzyklen am Eingang h des Filters 6. An den Ausgang i des Filters 6 wird dann das zur Weiterverarbeitung des erzeugten Signals dienende Gerät angeschlossen, z. B.Since there is hardly any interference from light or other effects, due to movements, temperature or environmental conditions caused interference in the correct phase synchronously with the scanning frequency can occur, their effect is compensated for over several scanning cycles at the input h of the filter 6. This is then sent to the output i of the filter 6 for further processing connected device serving the generated signal, e.g. B.
ein Anzeigegerät, ein Registriergerät oder ein zur Frequenzermittlung dienender Zähler.a display device, a recorder or a frequency determination device serving counter.
Den Zusammenbau von zwei Leuchtdioden 1 mit einem Photodetektor 2 für einen Fingerpulsabnehmer zeigt Figur 2. Dabei wird das vom Finger 8 reflektierte Licht der Leuchtdioden 1 ausgewertet. Die genannten elektronischen Organe sind in einem flachen Träger 9 vorzugsweise aus Kunststoff vereinigt, der drei Fenster für den Einbau dieser Teile besitzt. Der steuernde Wechselstrom und das geRonnene elektrische Signal wird durch £epat-$te, in einem Kabel lt vereinigte Leitungen abgeführt.The assembly of two light emitting diodes 1 with a photodetector 2 for a finger pulse pickup is shown in FIG. 2. The reflected from finger 8 is thereby Light of the LEDs 1 evaluated. The electronic organs mentioned are in a flat support 9 preferably made of plastic combined, the three windows for owns the installation of these parts. The controlling alternating current and the flowing electrical The signal is discharged through the epat, lines united in one cable.
Der erfindungsgemäße Aufbau eines fotoelektrischen Meßgerät es ergibt somit in verschiedener Hinsicht wesentliche Fortschritte. Einmal besteht die Möglichkeit, Meßwertaufnehmer in sehr kleinen Armes sungen herzustellen. Des weiteren können die Störeinflüsse, die durch die Umgebungsbeleuchtung, durch die Umgebungstemperatur oder durch Bewegungen des Körperteils verursacht wurden, im Meßsignal unterdrückt werden. Schließlich bedarf es nur geringer Ansteuerleistungen für Lichtquellen auf Halbleiterbasis, und vor allem ist es ein Vorteil, daß als Verstärker für das Meßsignal ein Wechselstromverstärker benutzt werden kann, wenn erfindungRgemäß die Lichtquell durch einen Wechselstrom gesteuert wird.The structure of a photoelectric measuring device according to the invention results thus significant progress in various respects. Once there is the possibility Manufacture transducers in very small Armes solutions. Furthermore you can the interference caused by the ambient lighting, by the ambient temperature or caused by movements of the body part are suppressed in the measurement signal will. After all, only low control powers are required for light sources Semiconductor base, and above all it is an advantage that as an amplifier for the measurement signal an AC amplifier can be used if the light source according to the invention controlled by an alternating current.
Das Meßergebnis ist demnach weitgehend frei von Störeinflüssen und hat daher einen hohen diagnostischen Gehalt bei Anwendung der Erfindung für Pulsabnehmer.The measurement result is therefore largely free from interference and therefore has a high diagnostic content when the invention is used for pulse collectors.
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