DE69724822T2 - Oximeter mit analog-digital-umwandlung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein verbessertes Oximeter zum nichtinvasiven Messen der arteriellen Sauerstoffsättigung. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur direkten Digitalsignalerzeugung aus Eingangssignalen, welche durch eine Sensorvorrichtung erzeugt werden, welche mit dem Oximeter verbunden ist.
  • Bei sämtlichen Oximetern werden Eingangssignale von einer Sensorvorrichtung empfangen, welche direkt mit dem blutführenden Gewebe eines Patienten verbunden ist, wie etwa einem Finger oder einem Ohrläppchen. Die Sensorvorrichtung besteht generell aus einer Rotlicht-LED, einer Infrarot-LED und einem oder zwei Photodetektoren. Licht von jeder LED wird durch das Gewebe gesandt, und die Photodetektoren erfassen die Menge des Lichts, welches das Gewebe durchdringt. Das erfaßte Licht besteht aus zwei Komponenten für jeden Frequenzbereich. Eine Wechselstromkomponente stellt die erfaßte Menge pulsierenden Bluts dar, während die Gleichstromkomponente die Menge nichtpulsierenden Bluts darstellt. Daher werden vier getrennte Komponenten des erfaßten Lichts untersucht, um die arterielle Sauerstoffsättigung zu bestimmen: Rotlicht-Gleichstrom, Rotlicht-Wechselstrom, Infrarot-Gleichstrom und Infrarot-Wechselstrom. Die erfaßte Lichtmenge wird sodann verwendet, um die Sauerstoffsättigung in dem Blut des Patienten auf Basis der folgenden Gleichung zu bestimmen: (IR(AC)/IR(DC))/(Rot(AC)/Rot(DC))
  • Bei einem traditionellen Oximeter wird das Ausgangssignal in eine Analogspannung umgewandelt und sodann in Infrarot- und Rotlicht-Komponenten getrennt. Einige Oximeter trennen ferner die Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten. Dabei werden getrennte Analogschaltungen verwendet, um diese Signale aufzunehmen, zu demultiplexieren und zu filtern. Bei diesen Systemen ist es daher notwendig, die Analogverarbeitungselemente sorgfältig abzugleichen, um Fehler zu minimieren, welche durch Unterschiede der Verstärkung bzw. des Frequenzgangs bei den zwei Schaltungen entstehen können.
  • Die vorliegende Erfindung verbessert dieses Verfahren durch Empfangen von Eingangsstromsignalen von mindestens zwei und vorzugsweise drei LED's verschiedener Wellenlängen und direktes Umwandeln dieser Eingangssignale in digitale Spannungswerte, ohne zunächst eine Umwandlung in Analogspannungen vorzunehmen oder die Signale zu trennen. Dies wird durch Verwenden eines Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandlers mit einem ausreichenden Arbeitsbereich, um die starken Gleichstromsignale darzustellen, und einer ausreichenden Auflösung, um die schwachen Wechselstromsignale darzustellen. Dieser Ladungsdigitalisierungswandler verwendet ein Stromintegrationsglied als erste Stufe, welches ein Eingangsrauschen zu mitteln und zu filtern neigt. Dies ist eine Verbesserung gegenüber der Umwandlung von Strom in Spannung, welche bei traditionellen Oximetern verwendet wird, die zur Verstärkung eines Rauschens neigen.
  • Wenn der Eingangsstrom in einen digitalen Spannungswert umgewandelt wird, werden sämtliche Eingangssignale anstatt der getrennten Analogverarbeitungs-Hardwarepfade, welche bei dem traditionellen Verfahren erforderlich sind, in dem gleichen Digitalverarbeitungs-Hardwarepfad verarbeitet. Dieses System beseitigt die Notwendigkeit, Analogverarbeitungs-Hardwareelemente abzugleichen und vermindert mögliche Fehler daher weiter. Ferner kann, wenn die Signale digitalisiert werden, ein Mikroprozessor sämtliche Signalverarbeitungs-, Demultiplexierungs- und Filterschritte durchführen, welche bei traditionellen Oximetern erforderlich sind. Diese Reduktion der Analogsignalverarbeitungsstufe steigert sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit des Oximeters, vermindert die Kosten durch Beseitigen teurer Analogverarbeitungselemente und vermindert die Größe des Oximeters durch Beseitigen von Analogverarbeitungselementen mit großer räumlicher Ausdehnung.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Endung, ein verbessertes Verfahren zum nichtinvasiven Messen von Fluidparametern zu schalten.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Messen der arteriellen Blutsättigung zu schalten.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, verbesserte Geschwindigkeit und Genauigkeit der Messungen, welche durch das Oximeter erfolgen, zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Endung, eine direkte Analog-Digital-Umwandlung des Eingangsstromsignals mit einem ausreichenden Arbeitsbereich, um starke Gleichstromsignale zu messen, und einer ausreichenden Auflösung, um schwache Wechselstromsignale darzustellen, zu schalten, so daß genaue Messungen mit reduzierter Analogsignalverarbeitung vorgenommen werden können.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Verminderung möglicher Fehler durch direktes Umwandeln des Eingangsstromsignals in ein digitales Spannungssignal zu schalten, wodurch der Umwandlungsschritt von Strom in Spannung umgangen wird, welcher ein Rauschen verstärken kann.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Verminderung möglicher Fehler durch Verarbeiten sämtlicher Signale in einem Digitalverarbeitungs-Hardwarepfad zu schaffen, wodurch die Notwendigkeit abgeglichener Analogverarbeitungselemente beseitigt wird.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Oximeter zum nichtinvasiven Messen der arteriellen Sauerstoffkonzentration:
    eine Einrichtung zum Erzeugen mindestens zweier Lichtwellenlängen;
    eine Einrichtung zum Richten des Lichts auf eine Gewebeprobe, welche eine pulsierende Blutversorgung umfaßt;
    eine Einrichtung zum Erfassen des Lichts nach dem Durchgang durch die Gewebeprobe und zum Erzeugen eines elektrischen Stromsignals, welches die Absorption jeder Wellenlänge des Lichts darstellt;
    eine Einrichtung zum direkten Umwandeln des elektrischen Stromsignals in ein digitales Spannungssignal;
    eine Einrichtung zum Verarbeiten des digitalen Spannungssignals;
    und eine Einrichtung zum Bestimmen der arteriellen Sauerstoffkonzentration.
  • Vorzugsweise umfaßt die Einrichtung zum Erzeugen von Licht LED's, welche Licht in drei Frequenzbereichen erzeugen.
  • Vorteilhafterweise umfaßt die Einrichtung zum Erfassen des Lichts mindestens einen Photodetektor, welcher Licht mit den zwei Wellenlängen erfaßt und ein elektrisches Stromsignal auf Basis der Menge des jeweils erfaßten Lichts erzeugt.
  • Wünschenswerterweise umfaßt die Einrichtung zum direkten Umwandeln des elektrischen Stromsignals in ein digitales Spannungssignal einen Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandler.
  • Die Einrichtung zum direkten Umwandeln des elektrischen Stromsignals in ein digitales Spannungssignal umfaßt einen Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandler mit einem ausreichenden Arbeitsbereich, um starke Gleichstromsignale zu messen, und einer ausreichenden Auflösung, um schwache Wechselstromsignale darzustellen, welche dem Gleichstrom aufmoduliert sind.
  • Die Einrichtung zum direkten Umwandeln des elektrischen Stromsignals in ein digitales Spannungssignal umfaßt einen Ladungsdigitalisierungs- Analog-Digital-Wandler, welcher vorzugsweise ein Stromintegrationsglied in der ersten Stufe umfaßt.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Oximeter zu schaffen, welches eine verminderte Anzahl elektronischer Schaltelemente aufweist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verkleinerung der Oximetergröße durch Beseitigen von Analogverarbeitungselementen mit großer räumlicher Ausdehnung zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System zum direkten Umwandeln mindestens zweier Signale von LED's mit verschiedenen Wellenlängen in eine digitale Signalform zu schaffen.
  • Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden gemeinsam mit dem Aufbau und der Funktionsweise davon durch die folgende genaue Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, welche unten beschrieben wird, ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 stellt ein Blockschaltbild des Oximeters mit direkter Digitalumwandlung in Verbindung mit einer Sensorvorrichtung dar;
  • 2 stellt die Sensorvorrichtung und das Oximeter mit direkter Digitalumwandlung in Verbindung mit einem Patienten dar.
  • Genaue Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • Ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäß konstruierten Oximeters 10 mit direkter Digitalumwandlung ist gemeinsam mit einer externen Sensor vorrichtung 20 in 1 dargestellt. Das Oximeter 10 mit direkter Digitalumwandlung umfaßt einen Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandler 30, einen Mikroprozessor 40, einen Digital-Analog-Wandler/LED-Treiber 50 und ein Blitz-EPROM 60. Um eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen, wandelt der Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandler 30 vorzugsweise das analoge Eingangssignal in ein digitales Signal mit mindestens 20 Bits um.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel (siehe 2) wird der Sensor 20 an einer blutführenden Gewebeprobe angebracht, wie etwa dem Finger oder dem Ohrläppchen eines Patienten. Hier ist dargestellt, daß der Sensor 20 aus einer Rotlicht-LED 70, einer Infrarot-LED 80 und einem einzigen Photodetektor 90 besteht, doch kann der Sensor drei oder mehr LED's mit verschiedenen Wellenlängen und eine zugeordnete Vielzahl von Photodetektoren umfassen. Die LED's 70 und 80 werden durch Digitalsignale von dem Mikroprozessor 40 betrieben. Diese Digitalsignale werden mittels des Digital-Analog-Wandlers/LED-Treibers 50 in Analogspannung umgewandelt. Licht von den LED's 70 und 80 wird durch die Gewebeprobe gesandt und wird durch den Photodetektor 90 erfaßt, welcher ein analoges Stromsignal mit einer Amplitude erzeugt, welche proportional zu der Lichtmenge ist, welche in jedem Frequenzbereich erfaßt wird. Sodann wird das Stromsignal von dem Photodetektor 90 mit einer Auflösung von 20 Bits durch den Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandler 30 digitalisiert und zu dem Mikroprozessor 40 gesandt. Demultiplexierung, Umgebungsstörungserkennung und -beseitigung sowie Signalfilterung erfolgen mittels Digitalsignalverarbeitungs-Softwareprogrammen in dem Mikroprozessor 40. Wenn die Signale verarbeitet sind, berechnet der Mikroprozessor 40 den Wert des Verhältnisses (IR(AC)/(IR(DC))/(Rot(AC)/Rot(DC))wobei die Gleichstromkomponente den nicht pulsierenden Blutstrom darstellt und die Wechselstromkomponente den pulsierenden Blutstrom an zeigt. Sodann bestimmt der Mikroprozessor 40 die absolute arterielle Sauerstoffsättigung durch Vergleichen des Ergebnisses mit dem Wert, welcher in einer Verzeichnistabelle in dem Blitz-EPROM 60 gespeichert ist.
  • Obgleich bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist für Fachkundige zu ersehen, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung in deren weiteren Aspekten gemäß Darlegung in den folgenden Ansprüchen abzuweichen.

Claims (13)

  1. Oximeter (10) zum nicht-invasiven Messen der arteriellen Sauerstoffsättigung, umfassend: einen Sensor (20), welcher mindestens eine erste und eine zweite Lichtemissionsvorrichtung (70, 80) zum Erzeugen von Licht mit mindestens zwei Wellenlängen umfaßt; mindestens einen Photodetektor (90) zum Erfassen des Lichts nach Durchlaufen einer Gewebeprobe mit einer pulsierenden Blutversorgung und zum Erzeugen eines analogen elektrischen Stromsignals, welches die Absorption jeder Wellenlänge des Lichts darstellt; gekennzeichnet durch einen Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandler (30), welcher einen Eingang aufweist, welcher mit einem Ausgang des Sensors (20) verbunden ist, um das analoge elektrische Stromsignal, welches durch den Photodetektor (90) erzeugt wird, direkt zu empfangen und das analoge elektrische Stromsignal direkt in ein digitales Spannungssignal umzuwandeln; und eine Verarbeitungseinheit (40) zum Verarbeiten des digitalen Spannungssignals, um eine arterielle Sauerstoffsättigung zu berechnen.
  2. Oximeter nach Anspruch 1, wobei der Sensor (20) LEDs umfaßt, welche Licht mit drei Wellenlängen erzeugen.
  3. Oximeter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Analog-Digital-Wandler (30) einen ausreichenden Arbeitsbereich aufweist, um starke Gleichstromsignale zu messen, und eine ausreichende Auflösung, um schwache Wechselstromsignale, durch welche die Gleichstromsignale moduliert sind, wiederzugeben,.
  4. Oximeter nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, wobei der Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandler (30) einen Stromintegrator in der ersten Stufe umfaßt.
  5. Oximeter nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, wobei die Verarbeitungseinheit (40) Rechnerausführungssoftwareprogramme umfaßt.
  6. Oximeter nach einem beliebigen vorangehende Anspruch, ferner umfassend eine gespeicherte Nachschlagetabelle zum Berechnen der Sauerstoffsättigung.
  7. Oximeter nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Nachschlagetabelle, welche in einem Blitz-EPROM (60) gespeichert ist, zur Berechnung der Sauerstoffsättigung.
  8. Verfahren zum nicht-invasiven Messen der arteriellen Sauerstoffsättigung, umfassend die Schritte: Erzeugen von Licht mit mindestens einer ersten und einer zweiten Wellenlänge; Leiten des Lichts zu einer Gewebeprobe mit einer pulsierenden Blutversorgung; Erfassen des Lichts nach Durchlaufen der Gewebeprobe und Erzeugen eines analogen eleitrischen Stromsignals, welches das Absorptionsverhältnis jeder Wellenlänge des Lichts darstellt; gekennzeichnet durch direktes Senden des analogen elektrischen Stromsignals zu einem Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandler (30) zum direkten Umwandeln des analogen elektrischen Stromsignals in ein digitales Spannungssignal unter Verwendung des Ladungsdigitalisierungs-Analog-Digital-Wandlers (30); und darauffolgendes Verarbeiten des digitalen Spannungssignals, um eine arterielle Sauerstoffsättigung zu berechnen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend den Schritt des Verwendens einer gespeicherten Nachschlagetabelle zum Berechnen der Sauerstoffsättigung.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend die Schritte des Speicherns einer Nachschlagetabelle in einem Blitz-EPROM (60) und des Verwendens dieser Nachschlagetabelle zum Berechnen der Sauerstoffsättigung.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner umfassend die Schritte des Erkennens und Filterns eines Umgebungsrauschens aus dem digitalen Spannungssignal.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner umfassend die Schritte einer Demultiplexierbehandlung des digitalen Spannungssignals, um einen ersten Wert, welcher das erfaßte Licht mit der ersten Wellenlänge darstellt, und einen zweiten Wert, welcher das erfaßte Licht mit der zweiten Wellenlänge darstellt, zu liefern.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend den Schritt, den ersten und den zweiten Wert des digitalen Spannungssignals digital zu filtern.
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