DE19922772A1 - Device for determining various blood flow conditions and oxygen saturation in blood-bearing tissue - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Beschrieben wird ein Verfahren und Gerät zur Bestimmung verschiedener Durchblutungszustände und der Sauerstoffsättigung in blutführendem Gewebe. Das Gerät eignet sich beispielsweise auch zur Erkennung und Lokalisierung von Entzündungen, Tumoren und/oder Arteriosklerose. Dabei werden oximetrisch gewonnene Daten im Hinblick auf Veränderungen der Durchblutung ausgewertet, die für Entzündungen, Tumore oder auch Arteriosklerose typisch sind. Das Gerät ist für den mobilen ambulanten Einsatz geeignet und kann während der Anwendung in der Hand gehalten werden. Die dazu notwendige verbesserte Meßgeschwindigkeit und Kanaltrennung wird durch einen modifizierten Lock-in Verstärker gewährleistet.A method and device for determining various blood circulation states and oxygen saturation in blood-carrying tissue is described. The device is also suitable, for example, for the detection and localization of inflammation, tumors and / or arteriosclerosis. Data obtained by oximetry are evaluated with regard to changes in the blood flow that are typical of inflammation, tumors or arteriosclerosis. The device is suitable for mobile outpatient use and can be held in the hand during use. The necessary improved measuring speed and channel separation is ensured by a modified lock-in amplifier.

Description

Translated fromGerman

Technisches GebietTechnical field

Beschrieben wird ein Verfahren und Gerät zur Bestimmung verschiedener Durch­blutungszustände und der Sauerstoffsättigung in blutführendem Gewebe. Das Ge­rät eignet sich beispielsweise zur Erkennung und Lokalisierung von Entzündun­gen, Tumoren oder auch Arteriosklerose.A method and device for determining various through are describedbleeding conditions and oxygen saturation in blood-bearing tissue. The Geadvises for example for the detection and localization of inflammationgenes, tumors or arteriosclerosis.

Stand der TechnikState of the art

Puls, Durchblutung und Sauerstoffgehalt lassen sich mit herkömmlichen Oxime­tern bestimmen. Beispiele für solche Verfahren liefern US 5820550, US 5595176, US 5503148 und US 5353791. Die meisten dieser Geräte sind für den stationären oder ambulanten Einst konzipiert. Die Sauerstoffsättigung in arteriellem Blut wird dadurch bestimmt, daß Licht mindestens zweier Wellenlängen - meist im sichtbaren bzw. infraroten Spektralbereich - auf eine geeignete Körperstelle ge­richtet wird, wobei die reflektierte oder transmittierte Strahlung von einem Photo­detektor aufgefangen und von einer elektronischen Auswerteeinheit weiterverar­beitet wird. Bei diesem Verfahren kann außerdem der Puls als periodische Verän­derung der Meßsignale abgeleitet werden.Pulse, blood flow and oxygen content can be measured with conventional oximesdetermine. Examples of such processes are provided by US 5820550, US 5595176,US 5503148 and US 5353791. Most of these devices are for the stationaryor outpatient conception. Oxygen saturation in arterial bloodis determined by the fact that light of at least two wavelengths - mostly in thevisible or infrared spectral range - ge on a suitable body areais directed, the reflected or transmitted radiation from a photoDetector collected and further processed by an electronic evaluation unitis being processed. With this method, the pulse can also be used as a periodic changechange of the measurement signals are derived.

Diese Methode ist schon seit langem bekannt und weitverbreitet. Allen herkömm­lichen Oximetern ist daher gemein, daß sie Lichtquellen für im Allgemeinen zwei unterschiedliche Wellenlängen, meist im sichtbaren und infraroten Bereich besit­zen, sowie entsprechende Detektoren für transmittierte bzw. reflektierte Strahlung. Weiterhin ist allgemein eine Vorrichtung zur Berechnung der Sauerstoffsättigung aus den Meßwerten vorhanden, Teilweise wird auch die Möglichkeit einer Daten­speicherung (z. B. US 5820550, US 5503148) bzw. die Anwendung statistische Mittel (z. B. US 5820550, US 5595176) erwähnt.This method has long been known and is widespread. All conventionalunion oximeters is common in that they light sources for generally twodifferent wavelengths, mostly in the visible and infrared rangezen, as well as corresponding detectors for transmitted or reflected radiation.Furthermore, there is generally a device for calculating the oxygen saturationfrom the measured values, in some cases there is also the possibility of datastorage (e.g. US 5820550, US 5503148) or the application statisticalMeans (e.g. US 5820550, US 5595176) mentioned. 

US 5820550 erwähnt zusätzlich die Prüfung der statistischen Konfidenz, eine Mittelung der Output Signale sowie eine Anzeige. US 5595176 verwendet zur Auswertung die Statistischen Verfahren der Auto- und Kreuzkorrelation. US 5503148 benutzt zur Berechnung der Sauerstoffsättigung explizit die jeweiligen Extinktionskoeffizienten. In US 5353791 werden Vor- und Hauptverstärker ein­gesetzt und Halbleiterlaser als Lichtquellen verwendet, wobei entsprechende Ka­belverbindungen explizit erwähnt werden. US 5792052 beschreibt ein kompaktes Gerät zur Messung des O2 Sättigungslevels von arteriellem Blut innerhalb eines Fingers, bestehend aus einer Haltevorrichtung für einen Finger, aus zwei mitein­ander verbundenen Gehäusen, die in elektronischer Verbindung zueinander stehen und aus einer Elektronik zur Erfassung und Bestimmung des O2 Sättigungslevels.US 5820550 also mentions statistical confidence testing, aAveraging of the output signals and a display. US 5595176 used forEvaluation of the statistical methods of auto and cross correlation. US5503148 explicitly uses the respective to calculate the oxygen saturationExtinction coefficient. In US 5353791 preamplifiers and main amplifiers are usedset and used semiconductor lasers as light sources, corresponding Kaconnections are explicitly mentioned. US 5792052 describes a compactDevice for measuring the O2 saturation level of arterial blood within aFingers, consisting of a holding device for one finger, two togetherother connected housings that are in electronic communication with each otherand from electronics for recording and determining the O2 saturation level.

Alle beschriebenen Geräte - auch diejenigen, die für den ambulanten Einsatz vor­gesehen sind - müssen zur Messung am Körper des Patienten fixiert werden, da sie empfindlich gegenüber Positionsänderungen während der Messung sind. Da­her ist auch keines der beschriebenen Geräte für die flexible Lokalisierung von Veränderungen durchbluteten Gewebes, beispielsweise infolge von Entzündun­gen, Tumoren oder auch Arteriosklerose, geeignet. Hierfür wird vielmehr ein Ge­rät benötigt, das es erlaubt verschiedene Stellen des menschlichen Körpers mög­lichst ungehindert zu erreichen. Insbesondere sollte es dem behandelnden Arzt ermöglicht werden, das Gerät während der Untersuchung des Patienten mit der Hand halten zu können und ein Körperteil in kurzen zeitlichen und räumlichen Abständen abtasten (effektiv scannen) zu können. Auf diese Weise können auch Körperstellen untersucht, an denen eine Fixierung ungünstig ist - insbesondere Weichteile - und der Verlauf der Durchblutung in einem bestimmten Körperteil bestimmt werden (z. B. im Hinblick auf Arteriosklerose).All devices described - including those that are intended for outpatient useseen - must be fixed to the patient's body for measurement, becausethey are sensitive to changes in position during the measurement. Thereago none of the devices described for the flexible localization ofChanges in blood flow to tissue, for example as a result of inflammationgenes, tumors or arteriosclerosis. Rather, a Geadvises that it allows different parts of the human bodyas unobstructed as possible. In particular, it should be the treating doctorbe enabled to use the device during the patient's examinationBeing able to hold hands and a body part in short time and spaceTo be able to scan distances (scan effectively). This way tooExamine areas of the body where fixation is unfavorable - especiallySoft tissues - and the flow of blood in a certain part of the bodycan be determined (e.g. with regard to arteriosclerosis).

Um den geforderten flexiblen Einsatz zu gewährleisten, muß das Gerät eine sehr hohe Empfindlichkeit besitzen. Bisher sind hohe Empfindlichkeiten jedoch nur zu Lasten der Meßgeschwindigkeit und Kanaltrennung zu realisieren. Daher muß ein Gerät für besagten flexiblen Einsatz zusätzlich bei besagter sehr hohen Empfind­ lichkeit eine gegenüber dem bisherigen Stand der Technik verbesserte Meßge­schwindigkeit und Kanaltrennung aufweisen, damit eine Fixierung entfallen kann.To ensure the required flexible use, the device must be veryhave high sensitivity. So far, however, high sensitivities have only been tooRealize loads of measuring speed and channel separation. Therefore aDevice for said flexible use in addition with said very high sensitivity an improved Meßge compared to the prior arthave speed and channel separation so that a fixation can be omitted.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Entzündungen und Tumore, aber auch Arteriosklerose äußern sich unter anderem in einer Veränderung oder Störung der Durchblutung des betroffenen Gewebes bzw. Organs. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrich­tung basieren auf nicht invasiven Messungen geeigneter Variablen. Dabei wird die Reflexion bestimmter, in geeignetes Gewebe eingestrahlter, Wellenlängen (beispielsweise im sichtbaren bzw. IR Bereich) an Gewebeschichten bzw. -grenzen gemessen. Das Reflexionsvermögen hängt bei Annahme konstanter Ge­webeparameter von der im Gewebe befindlichen Blutmenge ab. Mittels geeigneter Lichtquellen werden drei verschiedene Wellenlängen erzeugt. Für diese Wellen­längen besteht ein jeweils unterschiedliches Reflexionsvermögen bei oxigenier­tem bzw. deoxigenierten Blut. Aus der Auswertung der verschiedenen reflektier­ten Wellenlängen, läßt sich der Sauerstoffgehalt des Blutes, die Durchblutung sowie der Puls bestimmen. Die Meßwerte hängen dabei vor allem von folgenden Größen ab: Abstand der Lichtquellen voneinander, Art des untersuchten Gewebes und Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Die Strahlungsquellen werden zu­sätzlich moduliert und/oder gepulst.Inflammation and tumors, but also arteriosclerosis, express themselves among other thingsin a change or disturbance in the blood flow to the affected tissueor organ. The inventive method and the corresponding Vorrichare based on non-invasive measurements of suitable variables. Doing sothe reflection of certain wavelengths radiated into suitable tissue(for example in the visible or IR range) on fabric layers or -limits measured. The reflectivity depends on assuming constant Geweaving parameters from the amount of blood in the tissue. By means of suitableLight sources generate three different wavelengths. For these waveslengths have different reflectivities at oxigenierdeoxygenated blood. From the evaluation of the different reflectten wavelengths, the oxygen content of the blood, the blood flowas well as determine the pulse. The measured values depend primarily on the followingSizes from: distance of the light sources from each other, type of tissue examinedand wavelength of the radiation used. The radiation sources become tooadditionally modulated and / or pulsed.

Im Gegensatz zu bisherigen Oximetern kann die erfindungsgemäße flexibel ein­setzbare Vorrichtung während der Messung von der behandelnden Person in der Hand gehalten werden und bedarf keiner Fixierung am Körper des Patienten. Auf diese Weise wird es möglich, ein Körperteil in kurzen zeitlichen und räumlichen Abständen abzutasten (zu scannen). Daher kann die erfindungsgemäße Vorrich­tung zu Recht die Oxiscanner bezeichnet werden. Eine Bewertung der so an ver­schiedenen Körperstellen ermittelten Durchblutung ermöglicht im Vergleich un­tereinander die Lokalisierung von Veränderungen blutführenden Gewebes. Auf diese Weise können z. B. Blockaden im Blutstrom festgestellt werden, wie sie un­ter anderem für Arteriosklerose typisch sind. Die flexible Verwendbarkeit ermög­licht es auch, Körperstellen zu untersuchen, die für eine Fixierung zu empfindlich sind, wie zu Beispiel Entzündungen oder Weichteile. Weiterhin ist die Erfindung geeignet, Prozesse zu lokalisieren, die mit einer Erhöhtem oder Verminderten Durchblutung einher gehen, wie zum Beispiel krankhafte Veränderungen des Ge­webes wie z. B. Entzündungen oder Tumore.In contrast to previous oximeters, the invention can be flexiblesettable device during the measurement by the treating person in theHand held and does not require fixation on the patient's body. OnThis way it becomes possible to have a body part in short time and spaceTo scan distances. Therefore, the device according to the inventionrightly called the Oxi scanners. An evaluation of the so verblood circulation determined in different parts of the body enables unthe localization of changes in blood-carrying tissue. Onthis way z. B. blockages in the bloodstream are found as they unter are typical of arteriosclerosis. The flexible usability enablesIt is also easy to examine parts of the body that are too sensitive for fixation such as inflammation or soft tissues. Furthermore, the inventionapt to localize processes associated with an increased or decreasedBlood circulation is associated, such as pathological changes in the Gewebes such as B. inflammation or tumors.

Der flexible Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erst durch die Ver­wendung eines modifizierten Lock-in Verstärkers zur Signalerkennung und -verarbeitung mit einer gemäß dem Stand der Technik sehr hohen Empfindlich­keit, bei einer gleichzeitigen Verbesserung der zugehörigen Meßgeschwindigkeit und Kanaltrennung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik ermöglicht.The flexible use of the device according to the invention is only by the VerUse of a modified lock-in amplifier for signal detection andprocessing with a very high sensitivity according to the prior artspeed, with a simultaneous improvement of the associated measuring speedand channel separation compared to the prior art.

In einer bevorzugten Ausführungsart werden die drei verschiedene Wellenlängen mittels entsprechender gegebenenfalls auch mehrfarbiger LEDs erzeugt.In a preferred embodiment, the three different wavelengthsgenerated by means of appropriate multicolored LEDs.

In einer anderen Ausführungsart können anstelle der LEDs auch Laserdioden oder beliebige andere geeignete Lichtquellen eingesetzt werden.In another embodiment, laser diodes orany other suitable light sources can be used.

In einer weiteren Ausführungsart sind die Mittel zur Emission besagter Wellen­längen und die entsprechenden Mittel zum Empfang an und/oder innerhalb des zu untersuchenden Körpers reflektierter und/oder transmittierter Anteile beweglich zueinander angeordnet, so daß beispielsweise ihr Abstand als physikalischer Pa­rameter verändert werden kann.In a further embodiment, the means for emitting said waves arelength and the appropriate means of reception at and / or within theexamining body of reflected and / or transmitted parts movablearranged to each other so that, for example, their distance as a physical Parameter can be changed.

Claims (6)

Translated fromGerman

1. Vorrichtung zum Flexiblen Einsatz zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts, der Durchblutung und des Pulses mittels optischer Messungen, wie sie in der Oxime­trie üblich sind, zur Speicherung der Werte und zur Anzeige der aktuellen Werte,dadurch gekennzeichnet, daß

• - Mittel zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, die auf lebendes Gewebe gerichtet ist, vorhanden sind sowie
• - Mittel zum Empfang reflektierter und/oder transmittierter Anteile der zuvor erzeugten Strahlung aus dem lebenden Gewebe heraus,
• - Mittel zur Signalerkennung und -verarbeitung
• - Mittel zur Berechnung und Überwachung von Sauerstoffgehalt, Durchblutung, und Puls aus gemessenen elektromagnetischen Signalen und
• - Mittel zur Bewertung der Meßergebnisse hinsichtlich von Veränderungen der Durchblutung blutführenden Gewebes.

1. A device for flexible use for determining the oxygen content, the blood flow and the pulse by means of optical measurements, as are usual in oxime trie, for storing the values and for displaying the current values,characterized in that

• - Means for generating electromagnetic radiation, which is directed to living tissue, are present and
• Means for receiving reflected and / or transmitted portions of the previously generated radiation from the living tissue,
• - Means for signal detection and processing
• - Means for the calculation and monitoring of oxygen content, blood flow, and pulse from measured electromagnetic signals and
• - Means for evaluating the measurement results with regard to changes in the blood flow to blood-carrying tissue.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Mittel zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eine oder mehrere Lichtquellen sind, beispielsweise LEDs oder Laserdioden.2. Device according to claim 1, characterized in that said meansone or more light sources for generating electromagnetic radiationare, for example LEDs or laser diodes.3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Lichtquellen in der Lage sind verschiedene Wellenlängen gepulst und/oder mo­duliert zu emittieren.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that saidLight sources are capable of pulsing different wavelengths and / or moimposed to emit.4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Lichtquellen und besagte Mittel zum Empfang reflektierter und/oder transmittierter Anteile beweglich zueinander angeordnet sind, so daß beispiels­weise ihr Abstand als physikalischer Parameter verändert werden kann.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in thatsaid light sources and said means for receiving reflected and / orTransmitted parts are arranged to be movable relative to each other, so that for exampleas their distance can be changed as a physical parameter.5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Mittel zur Signalerkennung und -verarbeitung einen modifizierten Lock- in Verstärker beinhalten, der eine sehr hohe Empfindlichkeit bei verbesserter Meßgeschwindigkeit und Kanaltrennung besitzt.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in thatsaid means for signal detection and processing a modified lock included in amplifiers that have a very high sensitivity with improvedHas measuring speed and channel separation.6. Verfahren zur mobilen, ambulanten Lokalisierung verschiedener Durchblu­tungszustände, der Sauerstoffsättigung und des Pulses in blutführendem Gewebe, insbesondere zur Erkennung und Lokalisierung von Entzündungen Tumoren und/oder Arteriosklerose, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein in der Hand zu haltender Sensor, der keiner Fixierung am Körper bedarf, die Durchblutung mittels oximetrischer Verfahren und einer Signalerkennung und -verarbeitung, die bei sehr hoher Empfindlichkeit hinsichtlich der Meßge­schwindigkeit und Kanaltrennung verbessert sind mißt, daß
• - auf diese Weise ein zu untersuchendes Medium, beispielsweise ein Körperteil, in kurzen zeitlichen und räumlichen Abständen optisch abgetastet, d. h. effek­tiv gescannt, werden kann, und daß
• - aus den Änderungen der Meßwerte an verschiedenen Körperstellen Informa­tionen über Veränderungen der Durchblutung abgeleitet werden, die bei­spielsweise für Entzündungen, Tumore oder auch Arteriosklerose typisch sind.

6. A method for mobile, outpatient localization of various blood flow conditions, oxygen saturation and the pulse in blood-bearing tissue, in particular for the detection and localization of inflammation, tumors and / or arteriosclerosis, characterized in that

• - A hand-held sensor that does not require any fixation on the body, the blood flow by means of oximetric methods and signal detection and processing, which are improved with very high sensitivity to the Meßge speed and channel separation that
• - In this way, a medium to be examined, for example a body part, optically scanned in short time and spatial intervals, ie effectively scanned, and that
• - From the changes in the measured values at different parts of the body, information about changes in the blood flow can be derived, which are typical for inflammation, tumors or arteriosclerosis.