DE4442260C2 - Verfahren und Anordnung zur nicht invasiven in vivo Bestimmung der Sauerstoffsättigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur nicht invasiven in vivo Bestimmung der Sauerstoff­ sättigung in menschlichen Gefäßen und Organen mit einem Meßsensor mit mindestens zwei Lichtquellen unterschied­ licher Wellenlängen - vorzugsweise von 660 nm und 940­nm - und mit mindestens einem Empfänger, der das von den an Hämoglobin gebundenen Sauerstoffpartikeln in dem angestrahlten Gefäß oder Organ transmittierte und re­ flektierte Licht aufnimmt und als elektrisches Signal an ein Pulsoximeter zur Auswertung des Meßergebnisses und Ausgabe auf einer Anzeigevorrichtung weiterleitet.

Es ist beispielsweise aus der IEEE Transactions an Biomedical Engineering, 1977, Vol. BME-24, Nr. 2, S. 195, 197 "A Proposed Miniature Red/Infrared Oximeter Suitable for Mounting an a Catheter Tip", Sinclair YEE, Eugen SCHIBLI, Vedavalli KRISHNAN bekannt, den Sauer­ stoffgehalt im Blut menschlicher Gefäße mittels Puls­ oximetrie zu bestimmen. Hierzu werden in der Regel zwei Lichtquellen, die vorzugsweise Licht der Wellenlänge von 660 nm (roter Bereich) und 940 nm (infraroter Bereich) emittieren, z. B. Dioden, und ein Empfänger benutzt, der die ausgestrahlten und vom Gewebe reflek­ tierten oder transmittierten Lichtwellen aufnimmt. Das vom Empfänger, z. B. einem Fotodetektor, aufgenommene Licht wird als elektrisches Signal an ein Pulsoximeter weitergeleitet. Das Pulsoximeter wertet diese Signale aus und zeigt einen dem vorliegenden Sauerstoffgehalt proportionalen Meßwert an eine mit dem Pulsoximeter verbundenen Anzeigevorrichtung an.

Um an die Meßstelle gelangen zu können, werden Katheter über künstliche und natürliche Körperöffnungen an den Meßort gebracht. Im Katheter sind Lichtleiter für die Lichtquellen und den Empfänger vorgesehen, die jeweils am distalen Ende des Katheters enden.

Bei der Rechtsherzkathetermessung, z. B. nach einem Herzinfarkt, muß die Herzfunktion überwacht werden.

Hierzu wird wegen der großen Durchmesser der Katheter eine der großen Venen (Vena Subclavia/Vena Jugularis) entsprechend der Technik nach Seldinger punktiert. Über diesen künstlichen Zugang wird ein Ballonkatheter mit dem Blutstrom eingeschwemmt (Swan-Ganz-Katheter). Beim Arbeiten entgegen den Blutstrom sind hierzu bekannte Techniken zu verwenden.

Während der Punktion und des Vorschubes in den Gefäßen kommt es zu Beschädigungen oder Perforation der Gefäß­ wand insbesondere bei Verzweigungen und Krümmungen sowie latent entlang der Gefäßwandung. Ferner droht durch das Bewegen des Katheters eine mechanisch verursachte Loslösung von Ablagerungen an Gefäßwänden, die zu Thrombosen und Embolien führen können.

Zusätzlich treten Herzreizungen auf, die Herzrhythmus­ störungen und bei Kontakt des Katheters mit der Herz­ muskulatur Kammerflimmern auslösen können, das auch bei großer Sorgfalt mitunter nicht therapeutisch beherrsch­ bar ist. Zur Abwendung eines dann drohenden Herzver­ sagens werden dem so vital bedrohten Patienten durch Einsatz eines Defibrillators Elektroschocks verab­ reicht, die neben den vegetativ nachteiligen Auswir­ kungen starke körperliche Belastungen bedingen.

Für die Messung selbst ist es erforderlich, daß die Katheterlage während der Messung nicht durch Bewegungen gestört wird, um eine Verfälschung des Meßergebnisses auszuschließen und um eine reproduzierbare Messung zu gewährleisten. Gerade aber in der Nähe des schlagenden Herzens kommt es bei dieser Methode zu unerwünschten Verfälschungen des Meßergebnisses, da sich durch die aus der Herztätigkeit resultierenden starken Druck­ schwankungen der Katheter während der Messung nicht ruhig halten läßt. Eine Reproduzierbarkeit für Ver­ gleichsmessungen ist daher ebenfalls schwer erzielbar. Die Lokalisierung des Katheters an der Meßstelle er­ folgt unter Röntgenbelastung oder in der Weise, daß über im Katheter vorhandene Lumen der Blutdruck mittels extrakorporaler Druckwandler gemessen wird. Anhand der so gewonnenen Druckkurven und deren richtiger Interpre­ tation läßt sich die Lage des Katheters bestimmen. Dieses Verfahren ist aufwendig und erfordert viel Erfahrung.

Zwar könnte der Katheter mit dem Meßsensor für die Messung auch durch den Ösophagus in die Nähe der Pulmonalarterie gebracht werden, hierbei ist jedoch eine Lokalisierung der Pulmonalarterie mit der not­ wendigen Genauigkeit praktisch unmöglich, da dem behandelndem Arzt Anhaltspunkte fehlen, an welcher der dort zahlreich vorhandenen, sauerstoffreiches Blut führenden Arterien der Sauerstoffgehalt tatsächlich gemessen wird. Demnach ist es nicht gewährleistet, daß die Messung tatsächlich an der Pulmonalarterie durch­ geführt wird. Ein derartes Messergebnis erlaubt es dem behandelnden Arzt nicht, zweifelsfreie Diagnostik und entsprechend fundierte Therapie zu betreiben.

Vergleiche mit anderen Meßergebnissen unter Benutzung medizinischer Erfahrungswerte sind daher ebenfalls nicht durchführbar.

Eine äußerliche Messung des Sauerstoffgehalts von tiefer gelegenen Gefäßen und Organen ist mit bekannten Messensoren zur Zeit nicht durchführbar.

Für eine Anordnung, die es erlaubt unter Verzicht auf risikoreiche arterielle oder venöse Zugänge den Sauer­ stoffgehalt von Gefäßen, insbesondere der Pulmunal­ arterie sowie tiefer liegende Gefäße oder Organe zweifelsfrei zu identifizieren und den Sauerstoffgehalt des ausgewählten Gefäßes zu messen, besteht erheblicher Bedarf.

Hier abzuhelfen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gemäß der ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen sind, die das Messen des Sauerstoffgehaltes in Gefäßen ermöglichen, ohne einen invasiven Eingriff (Punktion) am Patienten vornehmen zu müssen, wobei der Bereich des Meßortes des für die Messung auszuwählenden Gefäßes mit der gesamten Anordnung risikoarm, reproduzierbar und sicher lokalisierbar und die Meßstelle auf einer Anzeigevorrichtung darstellbar sind.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst.

Zur Lokalisierung eines auswählbaren Gefäßes oder Organs ist dem Meßsensor ein weiterer Meßsensor zugeordnet und beide Meßsensoren sind als eine gemein­ sam handhabbare Baueinheit ausgebildet.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist dem Meßsensor zur Lokalisierung ein Ultraschallwellen aussendender Sonographie-Sender-/Empfänger zugeordnet, verlaufen die emittierten Ultraschallwellen und die Lichtwellen der Lichtquellen im wesentlichen in gleicher Richtung, und sind der Meßsensor und der Sonographie-Sender/-Empfänger zu einem, eine Sensor­ einheit bildenden Katheter zusammengefaßt.

Hierdurch wird der Meßsensor mit einem Ultraschallwellen aussendenden Sonographie-Sender/- Empfänger kombiniert, so daß ein genaues Positionieren nach dem Einführen der Meßanordnung durch den Mund und Rachen in die Speiseröhre möglich ist.

Ein weiterer Vorteil des Ultraschallwellen aussendenden Sonographie-Sender/-Empfänger ausgestatteten Meßsensors ist die unverfälschte Reproduzierbarkeit der Meßergeb­ nisse, da mittels der Ultraschallwellen aussendenden Sonde die Meßstelle eindeutig lokalisierbar ist und dadurch alle Messungen ausschließlich von dem tatsäch­ lichen Sauerstoffgehalt im Blut des angestrahlten Ge­ fäßes oder Organs des Patienten abhängen und das Meßer­ gebnis nicht von der Auswahl falscher Meßstellen beein­ flußt wird. Die erfindungsgemäße Anordnung gewährlei­ stet zudem auch eine Überwachung der Meßstelle während der Messung.

Nachteilige Störungen für die Messung des Sauerstoff­ gehaltes im gewünschten Gefäß oder Organ aufgrund von Herzschlägen oder Blutströmungen sind weitgehend ausge­ schlossen. Befindet sich die Anordnung während der Mes­ sung z. B. im ösophagus treten Verfälschung des Meßer­ gebnisses nicht auf, da sogenannte Bewegungsartefakte reduziert sind.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtquellen und der Empfänger lösbar mit dem Sonographie-Sender/-Empfänger verbunden, oder ist der Sonographie-Sender/-Empfänger mit den Lichtquellen und dem Empfänger fest verbunden und am distalen Ende des den Pulsoximetriesensor tragenden Katheters integriert.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand drei in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Meßsensor zur intra­ ösophagealen Anwendung,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 1 mit zwei Licht emittierenden Dioden, einem Empfänger und einem übergestülpten Sono­ graphie-Sender/-Empfänger, die dem gemein­ samen distalen Ende eines Katheters zuge­ ordnet sind, und

Fig. 3 einen Schnitt durch ein drittes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 1 mit gleichen Bauteilen wie nach Fig. 1, jedoch in den Meßsensor und den Sono­ graphie-Sender/-Empfänger umfassender integraler Bauweise am distalen Ende des Katheters.

In Fig. 1 ist ein in der Medizintechnik an sich bekannter flexibler Katheter 5 dargestellt, der mit einem noch zu beschreibenden Meßsensor MS versehen und der in einem in die menschliche Speiseröhre 20 eingeführten Zustand gezeigt ist. Der Meßsensor MS ist hier nur schematisch dargestellt und befindet sich in der abgebildeten Position an einer intraösophagealen Meßstelle 21.

In dem Katheter 5 sind an sich bekannte, hier nicht dargestellte Mittel angeordnet, mit der das distale Ende des Katheters 5 beim Einführen des Katheters in die Speiseröhre 20 eines Menschen von außen durch einen behandelnden Arzt zur Bestimmung des z. B. in der Pulmonalarterie herrschenden Sauerstoffgehaltes führ- und positionierbar ist.

Der Katheter 5 weist, wie Fig. 2 zeigt, am distalen Ende mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen emmittierende Fotodioden 9 und 10 auf. Vorzugsweise strahlt die Fotodiode 9 Licht mit der Wellenlänge von 660 nm (roter Bereich) und die Fotodiode 10 Licht mit der Wellenlänge von 940 nm (infraroter Bereich) aus. Diese unterschiedlichen Lichtquellen werden durch hier nicht dargestellte in einem Pulsoximeter 15 angeordnete Schaltmittel gleichzeitig oder wechselweise in vorbe­ stimmtem Zeitabstand aktiviert.

Mindestens ein Empfänger 11, der ebenfalls am distalen Ende des Katheters 5 angeordnet ist, nimmt das von dem angestrahlten Gefäß oder Organ reflektierte Licht auf und leitet das Lichtsignal als entsprechendes elektri­ sches Signal über in dem Katheter 5 untergebrachte Leitungen an den Pulsoximeter 15 nach außen weiter. Im Pulsoximeter 15 werden dann in bekannter Weise aus die­ sen Signalen zur an der Meßstelle im Gefäß vorliegenden Sauerstoffgehalt proportionale Meßwerte errechnet und auf einer Anzeigevorrichtung 19 angezeigt.

Bekanntlich wird das emittierte Licht abhängig vom Sauerstoffgehalt der im das Gefäß durchströmenden Blut enthaltenen Hämoglobinpartikel unterschiedlich stark absorbiert. Hämoglobinpartikel sind entweder mit Sauerstoff oxigeniert oder sauerstoffarm.

Werden also die im Blut auftretenden Hämoglobinpartikel mit zwei oder mehreren unterschiedlichen, abwechselnd oder gleichzeitig von einander ausgesandten Frequenzen angestrahlt, so absorbieren die Hämoglobinpartikel die unterschiedlichen Lichtwellenlängen je nach dem vorlie­ genden Sauerstoffgehalt verschieden, und es entsteht eine meßbare Absorptionsdifferenz über die die Sauerstoffsättigung des Blutes am Meßort berechnet werden kann.

Dem distalen Ende des Katheters 5 ist - wie Fig. 2 zeigt - ein Sonographie-Sender/-Empfänger DS zugeord­ net, die als abnehmbare Einheit 14 mit dem aus geeig­ netem Trägermaterial ausgebildeten distalen Ende des Katheters 5 lösbar verbunden ist. Die Verbindung der abnehmbaren Einheit 14 und dem distalen Ende des Katheters 5 erfolgt mittels federnder, am Katheter oder der Einheit 14 angebrachter, die Einheit 14 haltenden Klemmbleche 16, die im verbundenen Zustand eine feste, aber lösbare Verbindung gewährleisten. Der Sonographie- Sender/-Empfänger DS ist derart im Bereich des distalen Endes des Katheters angeordnet, daß die Strahlung radial emittiert wird.

Über den Sonographie-Sender/-Empfänger DS erfolgt beim Einführen in eine natürliche Körperöffnung - z. B. in den ösophagus 20 - die Positionierung des Pulsoxime­ triesensors MS. Über den Sonographie Sender/-Empfänger DS wird der Meßort, an dem die Messung vorgesehen ist, ausgewählt und dann die Sauerstoffsättigung durch den Pulsoximetersensor MS im Bereich des Meßortes aufgenom­ men und an der Anzeigevorrichtung visualisiert. Der Meßort kann hierbei sowohl ein blutführendes Gefäß, als auch ein Organ sein.

Die von dem Sonographie-Sender/-Empfänger DS ausgesand­ ten Ultraschallwellen verlaufen infolge der radialen Ausrichtung in gleicher Richtung zu den Achsen der Emissions-Maxima der Fotodioden 9 und 10.

Die Reflexionssignale des Sonographie-Senders/- Empfängers DS werden in bekannter Weise durch den Katheter 5 nach außen an ein Sonographiegerät 17 übermittelt, so daß auch während der eigentlichen Messung des Sauerstoffgehaltes in einem Gefäß oder Organ die Ultraschallwellen ein Signal liefern, das auf dem nicht gezeigten Monitor des Sonographiegerätes darstellbar ist. Ein behandelnder Arzt kann durch Beobachten des visualisierten Meßsignals von außen permanent sicherstellen, daß die Meßposition während der Messung beibehalten wird.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 zeigt ebenfalls einen Meßsensor MS und einen Sonographie-Sender/- Empfänger DS am distalen Ende eines Katheters 5. Unterschiedlich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist, daß der Sonographie-Sender/-Empfänger DS in dem distalen Ende des Katheters 5 integriert, also mit dem Katheter 5 fest verbunden ist.

Die Lokalisierung einer Meßstelle kann auch mit Hilfe von Differenzdruckspectren einer Druckmeßsonde erfol­ gen, die anstelle eines Sonographie-Sender-/Empfängers mit dem Meßsensor der Sensoreinheit verbunden ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur nichtinvasiven in vivo Bestimmung der Sauerstoffsättigung in menschlichen Gefäßen und Organen, bei dem

• a) ein Meßsensor (MS) mit mindestens zwei Lichtquellen (9, 10) unterschiedlicher Wellenlängen und mindestens einem Empfänger (11) bei einem vorbestimmten Gefäß oder Organ angeordnet wird,
• b) die Lokalisierung des vorbestimmten Ge­ fäßes oder Organs durch einen weiteren Meßsensor (DS), der mit dem Meßsensor (MS) zu einer gemeinsam handhabbaren Baueinheit ausgebildet ist, durchgeführt wird,
• c) die Lichtquellen (9, 10) des Meßsensors (MS) so ausgerichtet werden, daß sie Licht auf das durch den weiteren Meßsensor lokalisierte Gefäß/Organ strahlen, und
• d) der Empfänger (11) das von den an Hämoglobin gebundenen Sauerstoffpartikeln in dem angestrahlten Gefäß oder Organ transmittierte und von dem umgebenden Gewebe reflektierte Licht aufnimmt und als elektrisches Signal an einen Pulsoximeter (15) zur Auswertung des Meßergebnisses und zur Ausgabe auf einer Anzeigevorrichtung (19) weiterleitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als weiterer Meßsensor (DS) ein Ultra­ schallwellen aussendender Sonographie-Sender/­ -empfänger (DS) verwendet wird, und daß die emittierten Ultraschallwellen und die Lichtwel­ len der Lichtquellen (Dioden 9, 10) im wesent­ lichen in gleicher Richtung ausgesendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wellenlängen der Licht­ quellen 660 nm und 940 nm betragen.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Meßsensor (MS) mit mindestens zwei Lichtquellen (9, 10) und mindestens einem Empfänger (11), sowie einem weiteren Meßsensor (DS) zur Lokali­ sierung des Gefäßes oder Organs, der mit dem Meßsensor (MS) zu einer gemeinsam handhabbaren Baueinheit ausgebildet ist, wobei der Empfänger (11) mit einem Pulsoximeter (15) und dieser mit einer Anzeigevorrichtung (19) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit Teil eines Katheters ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßsensor (MS) und der weitere Meßsensor (DS) lösbar miteinander ver­ bunden sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der weitere Meßsensor (DS) und der Meßsensor (MS) eine auf einen Katheter auf­ steckbare Baueinheit bilden.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der weitere Meßsensor (DS) und der Meßsensor (MS) eine in das distale Ende des Katheters integrierte Einheit bilden.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß in dem Katheter (5) Mittel zur Ausrichtung der Strahlungsachsen des Meßsensors (MS) und/oder des weiteren Meßsen­ sors (DS) angeordnet sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsensor (MS) zur Lokalisierung des Meßortes als Druckauf­ nehmer ausgebildet ist.