DE69432421T2

DE69432421T2 - Oximetrie-sensor in form eines fingerlings

Info

Publication number: DE69432421T2
Application number: DE69432421T
Authority: DE
Inventors: Brendan Branigan; Esmaiel Kiani-Azarbayjany
Original assignee: Masimo Corp
Current assignee: Masimo Corp
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2014-07-14
Also published as: AU688352B2; WO1995002358A1; JPH09506786A; CA2166069A1; EP0723417A4; AU7361394A; US5452717A; EP0723417A1; DE69432421D1; CN1098053C; CN1141585A; EP0723417B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Oximetrie-Sensor, der über einen billigen Wegwerf-Fingerling unverklebt an einem menschlichen Endglied (beispielsweise einem Finger) angebracht wird, um das Blut eines Patienten durch Berechnen der Konzentration an Blutbestandteilen (beispielsweise des Sauerstoff-Sättigungsgrades im Blut des Patienten) bei gleichzeitiger Minimierung eventuell störender rauschinduzierter Artefaktsignale zu analysieren.
Elektromagnetische Energie wird oft durch ein Medium geleitet bzw. reflektiert, um seine Merkmale zu bestimmen. Anstelle einer Entnahme von Gewebematerial aus dem Körper eines Patienten zu Testzwecken kann in der Medizin zur Erlangung von Informationen über die Gewebebeschaffenheit optische Energie durch menschliches Gewebe gesandt bzw. reflektiert und anschließend gemessen werden. Diese Form der nicht invasiven Messung ist schnell und einfach durchführbar und hat sich als für den Patienten angenehmer erwiesen.
Bei der Behandlung eines Patienten ist oft eine nicht invasive physiologische Überwachung von Körperfunktionen erforderlich. So wird der verfügbare Sauerstoffvorrat im Körper (d. h. die Sauerstoffsättigung des Bluts) im Verlaufe chirurgischer Eingriffe häufig überwacht. Heute wird diese Messung in aller Regel im Wege einer nicht invasiven Technik durchgeführt, bei welcher das Verhältnis zwischen dem Einfallslicht und dem durch einen durchbluteten Körperteil wie einen Finger, ein Ohrläppchen oder die Stirn zu schickenden bzw. von diesem zu reflektierenden Licht gemessen wird.
Die Übertragung optischer Energie ist beim Durchgang durch den Körper von mehreren Faktoren stark beeinträchtigt. Zu diesen Faktoren gehören die Dicke des Gewebes, durch das die Energie hindurchgeht, die optische Kopplung, der optische Winkel und der Abstand zwischen dem Detektor und der Energiequelle (d. h. die optische Weglänge).
Einige Teile des menschlichen Körpers sind weich und zusammendrückbar und damit in idealer Weise für die Übertragung optischer Energie geeignet. So besteht ein menschliches Endglied wie ein Finger aus Haut, Muskel, Gewebe, Knochen, Blut usw. Wenngleich der Knochen relativ unkomprimierbar ist, lässt sich doch beim Aufbringen äußeren Drucks auf den Finger das den Knochen umgebende Gewebe leicht zusammendrücken. Damit sind solche Teile des Körpers für die Transillumination oder Transreflexion optischer Energie zu Blutüberwachungszwecken bestens geeignet.
Optische Sensoren sind in der Vergangenheit für sowohl invasive als auch nicht invasive Einsatzzwecke benutzt worden. Bei einem typischen optischen Sensor wird eine Leuchtdiode (LED) auf einer und ein Fotodetektor auf der anderen Seite des menschlichen Gewebes angeordnet. Diese konventionellen optischen Sensoren sind in der Hauptsache bei einem relativ bewegungslosen Patienten sowie in lichtdunklen Umgebungen zweckdienlich.
Als besonderes Beispiel ist eine einen optischen Sensor benutzende und in der Krankenbetreuung eingesetzte allgemein bekannte nicht invasive Messeinrichtung das Pulsoximeter, welcher die Pulsfrequenz und den verfügbaren prozentualen Sauerstoffgehalt in einem arteriellen Blutgefäß misst. Bis Anfang der Achtziger Jahre vertrauten die Kliniker auf die arterielle Blutgasanalyse zur Beurteilung des Gasaustauschs und des Sauerstofftransports im menschlichen Körper. Wenngleich der arterielle Blutgastest wertvolle Informationen liefert, gibt er doch nur den Sauerstoffsättigungsstatus eines Patienten zu einem einzigen Zeitpunkt wieder. Anderer seits ermöglicht die Pulsoximetrie eine kontinuierliche nicht invasive Messung des arteriellen Sauerstoffsättigungsstatus eines Patienten.
Die Oximetrie basiert auf dem Prinzip, dass das Hämoglobin des Blutes beim Transport von Sauerstoff in Form von Oxyhämoglobin Rot- und Infrarotlicht anders absorbiert als beim Nichtführen von Sauerstoff, d. h. beim Vorliegen von reduziertem Hämoglobin. Die oximetrischen Sensoren nach dem Stand der Technik erfassen den Grad der Absorption optischer Energie durch das Hämoglobin zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes, d. h. der Menge des vom Hämoglobin transportierten Sauerstoffs im Verhältnis zur totalen Hämoglobin-Transportkapazität.
Aus diesem Grunde weist ein oximetrischer Sensor nach dem Stand der Technik üblicherweise einen Fotodetektor und ein Paar sowohl Rot- als auch Infrarotlicht emittierender Leuchtdioden auf. Der Sensor ist so aufgebaut, dass Leuchtdioden und Fotodetektor auf gegenüberliegenden Seiten einer gefäßreichen Region angeordnet sind, die im Falle der Transillumination für gewöhnlich ein Finger, ein Ohrläppchen oder ein Zeh ist. Im Reflexionsfall sind Leuchtdioden und Fotodetektor zwar Seite an Seite auf einem gefäßreichen Körperabschnitt, normalerweise der Stirn, angeordnet, jedoch durch eine Sperre voneinander getrennt, die das Licht darin hindert, vor dem Durchgang durch die Gewebeprobe zum Detektor zu gelangen. Bei ordnungsgemäßer Anordnung emittieren die Leuchtdioden Rot- und Infrarotlicht in bekannten Wellenlängen zur Transmission bzw. Transreflexion durch die gefäßreiche Region hindurch und zum Empfang durch den Fotodetektor.
Der Fotodetektor erzeugt als Antwort auf durch den gefäßreichen Abschnitt zum Detektor gelangende nichtabsorbierte Licht ein Signal. Dieses Signal wird auf konventionelle Weise in eine digitale Form umgewandelt und anschließend einem Rechner oder Mikroprozessor zugeleitet, der das Verhältnis der Rot- zur Infrarotlichtabsorption errechnet. Die Ab sorptionsdaten werden sodann zur Bestimmung der Sättigungswerte des arteriellen Blutsauerstoffs herangezogen, die anschließend auf einen Monitor oder einen Diagrammstreifen ausgegeben werden. Da das in den gefäßreichen Abschnitt gerichtete Licht ebenfalls wenigstens teilweise von dem naheliegenden Gewebe- und Knochenmaterial absorbiert wird, benutzt das Oximeter normalerweise die von arteriellen Pulsationen verursachten alternierenden Hell- und Dunkelsignale, um das Vorhandensein von sowohl Hämeglobin als auch Oxyhämoglobin wie auf diesem Fachgebiet bekannt weiter zu klären.
Die früheren Pulsoximeter ermöglichen dem behandelnden Arzt die Feststellung von Veränderungen der arteriellen Sauerstoffsättigung eines Patienten von einer Sekunde zur nächsten. Hierdurch kann interveniert werden, bevor eine Hypoxämie (die durch Sauerstoffmangel im Blut verursacht wird und zu Hirnschäden oder sogar zum Tod führen kann) eintritt. Weiter vermag der behandelnde Arzt das Ansprechen des Patienten auf die Behandlung auf kontinuierlicher Basis zu beurteilen.
Die anfänglich im Operationssaal eingesetzte Pulsoximetrie wird in einem immer größeren Maße auch in anderen Krankenhausbereichen, einschließlich Notaufnahmen, Erwachsenen- und Neugeborenen-Intensivstationen sowie Aufwachräumen, angewandt. Es wird erwartet, dass Pulsoximeter ihren Weg auch in die Allgemein-Krankenstationen finden und sogar außerhalb des Krankenhauses durch medizinische Nothelfer und Privatärzte zum Einsatz kommen werden. Und genau in diesen Neubereichen haben sich die konventionellen optischen Sensoren wegen der Bewegung der Patienten und wegen der relativ geräuschbelasteten Umgebungen, in denen sie benutzt werden, als unzureichend erwiesen.
Ein konventioneller optischer Sensor zur geklebten Befestigung auf dem Finger eines Patienten ist in dem am 16. Mai 1989 erteilten US Patent Nr. 4 830 014 von Goodman et al beschrieben. Vor seiner Anwendung weist der Sensor eine fla the „I"-Form und eine über eine ganze Seite hinweg verlaufende Kleberschicht auf. Die Sensorfläche, welche die gekrümmte Oberfläche des Fingers abdecken soll, ist in der Weise verengt, dass an der Fingerspitze eine geringere Stabilität vorhanden ist. Der Sensor weist eine komplexe Schichtstruktur aus mehreren nebeneinanderliegenden und durch zwischen diesen befindlichen Kleberschichten verbundenen Lagen auf. Die erste Schicht ist mit Öffnungen versehen, über die eine Lichtquelle und ein optischer Detektor miteinander in Verbindung stehen. Eine weitere Schicht liegt fest am Finger des Patienten an. Damit bewegt sich der Sensor mit dem Finger. Bei dieser Sensor-Ausführung müssen weiterhin Lichtquelle und Detektor genau auf die zugeordneten Öffnungen ausgerichtet sein, um sicherzustellen, dass Licht durch die Öffnungen sowie zwischen Quelle und Detektor gelangen kann.
Optische Sensoren nach dem Stand der Technik, beispielsweise der von Goodman offenbarte Sensor, sind mit mehreren Nachteilen behaftet. So besteht beispielsweise bei mit der Haut des Patienten verklebte Sensoren das Risiko, dass sie sich bei einer zufälligen Bewegung des Fingers des Patienten leicht ablösen können. Das bedeutet, dass durch eine gelegentliche Bewegung des Fingers normalerweise die Haut auf einer Fingerseite unter Zug und die Haut auf der anderen Fingerseite unter Druck gesetzt wird. Quelle und Detektor, die auf der Haut auf gegenüberliegenden Seiten des Fingers befestigt sind, werden somit bewegt, wenn die Haut auf Zug bzw. Druck beansprucht wird, und es kann eine solche Bewegung zu einer Fehlfluchtung zwischen Quelle und Detektor führen bzw. den Strahlungswinkel zwischen Quelle und Detektor verändern. Darüber hinaus kann die Bewegung die optische Weglänge zwischen der Quelle und dem Detektor verändern. Dies hat zur Folge, dass die Fehlausrichtung bzw. Vergrößerung der Weglänge bewegungsinduzierte Artefaktsignale erzeugt, die unvorhersehbar und damit nicht kompensierbar sind, und die dementsprechend bewirken, dass das Ausgangssignal vom Detektor schwer zu interpretieren und für die transilluminierte oder transreflektierte Lichtmenge keine Aussagekraft besitzen.
Ein weiterer vorbekannter optischer Sensor ist in dem am 30. Juni 1992 erteilten US Patent Nr. 5 125 403 von Culp beschrieben. Ein in seinem Inneren teilweise gefalteter Gewebeschlauch dient der Befestigung einer seitlich verfaltbaren Lichtquellen- und Detektoranordnung auf der Fingerspitze des Patienten. Der Finger greift in die seitenverfaltbare Anordnung ein und drückt diese in den Gewebeschlauch, wodurch der Schlauch von innen nach außen zu gleiten beginnt. Der Gewebeschlauch ist jedoch instabil, so dass die Tendenz einer Umkehrung dieser von innen nach außen gerichteten Bewegung gegeben ist. Weiter kann die seitenfaltbare Anordnung von der Fingerspitze abrutschen, so dass die gesamte Anordnung nachgefaltet und neu auf den Finger plaziert werden muss. Auch kann durch Krümmen des Fingers eine Ablösung verursacht werden und wirkt das Gewebe nicht in einem ausreichenden Maße dahingehend, dass der Finger nach dem Krümmen wieder geradegestellt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen rauscharmen Oximetrie-Sensor in Form eines Fingerlings. Dieser Sensor in Form eines Fingerlings wird unverklebt an einem menschlichen Endglied (beispielsweise auf einem Finger) so befestigt, dass das Endglied im Wesentlichen unverformt bleibt, wenn der Patient bzw. die Patientin den Finger leicht bewegt. Vorteilhafterweise werden hierdurch die Nachteile konventioneller optischer Sensoren vermieden, die geklebt auf einem Finger befestigt werden und wie vorbeschrieben auf unerwünschte Weise verschoben werden können und zur Ablösung der optischen Quelle relativ zum Detektor führen, wenn der Patient das betreffende Endglied bewegt. Aufgrund der unverklebten Verbindung zwischen dem Oximetrie-Sensor und dem Endglied wird der optische Weg aufrechterhalten und die Winkel verschiebung des Detektors relativ zum Sensor reduziert. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Analysieren wenigstens eines charakteristischen Gewebemerkmals wie in Anspruch 23 definiert.
Es folgt eine Beschreibung der Erfindung mit Bezug auf Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen, die der Veranschaulichung dienen und die Erfindung nicht einschränken.
Es zeigen:
1 bis 3 einen konventionellen Oximetrie-Sensor;
4 eine Vorderansicht eines Sensors in Form eines Fingerlings nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Seitenansicht des Sensors in Form eines Fingerlings gemäß 4 in Richtung der Linie 5-5 gesehen;
6 und 7 schematische Darstellungen der einzelnen Schritte, in denen der Sensor in Fingerlingform gemäß 4 auf einen Finger des Patienten aufgebracht wird;
8 eine Seitenansicht, die den vollständig auf den Finger des Patienten aufgebrachten Sensor in Form eines Fingerlings gemäß 7 zeigt;
9 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht des Fingerling-Sensors gemäß 8;
10 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer abgewandelten Ausführung des Sensors in Form eines Fingerlings nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine Draufsicht auf einen Fingerling-Sensor nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 eine Teilquerschnittsansicht des Sensors in Form eines Fingerlings nach 11 mit einem Permanentverbinder auf der Linie 12-12 in 11;
13 und 14 Darstellungen, welche die wesentlichen Schritte des Aufbringens des Fingerling-Sensors nach 11 auf den Finger eines Patienten zeigt;
15 eine Seitenansicht des vollständig auf den Finger des Patienten aufgebrachten Sensors in Form eines Fingerlings nach 14; und
16 eine Seitenansicht des Fingerling-Sensors nach 11 mit einem lösbaren Verbinder.
1 bis 3 zeigen einen konventionellen Oximetrie-Sensor 1, der zur Überwachung von Blutsauerstoff-Sättigungsgrades in durchbluteten Geweben wie der Spitze eines Fingers eingesetzt wird. Wie aus 1 ersichtlich, weist der vorbekannte Oximetrie-Sensor 1 eine Abziehschicht 2 mit einer hiermit verklebten entfernbaren Haltebandage 4 (im Einzelnen in 2 dargestellt) auf. Wie aus 2 ersichtlich, erstreckt sich eine relativ dünne Niederhalte-Klebfläche 6 in Längsrichtung über die Mitte der Haltebandage 4. Ein elastischer Streifen 8 deckt die Niederhaltefläche 6 ab. Der Streifen 8 weist ein Paar axial beabstandeter und durchgehender Öffnungen 9, 10 auf. Vorzugsweise überdeckt ein klares transparentes Material (beispielsweise dünnes Plastikmaterial) jede der Öffnungen 9, 10.
Wie aus 2 ersichtlich, trägt die Haltebandage 4 eine optische Quelle 12 und einen optischen Detektor 14. Die optische Quelle 12 ist wie konventionell üblich mit einem Paar Leuchtdioden (LEDs) versehen. Die optische Quelle 12 und der optische Detektor 14 sind im Bereich der Niederhaltefläche 6 mit der Bandage 4 verklebt und werden von den Öffnungen 9, 10 des Streifens 8 aufgenommen, wenn der Streifen 8 mit der Haltefläche 6 verbunden wird. Drähte sind an jede Leuchtdiode der optischen Quelle 12 und an den optischen Detektor 14 gelegt. Die Drähte sind von einem äußeren Schutzmantel 16 umgeben, der in einem konventionellen Stecker 18 endet. Der Stecker 18 dient zum Anschluss an ein konventionelles Steuergerät (nicht dargestellt, das Signale an die optische Quelle 12 und den optischen Detektor 14 ausgibt und von diesen empfängt.
Die Oberseite (d. h. die mittlere Flächenebene bzw. mediale Oberfläche) der Bandage 4 ist mit Kleber beschichtet, damit die Bandage 4 lösbar an einem Finger oder sonstigen Körperteil des Patienten befestigt werden kann. Dies bedeutet, dass wie am besten aus 3 ersichtlich die Bandage in der Weise fest um den Finger 20 des Patienten gewickelt wird, dass die optische Quelle 12 und der optische Detektor 14 auf gegenüberliegenden Seiten des Fingers 20 miteinander fluchten. Hierdurch kann der Detektor von den Leuchtdioden der optischen Quelle 12 durch den Finger 20 des Patienten geleitete optische Signale empfangen. Nach Beendigung des Überwachungsvorgangs wird die Haltebandage 4 vom Finger 20 entfernt und entsorgt.
Da die Bandage 4 eng um den Finger 20 des Patienten herumgelegt ist, wird von der kleberbehafteten Haltebandage 4 eine Fingerbewegung des Patienten während des Tests nicht verziehen. Dies bedeutet, dass wie vorbeschrieben aufgrund der Tatsache, dass der Finger einem Druck ausgesetzt ist, selbst bei geringster Bewegung während der Überwachung die Tendenz einer Ablösung der optischen Quelle 12 und des Detektors 14 besteht und eine Veränderung der optischen Weglänge verursacht wird. Diese Sensorbewegung bringt so genannte bewegungsinduzierte Artifaktfehler in die Messung ein. Damit kann das vom Oximetrie-Sensor 1 abgeleitete Signal unter Umständen fehlerhaft und unzuverlässig sein.
4 bis 11 zeigen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen selbsthaftenden Sensor 21 in Form eines Fingerlings in Wegwerfausführung. Der Fingerling-Sensor 21 ist so aufgebaut, dass bewegungsinduzierte Artifaktfehler im Überwachungssignal sowie durch Streulicht (d. h. Licht aus anderen Quellen als dem Sensor 23) erzeugte etwaige rauschinduzierte Artefaktsignale reduziert werden.
Nach 4 weist der hier beschriebene Fingerling-Sensor 21 einen kompakten Fingerling 22 und einen Sensor 23 auf. Der Fingerling 22 ist für ein schnelles und einfaches Aufbringen auf den und Entfernen vom Finger bzw. einem sonstigen Endglied eines Patienten konzipiert, ohne dass Kleber oder andere Befestigungsmittel erforderlich sind, wie diese konventionellen Oximetrie-Sensoren normalerweise zu eigen sind. Auch sei darauf hingewiesen, dass der hier beschriebene Sensor 21 außer auf einem Endglied auch in anderen durchbluteten Körperbereichen einsetzbar ist.
In der Form vor dem Aufbringen wie in 4 bis 7 dargestellt weist der Fingerling 22 ein eingerolltes offenes proximales Ende 24 und ein geschlossenes distales Ende 26 auf. Das geschlossene distale Ende 26 des Fingerlings 22 hat eine kelchartige Form zur Aufnahme der Spitze eines Fingers 28 des Patienten.
Der Fingerling 22 sollte aus einer dünnen elastischen Hülle hergestellt sein, die vorzugsweise für Umgebungslicht und weiter bevorzugt für Streulicht mit einer innerhalb des vom Sensor 23 erfassbaren Bereichs liegenden Wellenlänge undurchlässig sein.
Mit am kelchförmigen distalen Ende 27 (7) liegendem Finger 28 des Patienten wird das eingerollte proximale Ende 24 über den Finger 28 gezogen und in Längsrichtung abgerollt, so dass eine im Wesentlichen schlauchartige Hülle entsteht. Die Hülle sollte am proximalen Ende 24 den Umfang des Fingers 28 mit relativ festem Sitz ohne Befestigung des Sensors 23 am Gewebe und ohne Zusammendrücken des Gewebes umschließen. Damit sollte die Größe (d. h. Umfang und Länge) des Fingerlings 22 für eine Reihe unterschiedlich großer Finger oder sonstiger Endglieder in Abhängigkeit vom Alter, der Größe und der Reife des Patienten passend ausgebildet sein.
Wie aus 8 ersichtlich, kann der Fingerling 22 eine Anzahl von durch das Hüllenmaterial gehenden Löchern 30 aufweisen, um den Zugang von Luft zum Finger 28 im Sinne eines maximalen Komforts zu verstärken.
Beim proximalen Ziehen des proximalen Endes 28 zum vollständigen Abrollen über den Finger 28 des Patienten läuft der Fingerling 22 in einer relativ dicken Stulpe 32 aus. Der Innendurchmesser der Stulpe 32 ist geringfügig kleiner als die Hülle, so dass genügend Druck für die Selbsthaftung des Fingerlings 22 am Finger 28 ohne Kleber oder sonstige Befestigungsmittel ausgeübt wird.
9 zeigt den Sensor 23 bei abgerolltem und auf der Spitze eines Fingers 28 des Patienten liegendem Fingerling 22. Der Sensor 23 weist eine optische Quelle und einen optischen Detektor 36 auf, die in beabstandeter optischer Ausrichtung zueinander am distalen Ende 26 des Fingerlings 22 angeordnet sind, um den Finger 28 des Patienten von entgegengesetzten Seiten aus zu transilluminieren. In der dargestellten Ausführungsform besteht die optische Quelle 34 vorzugsweise aus einem Paar Leuchtdioden (LEDs), von denen jedoch nur eine in 9 dargestellt ist.
Sowohl die optische Quelle 34 als auch der optische Detektor 36 sind in entsprechende Ausnehmungen 38, 40 im Fingerling eingelassen, um den Kontakt zwischen dem Gewebe des Fingers des Patienten und der optischen Quelle 34 sowie dem optischen Detektor 36 zu verhindern. Das Gewebe des Patienten kann bei leichtem Zusammendrücken des distalen Fingerlingendes 26 zwar in jede der Hohlräume 38, 40 gelangen, doch besteht aufgrund der Tiefe der Ausnehmungen kein direkter Kontakt des Gewebes mit der optischen Quelle 34 bzw. dem optischen Detektor 36.
Die Ausnehmungen 38, 40 sollten mit einem optischen viskosen Haftverbesserer wie Öl oder Gel mit einem Brechungsindex, der dem der Haut des Patienten entspricht, gefüllt sein, um die optische Quelle 34 und den optischen De tektor 36 an das Gewebe des Patienten anzukoppeln. Der optische Haftverbesserer bleibt mit dem Gewebe in Kontakt, wenn der Finger vom Patienten bzw. der Patientin bewegt wird. Diese Bewegung bewirkt jedoch keine Verschiebung der optischen Quelle 34 und des Detektors 36, so dass also durch die Bewegung keine wesentliche Änderung der optischen Ankopplung oder der Weglänge zwischen der Quelle 34 und dem Detektor 36 bewirkt wird.
Wie aus 9 ersichtlich, sind elektrisch leitende Drähte 41, 42 an den die optische Quelle 34 bildenden Leuchtdioden angeschlossen. Ein weiterer elektrisch leitender Draht 44 ist mit dem optischen Detektor 36 verbunden. Die von der optischen Quelle 34 und vom Detektor 36 kommenden Drähte 41, 42, 44 verlaufen in Längsrichtung durch das proximale Ende 24 des Fingerlings 22 in seitlicher Ausrichtung zueinander und sind nach ihrem Austritt aus dem Fingerling 22 von einer elektrisch isolierenden äußeren Schutzmantelung bzw. Schutzhülse 46 (8) umgeben. In der äußeren Hülse 46 werden die Drähte 41, 42, 44 auf ein entsprechendes Steuergerät und einen entsprechenden Signalprozessor (nicht dargestellt) geführt, welche nachfolgend kurz zu beschreiben sein werden.
10 zeigt einen Fingerling 22a, der eine Abwandlung des in 4 bis 9 dargestellten Fingerlings 22 darstellt. Der einfacheren Erläuterung wegen wurden jeweils gleiche Bezugsziffern mit einem nachgestellten „a" zur Bezeichnung jeweils gleicher Komponenten in den beiden Ausführungsformen benutzt. Während die proximalen und distalen Enden 24, 26 des Fingerlings 22 eine gleichmäßige Dicke aufweisen, ist das distale Ende 26a des Fingerlings 22a dicker als das proximale Ende 24a desselben. Es konnte festgestellt werden, dass durch diese Dickenänderung der Fingerling 22a leichter in die kompakte Form vor der Anwendung gemäß 4 und 5 eingerollt werden kann.
11 bis 15 zeigen einen Fingerling-Sensor 50 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 50 weist einen allgemein flache Schutzunterlage bzw. einen Träger 52 auf, welche r) vorzugsweise aus elastischem Material (beispielsweise Kunststoff) hergestellt ist. Ein Fingerling 54 ist an der Schutzunterlage bzw. dem Träger 52 etwa in deren Mitte befestigt.
Wie aus 12 ersichtlich, weist der Fingerling 54 in seinem Zustand vor dem Aufbringen ein in sich eingerolltes offenes proximales Ende 56 und ein geschlossenes kelchartiges distales Ende 58 auf. Gemäß den Phantomlinien in 12 und 13 ist das proximale Ende 56 so eingerollt, dass es im Inneren des Fingerlings 54 liegt.
Der Fingerling 54 sollte aus einer dünnen elastischen Hülle hergestellt sein, die generell für Umgebungslicht und insbesondere für Streulicht mit einer Wellenlänge, die innerhalb des vom Sensor 57 erfassbaren Bereichs liegt, undurchlässig sein.
Der Fingerling 54 kann mit der Schutzunterlage bzw. Schutzschicht 52 lösbar oder dauerhaft verbunden sein. Wenngleich jede dieser Befestigungsarten eine gleich gute Verbindung zwischen dem Fingerling 54 und der Schutzschicht 52 gewährleistet, sollte der Fingerling 54 doch lösbar an der Schutzschicht 52 befestigt sein, damit wie nachfolgend erörtert der Sensor 57 und die Schutzschicht 52 der Sensoreinrichtung wiederverwendet werden können.
12 zeigt einen Fingerling 54, der mittels eines Stifts 60 dauerhaft an der Schutzunterlage 52 befestigt ist. Der Stift 60 weist einen schmalen Körper, einen relativ breiten Kopf 62 an einem Ende des Körpers sowie ein Paar flexibler Schenkel bzw. Bindeelemente 64 am gegenüberliegenden Ende des Körpers auf. Der Stift 60 verläuft durch sowohl die Schutzunterlage 52 als auch das distale Ende 58 des Fingerlings 54. Der Stiftkopf 62 verbindet den Fingerling 54 mit einer Seite der Unterlage 52, wobei die flexiblen Schen kel 64 von der gegenüberliegenden Seite der Unterlage 52 aus vorstehen. Die Schenkel 64 werden zur Unterlage 52 hin abgebogen und an dieser (beispielsweise durch Nähen) zur sicheren Verbindung des Fingerlings 54 mit der Unterlage 52 befestigt. In dieser Position dienen die Schenkel 64 weiterhin als Zielmarken, auf die der Finger beim Aufbringen des Fingerlings 54 wie in 13 dargestellt und nachfolgend beschrieben ausgerichtet wird.
16 zeigt einen zur lösbaren Befestigung an der Schutzunterlage 52 mittels eines lösbaren Verbinders 65 konzipierten Fingerling 54. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verbinder 65 zwar in Form eines konventionellen Schnappverbinders vorgesehen, doch versteht es sich, dass andere Arten von lösbaren Verbindern wie beispielsweise Knöpfe, Haken-/Schlingen-Befestiger (d. h. VELCRO ®), Stifte, Klammern usw. gleichwertig eingesetzt werden können. Der Schnappverbinder 65 besteht aus einem an der Schutzunterlage 52 befestigten Aufnahmeelement 67 und einem am Fingerling 54 angeordneten Zapfenelement 69. Natürlich können diese Schnappverbinderteile 67 auch richtungsverkehrt angeordnet werden.
Durch die lösbare Anordnung von Fingerling 54 und Sensorunterlage 52 ist der Sensorteil (d. h. die Unterlage 52 und der optische Sensor 57) der Sensoreinrichtung 50 wiederverwendbar, so dass die Gesamtkosten der Sensoreinrichtung 50 reduziert werden. Ein Sensor 57 lässt sich mehrere Male verwenden, während der Fingerling 54 nach jedem Gebrauch ersetzt wird.
Während gemäß 4 bis 10 die optische Quelle 34 und der Detektor 36 des Fingerlingsensors als fester Bestandteil des Fingerlings 22 ausgeführt sind, weist der Sensor in Form eines Fingerlings in der vorliegenden Ausführungsform (wie am besten aus 12 ersichtlich) eine optische Quelle 66 (beispielsweise ein Leuchtdiodenpaar) und einen optischen Detektor 68 auf, die vom Fingerling 54 ge trennt sind. Gemäß 11 und 12 werden die optische Quelle 66 und der optische Detektor 68 an gegenüberliegenden Enden der Schutzunterlage 52 gehalten. Die optische Quelle 66 und der Detektor 68 sind in entsprechende Ausnehmungen 70, 72 eingelassen, um den Kontakt mit dem Gewebe des Patienten zu verhindern. In dieser Weise werden wie vorbeschrieben die optische Kopplung und die Weglänge zwischen optischer Quelle 66 und Detektor 68 im Falle einer Bewegung des Fingers des Patienten bzw. des Zusammendrückens des Gewebes während der Beobachtung aufrechterhalten.
Wie aus 12 ersichtlich, kann die Schutzunterlage 52 der Sonde 50 aus einer oberen Lage 53 und einer unteren Lage 55 flexiblen Materials bestehen, um die Bildung der Ausnehmungen 70 und 72 zu vereinfachen. Die optische Quelle 66 und der Detektor 68 werden von der unteren Lage 55 aufgenommen, während die Ausnehmungen 70, 72 in der oberen Lage in axialer Flucht mit der Quelle 66 und dem Detektor 68 ausgebildet sind. Elektrisch leitende Drähte (nicht dargestellt) verlaufen an der Schnittstelle zwischen der oberen und der unteren Lage 53, 55 durch den Fingerlingsensor 50 und verbinden die Quelle 66 und den Detektor 68 mit einem konventionellen Steuergerät und einem konventionellen Signalprozessor (nicht dargestellt). Wie aus 15 ersichtlich, sollten die Drähte ab ihrem Austritt aus der Sensoreinrichtung 50 in einer elektrisch isolierenden äußeren Schutzmantelung oder Schutzhülse 78 geführt sein.
Wie in 11 dargestellt, sind die Sensorquelle 66 und der Sensordetektor 68 auf der Schutzunterlage 52 im gleichen Abstand von der Mitte bzw. dem Mittelpunkt 80 der Unterlage 52 (d. h. dem Anlagepunkt des Fingerlings) angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Quelle 66 bzw. dem Detektor 68 und dem Mittelpunkt 66 kleiner als der Abstand zwischen der Sensorquelle 66 bzw. dem Sensordetektor 68 und einem längsgerichteten Ende 81 der Schutzunterlage 52. Sowohl Sensor 66 als auch De tektor 68 liegen in der Mittelebene der an dem wie nachstehend beschrieben zu analysierenden Gewebe anliegenden Schutzunterlage 52 frei.
13 bis 15 zeigen die einzelnen Schritte für das Aufbringen des Fingerlingsensors 50 auf den Finger 74 eines Patienten vom eingerollten Zustand vor dem Aufstecken gemäß 13 bis zum abgerollten verlängerten Zustand gemäß 15. Die Fingerspitze 79 des Patienten wird zunächst auf die Mitte 80 der Unterlage 52 ausgerichtet. Zu diesem Zweck weist die Unterlage 52 vorzugsweise eine Zielmarke im Mittelpunkt 80 auf. Als Zielmarke kommen die herausgeführten Schenkel 64 des Stifts 60 oder Markierungen in der Mittelebene der Unterlage 52 infrage. In der dargestellten Ausführungsform wird die Fingerspitze 79 des Patienten auf die Zielmarke im Schnittpunkt der elastischen Schenkel 64 des Stifts 60 gegenüber dem abgerollten distalen Ende des Fingerlings 54 gelegt. Etwas Kleber kann im Mittelpunkt 80 (beispielsweise die Schenkel 64) aufgetragen werden, um den Finger 74 beim Aufbringen des Fingerlings 54 gegen den Mittelpunkt 80 zu halten. Das abgerollte proximale Ende 56 des Fingerlings 54 wird sodann zum Finger 74 hin gezogen und über das kelchartige distale Ende 80 des Fingerlings 54 abgerollt. Das distale Ende 58 wird hierbei die Fingerspitze 79 des Patienten umgebend umgekehrt. Durch weitere Bewegung des proximalen Endes 56 nach hinten wird die Hülle über die Schutzunterlage 52 abgerollt. Die Hülle drückt die gegenüberliegenden Mittelebenen der Unterlage 52 zueinander und gegen die entsprechenden Seiten des Fingers 74.
Im voll abgerollten und aufgebrachten Zustand ist wie aus 15 ersichtlich die Schutzunterlage 52 fest am Finger 74 anliegend abgebogen dergestalt, dass die optische Quelle 66 und der optische Detektor 68 auf den gegenüberliegenden Seiten des Fingers 74 in voneinander abgesetzter optischer Ausrichtung festgehalten werden und eine Transillumination des Fingers erfolgen kann. Der voll abgerollte Fin gerling 54 endet in einer relativ dicken Stulpe 76, die genügend Druck aufbringt, um den Fingerling 54 am Finger 74 zu halten.
Die in den vorbeschriebenen optischen Sensoren 21, 50 in Form eines Fingerlings eingesetzten Detektoren 36, 68 reagieren auf Lichtabsorption aus der Transillumination des Muskelgewebes eines Patienten. Die Ausgangssignale der Detektoren 36, 68 lassen sich dahingehend verarbeiten, dass behandelnde Mediziner in die Lage versetzt werden, das Blut von Patienten durch nicht invasive Beurteilung der Konzentration an Blutbestandteilen zu analysieren. Die Ausgangssignale der Detektoren 36, 68 können vor der Verarbeitung auch wie nach dem Stand der Technik bekannt umgewandelt werden.
In den dargestellten Ausführungsformen lassen sich die von den optischen Detektoren 36, 68 abgeleiteten Ausgangssignale für die Erstellung einer zuverlässigen Indikation der prozentualen Sauerstoffsättigung (d. h. des Sauerstoffanreicherungsgrades) im Blut eines Patienten benutzen. Zu diesem Zweck aktiviert ein Pulsoximeter (nicht dargestellt) die optische Quelle 66 zur Ausgabe von zwei Signalen mit unterschiedlichen Wellenlängen, von denen das eine normalerweise ein Rot- und das andere normalerweise ein Infrarotsignal ist. Die beiden Signale gehen abwechselnd durch die Fingerspitze 79 des Patienten. Die Signale werden von dem optischen Detektor 68 gemessen, der seinerseits zwei Ausgangssignale erzeugt. Das Pulsoximeter verarbeitet die beiden Ausgangssignale des Detektors 68 dahingehend, dass die dem Körper zur Verfügung stehende Sauerstoffmenge bestimmt wird. Diese Information wird zur Ableitung der Sättigung mit sauerstoffangereichertem Hämoglobin in dem sowohl sauerstoffangereichertes als auch sauerstoffreduziertes Hämoglobin transportierenden Blut herangezogen.
Ein zum Einsatz mit den erfindungsgemäßen Fingerlingsensoren 21, 50 besonders geeignetes Pulsoximeter ist in der ebenfalls schwebenden und am 21. März 1991 eingereichten so wie an die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung übertragenen US Patentanmeldung Nr. 07/672 890 beschrieben. Auf die die Pulsoximetrie betreffenden Lehren dieser Patentanmeldung Nr. 672 890 wird hiermit vollinhaltlich Bezug genommen. Man beachte jedoch, dass dieses Oximeter lediglich als Beispiel zu betrachten ist und dass andere Pulsoximeterausführungen ebenfalls zur Verarbeitung der Ausgangssignale der optischen Detektoren einsetzbar sind.
Ist die Überwachung abgeschlossen oder nicht mehr erforderlich, so entfernt eine Schwester oder ein Arzt den Sensor 50. Die Schwester rollt die Stulpe 76 in Richtung auf das Ende des Fingers 74, wodurch die Schutzunterlage 52 exponiert wird. Erwünscht ist, dass die Schwester den Fingerling 54 vom Ende 79 des Fingers 74 des Patienten vollständig abrollt und damit die Verbindung zwischen dem Fingerling 54 und der Unterlage 52 freilegt. Bei einer lösbaren Verbindung von Fingerling 54 und Unterlage 52 kann die Schwester den Fingerling 54 aus der Unterlage ausklinken oder sonstwie lösen. Der Fingerling 54 kann sodann entsorgt und der Sensor sterilisiert sowie später mit einem neuen Fingerling 54 zusammen wiederverwendet werden.
Wenngleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, versteht es sich dennoch, dass verschiedene Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne dass der Schutzumfang der Erfindung verlassen wird. So wurden zwar die Sensoren in Form eines Fingerlings als besonders auf dem Finger eines Patienten einsetzbar beschrieben, doch sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Lehren der vorliegenden Erfindung auch für jedes sonstige menschliche Endglied oder jeden sonstigen geeigneten tastbaren Gewebebereich gelten. Weiterhin wurden die erfindungsgemäßen optischen Detektoren als auf die Transillumination menschlichen Gewebes ansprechend beschrieben, doch ist auch hier zu beachten, dass die optischen Detektoren auch passend zur Reaktion auf Transreflektanz angeordnet werden können. Somit soll der Schutzumfang der Erfindung ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche definiert werden.

Claims

Sensoreinrichtung zum Analysieren mindestens eines Gewebemerkmals mit einem Sensor, der wenigstens eine elektromagnetische Energiequelle (34; 66) und wenigstens einen elektromagnetischen Energiedetektor (36; 68) aufweist, wobei der Sensor aufweist: eine allgemein elastische schlauchartige Hülle (22; 54) mit einem offenen Ende (24; 56) und einem geschlossenen Ende (26; 58), wobei das geschlossene Ende (26; 58) so ausgebildet ist, dass es mindestens einen Gewebeabschnitt umschließt und das offene Ende (24; 56) entlang einer äußeren Fläche der Hülle (22; 54) in sich eingerollt ist und über das Gewebe abgerollt werden kann; und wobei der Sensor nahe dem geschlossenen Ende (26; 58) mit der über dem Gewebeabschnitt angeordneten Hülle (22; 54) verbunden und so angeordnet ist, dass die von der mindestens einen Quelle (34; 66) ausgesandte elektromagnetische Energie durch das Gewebe geht und von dem mindestens einen Detektor (36; 68) empfangen wird.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine allgemein elastische Stulpe (32; 76) aufweist, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des offenen Endes (24; 56) der Hülle (22; 54) ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei das geschlossene Ende (26; 58) der Hülle (22; 54) den Sensor trägt.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin einen Träger (52) zur Aufnahme des Sensors auf- weist, dessen Körper so ausreichend flexibel ist, dass er einen Teil des Gewebes umschließt, wobei die mindestens eine Quelle (66) und der mindestens eine Detektor (68) auf dem Träger (52) relativ zueinander in der Weise angeordnet sind, dass die von der mindestens einen Quelle (66) ausgesandte elektromagnetische Energie durch das Gewebe geht und von dem mindestens einen Detektor (68) empfangen wird, wobei sich der Träger (52) bei über dem Gewebe befindlicher Hülle (54) zwischen der Hülle (54) und dem Gewebe befindet.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Träger (52) mit der elastischen Hülle (54) verbunden ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, wobei der Träger (52) lösbar am geschlossenen Ende (58) der Hülle (54) befestigt ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, die weiter einen lösbaren Verbinder (65) zwischen dem Träger (52) und dem geschlossenen Ende (58) der Hülle (54) zur lösbaren Verbindung zwischen dem Träger (52) und der Hülle (54) aufweist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine Quelle (66) und der mindestens eine Detektor (68) so auf dem Träger (52) angeordnet sind, dass der Abstand zwischen der mindestens einen Quelle (66) bzw. dem mindestens einen Detektor (68) und der Mitte des Trägers (52) geringer ist als der Abstand zwischen der mindestens einen Quelle (66) bzw. dem mindestens einen Detektor (68) und einem Längsende des Trägers (52).
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Träger (52) eine erste Ausnehmung (70) und eine zweite Ausnehmung (72) zur Aufnahme der mindestens einen Quelle (66) bzw. des mindestens einen Detektors (68) aufweist, um die mindestens eine Quelle (66) und den mindestens einen Detektor (68) von dem Gewebe fernzuhalten, auf dem der Träger (52) aufliegt.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 9, die weiter ein Haftmittel in den Ausnehmungen (70; 72) zwischen einer Mittelebene des Trägers (52) und der mindestens einen Quelle (66) bzw. dem mindestens einen Detektor (68) enthält, wobei der Brechungsindex des Haftmittels im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des Gewebes ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei das geschlossene Ende (26; 58) der Hülle (22; 54) eine bogenförmige Oberfläche zur Aufnahme eines Teils des Gewebes aufweist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine elektromagnetische Energiequelle (34; 66) und der mindestens eine elektromagnetische Energiedetektor (36; 68) bei auf dem Gewebe befindlicher Hülle (22; 54) vom Gewebe beabstandet sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 12, wobei das geschlossene Ende (26; 58) der Hülle (22; 54) eine erste Ausnehmung (40; 70) und eine zweite Ausnehmung (38; 72) aufweist und wobei die Ausnehmungen der Aufnahme der mindestens einen Quelle (34; 66) bzw. des mindestens einen Detektors (36; 68) in der Weise dienen, dass die mindestens eine Quelle (34; 66) und der mindestens eine Detektor (36; 68) von dem Gewebe ferngehalten werden, auf dem sich die Hülle (22, 54) befindet.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 13, die weiter ein Haftmittel in den Ausnehmungen (40, 38; 70, 72) zwi schen einer Mittelebene der mindestens einen Quelle (34; 66) und dem mindestens einen Detektor (36; 68) enthält, dessen Brechungsindex im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des Gewebes ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine elektromagnetische Energiequelle eine optische Quelle (34; 66) und der mindestens eine elektromagnetische Energiedetektor ein optischer Detektor (36; 68) ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 15, wobei die optische Quelle (34; 66) ein Paar Leuchtdioden aufweist, die optische Signale von entsprechender Wellenlänge im Rotund Infrarotbereich aussenden.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 15, wobei die optische Quelle (34; 66) und der optische Detektor (36; 68) auf gegenüberliegenden Seiten des Gewebes in axialer Ausrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind, um das Gewebe mit optischen Signalen zu transilluminieren.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hülle (22) nahe dem geschlossenen Ende (26) mit einer Anzahl Lüftungsöffnungen (30) versehen ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, wobei der lösbare Verbinder (65) als Schnappverbinder, Haken-und-Schlaufen-Verbinder, Knopf, Stift oder Klammer gewählt ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine Quelle (66) und der mindestens eine Detektor (68) so innerhalb des Trägers (52) angeordnet sind, dass sie bezüglich einer Mittelebene des den jeweiligen Gewebeab- Schnittbereich kontaktierenden Trägers (52) vertieft sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Hülle (54) aus einem für mindestens einige Wellenlängen der elektromagnetischen Energie undurchlässigen Material hergestellt ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 21, wobei die Hülle (54) aus einem Material besteht, dass mindestens für die Rotund Infrarotwellenlängen des Lichts undurchlässig ist.
Verfahren zum Analysieren wenigstens einer Gewebebeschaffenheit unter Einsatz einer elektromagnetischen Energiequelle (34; 66) und eines elektromagnetischen Energiedetektors (36; 68) mit den Schritten: Befestigen der Quelle (34; 66) und des Detektors (36; 68) an einer Haltehülle (22; 54) mit einem offenen Ende (24; 56) und einem geschlossenen Ende (26; 58), wobei das offene Ende (24; 56) entlang einer Außenfläche der Hülle (22; 54) in sich eingerollt ist; Anlegen des geschlossenen Endes (26; 58) der Hülle (22; 54) an einen Teil des Gewebes; Plazieren der elektromagnetischen Energiequelle (34; 66) gegen das Gewebe; Plazieren des elektromagnetischen Energiedetektors (36; 68) gegen das Gewebe; Abrollen des offenen Endes (24; 56) der Hülle (22; 54) über das Gewebe sowie über die elektromagnetische Energiequelle (34; 66) und den elektromagnetischen Energiedetektor (36; 68) in der Weise, dass die Quelle (34; 66) und der Detektor (36; 68) umschlossen und an dem Gewebe festgelegt werden; Senden elektromagnetischer Energie durch das Gewebe; Empfangen der ausgesandten elektromagnetischen Energie; und Erzeugen eines für das Gewebemerkmal repräsentativen Signals.
Verfahren nach Anspruch 23 mit den weiteren Schritten: Abrollen der Hülle (54) vom Gewebe und Ablösen der Hülle (56) von der elektromagnetischen Energiequelle (66) und dem elektromagnetischen Energiedetektor (68).
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Senden der elektromagnetischen Energie das Durchstrahlen des Gewebes beinhaltet:
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Plazieren der Quelle (66) und des Detektors (68) gegen das Gewebe folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägers (52), welche die Quelle (66) und den Detektor (68) trägt; und Falten des Trägers (52) über das Gewebe in der Weise, dass die Längsachse des Trägers (52) allgemein der Richtung der Längsachse eines Endglieds entspricht, dessen Gewebe analysiert wird.