DE4226973A1

DE4226973A1 - Calibrated measurement of blood vol. using finger skin reflection or transmission photoplethysmography - obtaining two calibration point signals relating to conditions with and without blood displacement from measurement area

Info

Publication number: DE4226973A1
Application number: DE19924226973
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr Blazek; Hans J Prof Dr Schmitt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1994-02-17

Abstract

The method uses a photo-plethysmographic sensor and a blood vol. monitor consisting esp. of a control and evaluation circuit with analog and digital interfaces, a computer and a data memory. Before each measurement, a signal calibration is performed whereby the sensor signal is detected for the rest condition, i.e. no blood displacement through the sensor housing from the measurement region, and for the skin condition empty of blood, or maximum possible blood displacement from the measurement region by pressing on the sensor. These are used as two calibration points for further signal correction. USE/ADVANTAGE - Enables photoplethysmographic measurement of blood vol. changes in human extremities, eg muscle-pump test for vein diagnosis or blood volume pulsing in arterial diagnosis.

Description

Tendentiell lassen sich Blutvolumenverschiebungen in menschlichen Extremitäten, verursacht durch aktive Bewegung, den Lagewechsel oder die arterielle Blutdruckpulsation, seit vielen Jahren mit photoplethysmographischen Verfahren durch Messung der Änderung der Lichtreflexion oder der Lichttransmission (im weiteren kurz PPG-Signal) im Gewebe nachweisen.Blood volume shifts tend to be human Extremities caused by active movement, the change of position or arterial blood pressure pulsation, with for many years photoplethysmographic method by measuring the change light reflection or light transmission (hereinafter briefly PPG signal) in the tissue.

Dabei wird bei allen bekannten photoplethysmographischen Meßein richtungen das PPG-Signal entweder in nicht vergleichbaren Ein heiten (z. B. Skalenteilen oder Volt nach der lehre von DE 31 00 610) oder bezogen auf einen Startwert in Prozent der optischen Reflexions- oder Transmissionsänderungen (DE 36 09 075, P 42 12 498) angegeben.It is used in all known photoplethysmographic measurements directions the PPG signal in either not comparable Ein units (e.g. scale divisions or volts according to the teaching of DE 31 00 610) or based on a starting value in percent of the optical Changes in reflection or transmission (DE 36 09 075, P 42 12 498).

Da jedoch der Zusammenhang zwischen dem Blutvolumen im Gewebe und dem PPG-Signal nicht linear ist und zusätzlich von Mensch zu Mensch bzw. auch von Hautgebiet zu Hautgebiet variieren kann, bedarf es eines speziellen Kalibrierverfahrens, um photoplethys mographisch die Blutvolumenänderungen bestimmen zu können.However, since the relationship between the volume of blood in the tissue and the PPG signal is not linear and also human Human or also from skin area to skin area can vary, a special calibration procedure is required to photoplethys to be able to determine the changes in blood volume graphically.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiter bildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.The solution to this problem according to the invention is with its further education characterized in the claims.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug nahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:The invention is hereinafter described without limitation of the general The inventive concept based on exemplary embodiments with reference I took an example of the drawing described in the the rest regarding the revelation of all in the text the details explained are expressly referred to. Show it:

Fig. 1 Zusammenhang zwischen der Reflexionsänderung der Haut und der Blutvolumenänderung (optische Hautübertragungsfunkti on) für drei verschiedene Hauttypen. Fig. 1 Relationship between the change in reflection of the skin and the change in blood volume (optical skin transfer function) for three different skin types.

Fig. 2 Das Prinzip des erfindungsgemäßen 2-Punkt-Kalibrierverfah rens, dargestellt für drei verschiedene Hautübertragungs funktionen. Fig. 2 The principle of the 2-point calibration process according to the invention, shown for three different skin transfer functions.

Fig. 3 Ein Ausführungsbeispiel der Meßanordnung bei der Durchfüh rung der Kalibrierung. Fig. 3 shows an embodiment of the measuring arrangement when performing calibration.

Fig. 4 Die Auswirkung der Kalibrierung; dargestellt am Beispiel des Muskelpumpen-Tests für die Venendiagnostik. Fig. 4 The effect of the calibration; shown using the example of the muscle pump test for venous diagnosis.

Fig. 5 Die Auswirkung der Kalibrierung, dargestellt am Beispiel der Umrechnung des Reflexionspulses in einen Blutvolumen puls im Rahmen der arteriellen Gefäßdiagnostik. Fig. 5 The effect of the calibration, shown using the example of the conversion of the reflection pulse into a blood volume pulse in the context of arterial vascular diagnostics.

Die Fig. 1 zeigt typische optische Übertragungsfunktionen für drei verschiedene Hauttypen. Der Zusammenhang zwischen der Haut reflexion (oder Hauttransmission) und dem Blutvolumen in der Haut ist nichtlinear. Es lädt sich nachweisen, daß die Übertragungs funktionen zwar stets den gleichen charakteristischen Verlauf haben (etwa eine Wurzelfunktion), jedoch einen unterschiedlichen Startwert und unterschiedliche Steilheit besitzen. Dies führt zwangsläufig dazu, daß die gleiche Blutvolumenänderung ΔV in den drei unterschiedlichen Hautgebieten als drei unter schiedliche Reflexionssignal-Änderungen ΔR1, ΔR2 und ΔR3 regi striert wird. Dieses Problem aller Photoplethysmographen nach dem Stande der Technik wird - wie in Fig. 2 anschaulich dargestellt - erfindungsgemäß wie folgt gelöst. FIG. 1 shows typical optical transfer functions for three different skin types. The relationship between skin reflection (or skin transmission) and blood volume in the skin is non-linear. It loads up to prove that the transfer functions always have the same characteristic course (for example a root function), but have a different starting value and different slope. This inevitably leads to the same blood volume change ΔV being registered in the three different skin areas as three different reflection signal changes ΔR1, ΔR2 and ΔR3. This problem of all prior art photoplethysmographs is - as illustrated in FIG. 2 - solved according to the invention as follows.

Nach der Befestigung des photoplethysmographischen Sensors wird zunächst der erste, für alle möglichen Hautübertragungsfunktionen gemeinsame Kalibrierpunkt (A), z. B. nach der lehre von DE 36 09 075, eingestellt. Hiermit wird das Startblutvolumen zu 1 bzw. 100 Blutvolumenprozent gesetzt. Auch das PPG-Signal wird in diesen Ruhezustand zu 1 bzw. 0 PPG-Prozent gesetzt. Nun erfolgt die Bestimmung des zweiten Kalibrierpunktes. Dabei wird der PPG- Sensor so stark auf die Haut gepreßt, bis eine maximale Reflexi onszunahme bei Blutvolumen 0 im Meßgebiet unter dem Sensor er zielt ist. Man erkennt aus Fig. 2, daß bei diesem Preßtest für verschiedene Hautübertragungsfunktionen (F1), (F2) und (F3) verschiedene Kalibrierpunkte (B), (C), oder (D) ermittelt werden. Für jede Hautübertragungsfunktion, die z. B. von der individuel len Gefäßdichte abhängig ist, werden somit 2 charakteristische Kalibrierpunkte ermittelt. Damit läßt sich die Steilheit der Funktion im Start-Arbeitspunkt (A) errechnen. Dies ist wiederum die Voraussetzung für die angestrebte Umrechnung des PPG-Signals in das Blutvolumensignal.After attaching the photoplethysmographic sensor, the first calibration point (A) common to all possible skin transfer functions, e.g. B. according to the teaching of DE 36 09 075, set. This sets the starting blood volume to 1 or 100 blood volume percent. The PPG signal is also set to 1 or 0 PPG percent in this idle state. Now the second calibration point is determined. The PPG sensor is pressed so hard on the skin until a maximum increase in reflection at 0 blood volume in the measurement area under the sensor is aimed. It can be seen from FIG. 2 that in this press test different calibration points (B), (C), or (D) are determined for different skin transfer functions (F1), (F2) and (F3). For each skin transfer function, the z. B. depends on the individual len vessel density, 2 characteristic calibration points are thus determined. This enables the slope of the function at the starting operating point (A) to be calculated. This is in turn the prerequisite for the desired conversion of the PPG signal into the blood volume signal.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Meßanordnung bei der Durchführung der Kalibrierung. Der PPG-Sensor (S) ist in diesem Fall an der Spitze des Fingers (FI) befestigt und über eine Leitung (L1) an den Blutvolumenmonitor (M) angeschlossen. Die vorzugsweise mikropro zessorgesteuerte Elektronik des Monitors (M) sorgt nun im ersten Kalibrierschritt für die Einstellung des Arbeitspunktes (A). Wird nun das Ruheblutvolumen identifiziert (und vorzugsweise zu 100% gesetzt), erfolgt automatisch (z. B. mit einer über den Sensor gelegten und über Leitung (L2) gesteuerten Luftmanschette) oder manuell das Anpressen des Sensors an die Haut mit einer steigen den Kraft (K) so lange, bis das PPG-Signal einen maximal mögli chen, konstanten Wert erreicht. Dieser Wert entspricht der maxi mal möglichen Blutvolumenreduktion auf 0% und wird im Monitor (M) elektronisch gespeichert und zur weiteren Verarbeitung des PPG-Signals während der nun nachfolgenden eigentlichen Messung herangezogen. Es ist naheliegend, daß Fig. 3 shows a possible measuring arrangement when carrying out the calibration. In this case, the PPG sensor (S) is attached to the tip of the finger (FI) and connected to the blood volume monitor (M) via a line (L1). The preferably microprocessor-controlled electronics of the monitor (M) now ensures the setting of the operating point (A) in the first calibration step. If the resting blood volume is now identified (and preferably set to 100%), the sensor is pressed automatically (e.g. with an air sleeve placed over the sensor and controlled via line (L2)) or manually with increasing force (K) until the PPG signal reaches a maximum possible, constant value. This value corresponds to the maximum possible reduction in blood volume to 0% and is stored electronically in the monitor (M) and used for further processing of the PPG signal during the actual measurement that follows. It is obvious that

- A new calibration is carried out after each change of measuring location must be and
- The calibration described only at the human point Chen body is possible where the blood is completely from the Let the measuring area press under the PPG sensor, so preferably on the skin area above the bone (fingers, toes, Heel area u. a.).

Fig. 4 zeigt nun, welche Bedeutung die Erfindung in der Venen diagnostik z. B. bei der Quantifizierung des PPG-Signals während eines Muskelpumpen-Tests hat. Im Rahmen dieses Tests führt der Patient 8 Beinübungen in 16 Sekunden durch. Durch die sog. Mus kelpumpe wird dabei das venöse Blut herzwärts abgepumpt, die Haut wird heller, daß PPG-Signal steigt um 6%. In der nun folgenden Ruhephase füllt sich das Bein in To = 30 Sekunden (die venöse Auffüllzeit) wieder mit Blut auf. Auf Grund der vorher durchge führten Kalibrierung wird für diesen Hautbezirk die maximale Reflexion von 24% (als zweiter Kalibrierpunkt) ermittelt und somit auch die Tangente (T) der Hautübertragungsfunktion (F). Daraus läßt sich schließlich die Blutvolumenkinetik während des Muskelpumpen-Tests ermitteln. Bei dieser Übung sank das Blutvolu men um 41%. Zum ersten Mal steht somit für die Venendiagnostik ein Bewertungsparameter der Muskelpumpen-Leistung zur Verfügung, der von Mensch zu Mensch und von Hautareal zu Hautareal ver gleichbar ist. Fig. 4 shows the importance of the invention in vein diagnostics z. B. in the quantification of the PPG signal during a muscle pump test. As part of this test, the patient performs 8 leg exercises in 16 seconds. Through the so-called muscle pump, the venous blood is pumped out towards the heart, the skin becomes lighter, and the PPG signal increases by 6%. In the following resting phase, the leg fills with blood again in To = 30 seconds (the venous filling time). Based on the previously performed calibration, the maximum reflection of 24% (as the second calibration point) is determined for this skin area and thus also the tangent (T) of the skin transfer function (F). From this, the blood volume kinetics can finally be determined during the muscle pump test. During this exercise, the blood volume decreased by 41%. For the first time, an evaluation parameter of muscle pump performance is available for venous diagnosis, which is comparable from person to person and from skin area to skin area.

Fig. 5 zeigt die Quantifizierung der Blutvolumenpulsation im Rahmen der arteriellen Diagnostik. Gemessen wird hier in einem anderen Hautbezirk an der großen Zehe, Rmax betrug unter dem Preßmanöver 17%.
Aus der nach dem Stand der Technik lediglich möglichen Reflexi onsänderung ΔR = 2% lädt sich die Blutvolumenpulsamplitude von 23% ermitteln. Außerdem läßt sich zum ersten Mal auch die Form des Blutvolumenpulses durch computerunterstützte Entzerrung dar stellen. Fig. 5 shows the quantification of the Blutvolumenpulsation within the arterial diagnostics. Measurements are taken here in another skin area on the big toe, Rmax was 17% under the press maneuver.
The blood volume pulse amplitude of 23% can be determined from the change in reflection ΔR = 2% which is only possible according to the prior art. In addition, the shape of the blood volume pulse can be represented for the first time by computer-aided equalization.

Damit schafft die Erfindung ein nichtinvasives, zeit- und kosten sparendes Screening-Meßverfahren, das sowohl physiologische als auch pathophysiologische Blutvolumenverschiebungen in den Extre mitäten erstmals exakt erfassen und belegen kann und aufwendige und risikoreiche Invasiv-Meßmethoden einsparen hilft.The invention thus creates a non-invasive, time and cost saving screening measurement method, which is both physiological and also pathophysiological blood volume shifts in the extreme for the first time can precisely record and prove the resources and complex and save risky invasive measurement methods.

Claims

1. Measuring method for calibrated blood volume determination in human extremities with a photoplethysmographic sensor (S) and a blood volume monitor (M), which in particular consists of control and evaluation electronics with analog and digital interfaces, a computer and a data memory, characterized in that before Each photoplethysmographic registration a signal calibration is carried out in such a way that the sensor signal under rest conditions (no blood displacement from the sensor housing from the measuring area) and the sensor signal of the bloodless skin (maximum possible blood displacement from the measuring area by pressing the sensor) are determined and for further signal correction as two Calibration points are used.

2. Measuring method according to claim 1, characterized, that the sensor signal by detecting skin reflection or the skin transmission is obtained.

3. Measuring method according to claim 1 or 2, characterized, that with the help of the two calibration points the skin-specific Transfer function can be calculated.

4. Measuring method according to one of claims 1 to 4, characterized, that the slope of the skin-specific transfer function in Calibration point calculated under rest conditions and for calculation blood volume kinetics from the PPG signal is used.

5. Measuring method according to one of claims 1 to 5, characterized, that pressing the sensor to determine the maximum blood emptying by an airman controlled by the blood volume monitor cuff is made.

6. Measuring method according to one of claims 1 to 6, characterized, that the maximum blood evacuation instead of the pressing approximation is achieved by elevating the extremity.