DE1940837C3 - Ultraschall-Blutdrucküberwachungsvorrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Blutdrucküberwachungs vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der klassischen Korotkov-Methode zur indirekten Blutdruckmessung wird eine Arterie, z. B. die Oberarmarterie, mittels einer aufblasbaren Manschette abgesperrt und dann bei nachlassendem Manschettendruck die erste öffnung der Arterie (systolischer Druck) und das Ende des Offnungsvorgangs (diastolischer so Druck) an Hand der von der Arterie ausgehenden Korotkov-Töne erfaßt. Zur Verbesserung der üblichen Erfassung der Korotkov-Töne mittels des Stethoskopes sind verschiedene Vorschläge bekanntgeworden. Gemäß der US-PS 33 08 811 werden die Korotkov-Töne mit einem Mikrophon und einer Filteranordnung erfaßt. Bei den Anordnungen gemäß den US-Patentschriften 71 661 und 28 65 365 sind elektromechanische Wandler zur Erfassung des Blutdruckes und ein Mikrophon zur Erfassung der Korotkov-Töne vorgesehen.

Die Genauigkeit der Blutdruckmessung nach der klassischen Korotkov-Methode wird auch bei Verwendung von Filtern und anderen Siebgliedern durch zahlreiche Geräusche und Störtöne beeinträchtigt. Eine Verbesserung haben hier Ultraschall-Blutdrucküberwa- *>5 chungsvorrichtungen der eingangs genannten Art erbracht, wie sie beispielsweise aus der FR-PS !519 993 bekannt sind. Bei diesen wird die abgeschnürte Arterie mittels des Ultraschallgebers mit Ultraschallwellen bestrahlt Die kleine Bewegung der Arterienwand, die beim öffnen und Schließen der Arterie unter der Druckmanschette auftritt, wird durch Aufnahme der reflektierten Ultraschallwellen mit dem Ultraschallaufnehmer erfaßt der wegen des Obersprechens auch vom Ultraschallgeber ausgesendete Ultraschallwellen aufnimmt Die Auswertung des empfangenen Signals erfolgt in einem Empfänger, der einen Ampli'udendemodulator und einen daran angeschlossenen Schwellendetektor umfaßt der immer dann einen Impuls abgibt, wenn am Ausgang des Amplitudendemodulators ein entsprechendes Dopplersignal abgegeben wird. Diese Impulse werden aus einem Oszilloskop zeitabhängig sichtbar gemacht Mit Hilfe dieser Impulse werden die Zeitpunkte bestimmt an welche der systolische bzw. der diastolische Blutdruckwert auftritt die dann mittels eines Manometers bestimmt werden.

Es hat sich jedoch herausgestellt daß auch hier noch eine ganze Reihe von Störungsmöglichkeiten existierten. Das vom Ultraschallaufnehmer abgegebene Signal ist aus mehreren Signalen zusammengesetzt nämlich dem Nutzsignal, das den von der bewegten Arterienwand reflektierten Ultraschallwellen entspricht, und mehreren Störsignalen, welche Ultraschallwellen entsprechen, die erstens von bewegten Knochen und Geweben, die sich mit der Arterie unter Ultraschallbestrahlung befinden, reflektiert werden, die zweitens vom Ultraschallgeber unmittelbar durch Übersprechen zum Ultraschallaufnehmer gelangen und die drittens von fixen Gegenständen, z. B. unbewegten Knochen und Geweben, reflektiert werden. Die beiden erstgenannten Störsignale zeigen im Verlaufe einer Messung Amplituden- und Phasenschwankungen, durch welche die Amplitude und Phase des zusammengesetzten Signals vom Ultraschallaufnehmer beträchtlich verändert werden. Die Schwankungen gehen hauptsächlich auf unvermeidbare Körperbewegungen des Patienten sowie Bewegungen der Druckmanschette relativ zum Körper und Verbiegungen der Druckmanschette beim Aufblasen und Entspannen zurück. Weiterhin können die Amplituden von Störsignaien und auch des Nutzsignals je nach Struktur der die Arterie umgebenden Knochen und verschiedenen Geweben unterschiedliche Werte aufweisen. So haben manche Patienten kleinere Arterien und mehr dämpfende Fettgewebe als andere, was zu einem im Vergleich zu den Störsignalen äußerst kleinen Nutzsignal führt. Auf Grund der geschilderten Erscheinungen ist es bei der bekannten Anordnung praktisch nicht möglich, durch Ermittlung der Frequenz- und Phasenverschiebungen des vom Ultraschallaufnehmer abgegebenen Signals die Bewegung der Arterienwand mit einer Genauigkeit zu erfassen, wie sie zur einwandfreien Bestimmung des systolischen und diastolischen Blutdruckwertes erforderlich ist.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Blutdrucküberwachungsvorrichtung anzugeben, bei welcher die Bewegung der Artcrienwand trotz eines veränderlichen Energieverhältnisses zwischen den von der Arterienwand empfan= gem;n Ultraschallwellen und den insgesamt empfangenen Ultraschallwellen und trotz Störsignalen, die durch Knochen- und Gewebebewegung in der Umgebung der Arterie und durch veränderliches Übersprechen zwischen Ultraschallgeber und Ultraschallaufnehmer entstehen, mit der für die Blutdruckmessung erforderlichen Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfaßt werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Bludrucküberwachungsvorrichtung gelöst.

Bei der neuen Blutdrucküberwachungsvorrichtung wird mittels der Kopplungsschleife eine un ,iwtslbare Kopplung zwischen dem Ultraschallgeber und dem Ultraschallaufnehmer hergestellt und dadurch dem vom Ultraschallaufnehmer abgegebenen Stör- und Nutzsignalen im obigen Sinne ein direkt vom Ultraschallgeber stammendes, in seiner Größe auf dem Kopplungsgrad beruhendes Trägersignal hinzugefügt Das resultierende Signal vom Ultraschallaufnehmer kann als ein frequenzmoduliertes Signal aufgefaßt werden, das als Modulationsinformation die dem Dopplereffekt entsprechende Frequenzverschiebung enthält. Diese Modulaiionsinformation kann wegen der selbsttätigen Einstellung des Kopplungsgrades der Kopplungsschleife derart, daß die Amplitude des Eingangssignals des Empfängers in einem bestimmten Bereich liegt, durch die Frequenzdemodulation des Eingangssignals weitgehend störungsfrei als die gewünschte Information gewonnen werden. Dadurch ermöglicht die erfindungsgemäße B'utdrucküberwachungsvorrichtung eine genaue Blutdruckfeststellung auch bei schwierigen und von Patient zu Patient unterschiedlichen Verhältnissen. Das macht sie insbesondere für die dauernde Überwachung von Patienten in einem Operationssaal oder in einer Intensivstation geeignet Als zusätzlicher Vorteil kommt hinzu, daß durch ein einfaches Amplitudenvergleichsverfahren zwischen den demodulierten Signalen, die den systolischen und diastolischen Blutdruckwerten entsprechen, unterschieden werden kann. Dies beruht darauf, daß die Bewegungen der Arterienwand, die dem systolischen bzw. diastolischen Blutdruckwert entsprechen, verschiedene Frequenzen des demodulierten Signals ergeben und auf Grund dessen spezieller Entstehung bei der erfindungsgemäßen Blutdrucküberwachungsvorrichtung der Spitzenwert der Amplitude des demodulierten Signals proportional zu seiner Frequenz ist.

Der Störabstand der erfindungsgemäßen Blutdrucküberwachungsvorrichtung kann noch weiter durch die Maßnahme des Anspruches 2 verbessert werden. Diese beruht auf der durch statistische Untersuchungen gewonnenen Erfahrung, daß die Frequenz des demodulierten Signals für Bewegungen der Arterienwand innerhalb bestimmter Grenzen licjt, entsprechend welchen der Durchlaßbereich des Bandpaßfilters gewählt wird. Die Ansprüche 3 bis 5 kennzeichnen vorteilhafte bauliche Ausgestaltungen des Empfängers und der Kopplungsschleif?

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Blutdrucküberwachungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig.2 eine graphische Darstellung der Kennlinie eines Diskriminators der Blutdrucküberwachungsvorrichtung,

Fig.3 eine graphische Darstellung des Störungsdämpfungsverlaufs der Blutdrucküberwachungsvorrichtürig,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Schwelleneinstellung für die BlutdruckUberwachungsvorrichtung.

Die Blutdrucküberwachungsvorrichtung 10 gemäß Fig. 1 umfaßt eine um den Oberarm 12 des Patienten gelegte Manschette 17, die mittels einer Luftpumpe 19 aufgeblasen und mittelt eines Ventils 16 entlüftet werden kann. Mit der Manschette 17 ist über ein Magnetventil 21 ein Manometer 23 für den sysiolischen Blutdruck und über ein Magnetventil 25 ein Manometer 27 für den diastolischen Blutdruck verbunden.
Zwischen der Manschette 17 und dem Oberarm 12 sind ein Ultraschallgeber 11 und ein Ultraschallaufnehmer 17 gehalten. Der Ultraschallgeber 11 ist mit einem Sender verbunden, welcher ein ungedämpftes Signal mit der Frequenz 2 MHz abgibt. Dies führt zur Aussendung von Ultraschallwellen durch den Ultraschallgeber U,

ίο welche zum Teil an der Arterie, aber auch an Knochen und Gewebe des Oberarms 12 zum Ultraschallaufnehmer 17 reflektiert sowie zum Teil außerdem durch direktes Übersprechen zum Ultraschallaufnehmer 17 übertragen werden. Der Ultraschallaufnehmer 17 gibt ein

«5 der Summe der empfangenen Ultraschallwellen entsprechendes elektrisches Signal ab, das als Eingangssignal an einen nachgeschalteten Empfänger gelangt.

Der Empfänger umfaßt einen im 2 MHz-Bereich arbeitenden Schmalband-Verstärker 31, welcher einen symmetrischen Begrenzer 33 ansteuert, der zusammen mit einem nachgeschalteten Diskriminator 35 einen Frequenzdemodulator bildet

Zwischen den Ultraschallgeber 11 und den Ultraschallaufnehmer 17 ist eine Kopplungsschleife 37

*5 eingefügt deren Kopplungsgrad mittels einer zugeordneten feuereinrichtung verstellbar ist Die Steuereinrichtung umfaßt einen an den Schmalband-Verstärker 31 angeschlossenen Detektor 39 für die Amplitude des verstärkten Eingangssignals des Empfängers. Das Ausgangssignal des Detektors gelangt über eine Leitung 32 als Steuerspannung an eine Diode 41, welche die Kopplungsschleife 37 über einen Kondensator 43 mit Masse verbindet Je nach Größe der durch den Detektor 39 veränderten Vorspannung der Diode 41 wird ein mehr oder weniger großer Anteil des vom Sender 15 stammenden Signals, das in der Kopplungsschleife 37 fließt nach Masse abgeleitet und dadurch der Kopplungsgrad der Kopplungsschleife verändert
Zur Erzielung einer galvanischen Trennung zwischen Ultraschallgeber 11 und Ultraschallaufnehmer 17 ist in die Kopplungsschleife eine Transistorstufe 45 zwischen zwei Kondensatoren 47 und 49 eingefügt. Die Vorspannungen für die Transistorstufe 45 werden durch Widerstände 51,53 und S3 erzeugt

An den Ausgang des Diskriminatcrs 35 ist ein Bandpaßfilter 61 angeschlossen, dessen Durchlaßbereich im Tonfrequenzgebiet zwischen 100 und 500 Hz liegt Der Ausgang des BandpaGfilters 61 ist mit einem Tonfrequenzverstärker 63 verbunden. Dessen Ausgangsspannung Eo wird über eine Leitung 65 einer Schwellenschaltung 54 zugeführt die aus einer Quelle 66 eine die Schwelle definierende Bezugsspannung Ei erhält Eine der Schwellenschaltung 64 nachgeschaltete logische Schaltung 67 stellt fest, ob die Ausgangsspannung Eo größer oder kleiner als die Bezugsspannung Ei ist und schlieBt im ersten Falle das Magnetventil 21 und im zweiten Falle das Magnetventil 25, so daß im ersten Fall der in der Manschette 17 herrschende Druck als systolischer Blutdruck und im zweiten Fall als diastolischer Blutdruck gemessen wird.

Beim Betrieb der Blutdrucküberwachungsvorrichtung wird die Manschette 17 durch die Luftpumpe 19 bis zur Abschnürung der Arterie aufgeblasen. Durch Einschalten des Senders 15 werden Ultraschallwellen von 2MHz in den Oberarm 12 gesendet. Über das Ventil 16 wird der Luftdruck in der Manschette 17 und den Manometern 23 und 27 langsam abgesenkt. Die hierbei auftretenden Öffnunes-Bewesuneen der Arterie

führen zu einer Dopplerverschiebung der an der Arterienwand reflektierten Ultraschallwellen. Alle im Oberarm reflektierten Ultraschallwellen einschließlich der dopplerverschobenen Ultraschallwellen von der Arterienwand werden im Ultraschallaufnehmer 17 empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, dem ein über die Kopplungsschleife 37 direkt vom Ultraschallgebcr M kommendes Trägersignal hinzuaddiert wird. Mittels der Ausgangsspannung des Detektors 39 wird das Trägersignal derart verstellt, daß die Amplitude des durch die Addition entstehenden Gesamtsignals, also des Eingangssignals des Empfängers, im Bereich zwischen 3 und 10 mV liegt. Dieses Eingangssignal wird im Schmalband-Verstärker 31 um 70 bis 90dB heraufgesetzt und nach phasenmodulationsfreier Begrenzung im Diskriminator 35 verarbeitet, der im Leerlauf eine lineare Bandbreite von maximal ± 100 Hz eine Empfindlichkeit von 50 bis 100 mV, vorzugsweise 80 mV je I Hz hat und dazu am besten ein Krisiall-Diskriminator ist.

F ig. 3 zeigt das statistische Tonfrequenzrauschen Nd am Ausgang des Diskriminators in Abhängigkeit von einem reinen 2 MHz-Eingangssignal El Wenn dessen Amplitude unier einen bestimmten Wert fällt, vgl. F i g. 3, linker Teil, verhindert das statistische Rauschen eines ungedämpften Begrenzers die Erfassung sehr kleiner frequenzmodulierter Signale, die durch Wandbewegungen beim öffnen und Schließen der Arterie verursacht werden. Wenn die Dämpfung zu stark ist. wird das Amplitudenverhältnis des der Arterie zugeordneten Signals zum Gesamtsignal zu klein, um das Arterien-Signal erfassen zu können.

F i g. 2 zeigt den Spitzenwert der Ausgangsspannung Ed des Diskriminators in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals Ei des Empfängers für eine Diskriminator-Empfindlichkeit von 80 mV je I Hz. wenn das Eingangssignal ein Arterien-Signal enthält, dessen Dopplerverschiebung 100 Hz beträgt. Für diese Dopplerverschiebung ergibt sich die an der Kennlinie aufgetragene, von der Amplitude des zusammengesetzten Eingangssignal abhängige effektiv resultierende Frequenzverschiebung des Eingangssignals gegenüber der Abnahme des Tonfrequenzrauschens gemäß Fig.: und andererseits aus der Abnahme der Diskriminator Ausgangsspannung mit zunehmender Amplitude de: Eingangssignals des Empfängers als günstigster Bereich In diesem Bereich wird völlige Dämpfung de: Empfängers bzw. minimales statistisches Tonfrequenz rauschen am Ausgang des Diskriminators 35 erzielt um gleichzeitig ein praktisch konstantes Verhältnis de' Arterien-Signals zum gesamten Eingangssignal erreicht

to Trotz der verminderten Frequenzverschiebung sind di( Arterien-Signale bei praktisch allen Personen ungeach tet der Größe der Arterienbewegurig beim Öffnen odei Schließen der Arterie gut erfaßbar. Als Fall eine; extremen Patienten kann eine effektive Frequenzver Schiebung von ± 0,1 Hz bei einem gesamten Eingangs signal des Empfängers bzw. des Verstärkers 31 von 4 bh 5 mVcft gelten. Hierbei wird noch ein Diskriminator Ausgangssignal von 7,5 mV Spitzenwert erzeugt, dai nach einer Tonfrequenzverstärkung auf das lOOfache bei einem Störpegel von 250 mV einen Störabstand vor 9 dB hat.

Während die von der Arterienwandbewegunj herrührende Frequenzverschiebung nach Addition dei Trägersignals im Bereich von 0,1 bis 5 Hz liegt, hat da; der Dopplerverschiebung entsprechende Signal eine Abweichung von zunächst 100 Hz im systolischer Punkt, die dann auf 400 Hz im mittleren Bereich ansteigi und danach auf ungefähr 100 bis 200 Hz im diastolischer Punkt nOfälll. Die von unerwünschten Reflexionen Störungen durch Bewegung und langsamen Arterien pulsen herrührende Modulation oberhalb des systoli sehen und unterhalb des diastolischen Punktes bleibi unterhalb von 100 Hz. Hinter dem entsprechender Bandpaßfilter 61 werden die Arterien-Signale irr Verstärker 63 um z. B. 5OdB verstärkt, so daß desser Ausgangssignal von beispielsweise maximal 2.75 V größer als die der Schwellenschaltung 64 zugeführte Schwellen- oder Referenzspannung Ef von beispielsweise 2 V ist, vgl. F i g. 4. Das statistische Tonfrequenzrau· sehen ist für die genannten Verhältnisse gemäß Fig.4 kleiner als 500 mV». Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 63 die Schwellenspannung überschreitet

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Amplitude des addierten Trägersignals ist und bei einem gesamten Eingangssignal von 10 mV effektiv 0.2 Hz beträgt, was bei der angegebenen Empfindlichkeit einem Spitzenwert der Diskriminator-Ausgangsspannung von 16 mV entspricht.

Der Amplitudenbereich des Eingangssignals des Empfängers von 3 bis 10 mV ergibt sich einerseits aus UHU Ud:

Magnetventil 21 die Anzeige des Manometers 23 als systolischer Blutdruck fixiert. Wenn mit weiterer Abnahme des Blutdruckes ein Arterien-Signal ausbleibi und die Schwelle unterschritten wird, wird durch Betätigung des Magnetventils 25 der Druck im Manometer 27 als diastolischer Blutdruck festgehalten. 50

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Blutdrucküberwachungsvorrichtung, bei welcher die Bewegungen einer von außen unter Druck gesetzten Arterie durch Doppler-Frequenzverschiebungen von Ultraschallwellen nach Reflexion an der sich bewegenden Arterienwand erfaßt werden, mit einem Ultraschallgeber zur Bestrahlung der Arterienwand und einem Ultraschallaufnehmer zum Empfang der reflektierten Ultraschallwellen, an welchen ein einen Frequenzdemodulator umfassender Empfänger zur Auswertung der Doppler-Frequenzverschiebung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ultraschallgeber (11) und Ultraschallaufnehmer (13) eine Kopplungsschleife (37) eingefügt ist, deren Kopplungsgrad im Sinne einer Empfindlichkeitsverringerung verstellbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß dem Frequenzdemodulator (33,35) ein Bandpaßfilter (61) nachgeschaltet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger einen Schmalband-Verstärker (31), einen symmetrischen Begrenzer (33) und einen Diskriminator (35) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Steuereinrichtung einen an dem Schmalband-Verstärker (31) angeschlossenen Detektor (39) umfaßt

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daU die Kopplungsschleife (37) geberseitig über eine Kapazität (43) und ei'.e Diode (41) geerdet und der Detektor {39) nit dem Verbindungspunkt zwischen Kapazität und Diode verbunden ist.