Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffsättigungsgrades des Hämoglobins
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Sauerstoffsättigungsgrades des Hämoglobins durch Durchleuchten von durchbluteten Gewebeteilen mit Lichtstrahlen mindestens zweier Wellenlängen, die von zwei photoelektrischen Einrichtungen mit logarithmischer Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der einfallenden Lichtintensität aufgenommen werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es ist nun ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, wobei im Gegensatz zu bisher bekanntgewordenen Verfahren die Dicke des durchleuchteten Gewebes sowie die durchstrahlte Masse des Hämoglobins wenigstens in erster Näherung kompensiert werden können, so dass das Messergebnis eine direkte Anzeige der Hämoglobinsättigung ist.
Weiterhin ist es ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, bei welchem die Sättigungswerte entsprechend der natürlichen Skala abgelesen werden können, wobei unter natürlicher Skala die Abhängigkeit des Sauerstoffgehaltes des Blutes von dem Extinktionskoeffizienten verstanden werden soll.
Weiterhin ist es ein Zweck der Erfindung, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wobei die Messwerte kontinuierlich aufgezeichnet werden können.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Spannungsteilers durch Nullabgleich das Verhältnis der Ausgangsspannungen der beiden photoelektrischen Einrichtungen bestimmt und der Sättigungsgrad des Hämoglobins aus diesem Verhältnis ermittelt wird.
Die Erfindung soll anschliessend anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher erläutert werden, wobei darstellen :
Fig. 1 die Versuchsanordnung in schematischer Darstellung,
Fig. 2 in graphischer Darstellung die Abhängig- keit des Extinktions-bzw. Schwächungskoeffizienten von der Wellenlänge der verwendeten Lichtstrahlen, bei 100 /oig gesättigtem Hämoglobin und reduziertem Hämoglobin,
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur Bestimmung des Hämoglobingehaltes mit Abgleich von Hand,
Fig. 4 und 5 je eine Einrichtung zur Bestimmung des Hämoglobingehaltes mit automatischem Abgleich.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung in schematischer Darstellung zur Bestimmung des Hämoglobingehal- tes. Mit 1 ist ein durchblutetes Gewebeteil, beispielsweise das Ohrläppchen, bezeichnet, welches von dem Licht einer Lichtquelle 2 beispielsweise einer Glüh- lampe durchstrahlt wird. Zur Aufnahme der Strahlen sind zwei photoelektrische Einrichtungen vorgesehen, bei denen die abgegebene Leerlaufspannung eine logarithmische Funktion in Intensität des auftreffenden Lichtes ist. Als photoelektrische Einrichtungen 3 und 4 eignen sich daher beispielsweise Photoelemente oder andere lichtempfindliche Einrichtungen, die gegebenenfalls über eine Kunstschaltung ein Signal abgeben, welches die erwähnte logarithmische Funktion bezüglich der Lichtintensität darstellt.
Da die beiden Photoelemente 3 und 4 eine Spannung abgeben sollen, die der Intensität je eines bestimmten unterschiedlichen Spektralbereiches entsprechen soll, sind Filter 5 und 6 vorgesehen, die nur Strahlen dieser Wellenlängenbereiche durchlas sen. Die beiden Wellenlängen bzw. Wellenlängen- bereiche müssen bezüglich des Hämoglobins bei praktisch aIlen Sättigungsgraden einen unterschied- lichen Extinktionskoeffizienten aufweisen. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Filter selbstver ständlich auch zwischen dem Ohrläppchen 1 und der Lichtquelle 2 vorgesehen sein können.
Weiterhin können die Photoelemente auch ineinander angeordnet werden, wobei einzelne photoempfindliche Flächen der Photoelemente 3 und die restlichen photoempfindlichen Flächen der Photoelemente 4 zugeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind vorzugsweise die photosensitiven Schichten selbst wel lenlängenabhängig.
Zur Erläuterung der an die Photoelemente 3 und 4 angeschlossenen Schaltungen ist zunächst auf die Funktionsweise des Messprinzipes einzugehen.
Für die Theorie der Oxymeter kann die Gültigkeit des Lambert-Beerschen Gesetzes vorausgesetzt werden, welches wie folgt dargestellt werden kann : ¯kCd
I= Ioe Hierbei ist lo die Intensität des von der Lichtquelle 2 abgegebenen Lichtes, I die Intensität des auf die Photozelle auftreffenden Lichtes, d die durchdrungene Gewebedicke, C die gesamte Hämoglobinkonzentra- tion und k der Extinktionskoeffizient des Hämo- globingemisches. Das Hämoglobingemisch setzt sich zusammen aus Oxyhämoglobin bzw. gesättigtem Hämoglobin und reduziertem Hämoglobin.
Der Ausdruck kC setzt sich somit wie folgt zusammen : kC = koCo T krCr (2) wobei ko, Co dem Oxyhämoglobin entsprechen und kr, Cr dem reduzierten Hämoglobin.
Nach der Gleichung (1) ist die Grösse I von dem Wert dC, das heisst von dem Blutgehalt im durchleuchteten Gewebe abhängig. Diese Abhängigkeit muss jedoch kompensiert werden, da die Menge des in dem Gewebe vorhandenen Blutes das Messergebnis bezüglich der Sättigung des Hämoglobins nicht beeinflussen darf. Um diese Kompensation vorzunehmen, werden nun bei zwei verschiedenen Wellenlängen Messungen mittels photoelektrischer Einrichtungen vorgenommen, wobei diese Einrichtungen eine logarithmische Abhängigkeit der Spannung von dem einfallenden Licht aufweisen.
Es ergeben sich somit die beiden folgenden Beziehungen : V1 = log 11 (3a)
V = log I2 (3b) wobei V1 und V2 die Spannung der photoelektrischen Einrichtungen bei den Intensitäten li und Io bei den Wellenlängen 21 und 22 ist. Durch Multiplikation mit der Verhältniszahl S ergibt sich die Formel 3b zu SV2=, 5 log 1 (3bt)
Zur Kompensation werden die beiden Spannungen voneinander subtrahiert, so dass sich die folgende Beziehung ergibt :
vi ¯SV2 = log I,-S log I,- (log IOl-S log 1U2)- (kl-Sk,) Cd (4)
Eine Kompensation ist nur dann gegeben, wenn der Klammerausdruck (k-Sk. l) = 0, da dann der Wert von Ccl keinen Einfluss mehr auf das Messergeb- nis ausüben kann. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Ausdruck S bzw. der Multiplikationsfaktor, mit dem die Spannung V"multipliziert wird, so lange variiert wird, bis kl = 57 wird.
Um dies zu erreichen, wird beispielsweise an das eine Photoelement ein Spannungsteiler angeschlossen, mittels welchem die an dem Angriff erscheinende Spannung so lange variiert wird, bis diese Spannung gleich der Spannung ist, welche am zweiten Photoelement erscheint.
Fig. 2 zeigt den Verlauf des Extinktionskoeffi- zienten in Abhängigkeit der WellenlÅange A bei reduziertem Hämoglobin (Kurve A) und bei Oxyhämoglobin (Kurve B). Die beiden Kurven schneiden sich im Punkt C, dem sogenannten isosbestischen Punkt. Vorzugsweise wird die Ansprechwellenlänge eines Photoelementes durch entsprechende Wahl des vorgeschalteten Filters in diesen isobestischen Punkt gelegt (A2), während die andere Wellenlänge von dem isosbestischen Punkt aus gesehen vorzugsweise in den kurzwelligeren Bereich gelegt wird (iS1).
Sämt- liche Kurven, die einem praktischen, vorkommenden Sättigungsgrad des Hämoglobins entsprechen, liegen zwischen den Kurven A (reduzgertes Hämoglobin) und der Kurve B (Oxyhämogiobiil). Ist nun S gemäss der Formel (4) so gewählt, dass der Klammerausdruck (k,-Sks) Null wird, lässt sich ki zufolge des Be kanntseins von k2 oder durch Eichungen bzw. Vergleichsmessungen bestimmen, was auf der Geraden der Wellenlänge 1 (Fig. 2) ohne weiteres den Sätti- gungsgrad festzulegen gestattet.
Lediglich beispielshalber sei angeführt, dass, wie in Fig. 2 ersichtlich, ein Wert von ki = 2 einem Sättigungsgrad von 60'!'o zugeordnet sein kann.
Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung der beschriebenen Messung, wobei die Photoelemente wiederum mit 3 und 4 bezeichnet sind. Da wie aus der Formel 4 zu ersehen ist, die beiden Spannungen V, und V2, die an den Photoelementen 3 und 4 erscheinen, voneinander subtrahiert werden müssen, sind die beiden Photoelemente entgegengesetzt gepolt. wie dies den eingezeichneten Vorzeichen entspricht. Parallel zu den Photoelementen 4 liegt ein die Widerstände 10 und 11 enthaltender fester Spannungsteiler und parallel zu den Photoelementen 3 ein veränderlicher Spannungsteiler in Form eines Potentiometers 12. An den Abgriffen der beiden Spannungsteiler erscheint somit eine Spannung, die durch einen Verstärker 13 verstärkt wird.
Es ist ohne weiteres zu ersehen, dass der Wert S durch Verstellen des Potentiometers 12 variiert werden kann.
An dem Ausgang des Verstärkers 13 ist eine Kathodenstrahlröhre 14 angeschlossen. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass das Blut in dem durch geleuchteten Gewebestück 1 pulsiert, so dass der Spannungswert (Vt-SV2) ebenfalls im Rhythmus des Herzschlages Amplitudenänderungen unterworfen ist. Diese Amplitudenänderungen treten jedoch nur auf, wenn am Eingang des Verstärkers 13 eine Spannung erscheint, das heisst wenn V3 7 52 ; diese Änderungen sind dann auf dem Schirm der Katho denstrahlröhre 14 sichtbar. Das Potentiometer 12 wird nun bei der Durchführung der Messung so lange verstellt, bis auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 14 keinerlei zeitliche Abhängigkeit mehr erkennbar ist.
Ist ein derartiger Abgleich des Potentiometers 12 erreicht, ist der Klammerausdruck (k-Sk2) = 0.
Der Hämoglobingehalt kann nun beispielsweise an einem Zeiger, der mit dem Abgriff des Potentio- meters 12 verbunden ist, ohne weiteres abgelesen werden.
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass an den Verstärker 13 keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen, da es beispielsweise ausreichend ist, wenn nur eine Wechselstromkomponente des Pulses, beispielsweise eine Oberwelle, zu der Kathoden strahlröhre 14 gelangt. Es ist nicht erforderlich, dal3 die auf dem Schirm erscheinende Spannung genau der Pulswelle entspricht.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die beiden, wieder mit 3 und 4 bezeichneten Photoelemente über je einen Verstärker 16,17 mit je einem Gleichrichter 18 und 19 verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist es erforderlich, dass die beiden Verstärker 16 und 17 mit einem weitgehend konstanten Verstärkungsfaktor verstärken. Die Ausgänge sind wie dargestellt über ein Potentiometer 20 miteinander verbunden, wobei dieses Potentiometer so eingestellt werden kann, dass zwischen dessen Abgriff 21 und der Verbindungsleitung 22 zwischen zwei Ausgangsklemmen beider Gleichrichter 18 und 19 entgegengesetzter Polarität keine Spannung mehr erscheint. Zur automatischen Erzeugung dieses Nullausgleiches sind die Leitungen 21 und 22 mit einem Verstärker 23 verbunden, an dessen Ausgang ein Servomotor 24 angeschlossen ist.
Dieser Servomotor betätigt, wie bei 25 angedeutet, auf mechnischem Wege das Potentiometer 20. Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass der Servomotor den Abgriff des Potentiometers derart verstellt, dass am Ausgang des Verstärkers 23 praktisch keine Spannung mehr erscheint. Wie oben ausgeführt, entspricht dies dem Kriterium des genauen Abgleiches ; die nun erreichte Stellung des Abgriffes des Potentiometers 20 ist eine Anzeige für den tatsächlichen Hämoglobinsättigungs- grad des Blutes in dem durchleuchteten Gewebe.
Mit der Einrichtung der Fig. 4 kann auch eine Schreibvorrichtung verbunden sein, die irgendwelche Änderungen des Sättigungsgrades kontinuierlich aufzeichnet. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine schematisch bei 27 gezeigte Papiertransportvorrichtung vorgesehen sein, auf der eine Schreibvorrichtung hin und her bewegt wird, wie dies bei 28 schematisch angedeutet ist. Der Schreibstift wird dabei von dem Servomotor 24 in gleicher Weise gesteuert wie der Abgriff des Potentiometers 20.
Wie bereits ausgeführt, ist es bei der Ausfüh- rungsform der Fig. 4 erforderlich, dass die beiden Verstärker 16 und 17 mit sehr konstantem Verstär- kungsgrad verstärken. Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist bei der Ausführungsform einer Messeinrich- tung gemäss Fig. 5 der Verstärker an die Ausgangsseite des Spannungsteilers angeschlossen. Die wiederum mit 3 und 4 bezeichneten Photoelemente sind je über einen Kondensator 30 bzw. 31 mit einem Gleichrichter 32 bzw. 33 verbunden. Die Ausgänge der Gleichrichter 32 bzw. 33 sind in gleicher Weise wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 mit einem hier mit 34 bezeichneten Potentiometer als Span nungsteiler verbunden.
An den Spannungsteiler 34 ist zunächst ein Zerhacker 35 angeschlossen, welcher die ankommende Gleichspannung zur Erleichterung der Verstärkung in dem nachfolgenden Verstärker 36 in Impulse umwandelt. Der Verstärker 36 ist dann als Wechselstromverstärker ausgebildet und steuert in gleicher Weise wie bei der Ausführungs- form der Fig. 4 einen Servomotor 37, der einerseits das Potentiometer 34 derart einstellt, dass die Spannung mit Ausgang des Verstärkers 36 ein Minimum erreicht und gegebenenfalls gleichzeitig eine hier mit 38 bezeichnete Schreibvorrichtung steuert.