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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Messen eines physikalischen Parameters eines Prüfkörpers gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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In
vielen Bereichen der Technik ist es bekannt, dass ein physikalischer,
erster Parameter mit einem weiteren, zweiten quasiperiodischen Parameter
korreliert. Auf medizintechnischem Gebiet ist es zum Beispiel bekannt,
dass die Impulse eines Elektrokardiogramms mit dem Blutdruck korrelieren,
dass weiterhin zum Beispiel die Herzfrequenz mit der Atemtiefe korreliert,
oder dass der Innendruck des Auges mit dem Blutdruck korreliert.
Es gibt zahlreiche andere Beispiele auch auf anderen technischen
Gebieten, in denen eine solche Korrelation gegeben ist. Im Folgenden
soll nur das Messen des Augendruckes beispielhaft herangezogen werden.
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Zum
Ermitteln des intraokularen Druckes bei Mensch oder Tier sind seit
vielen Jahren Druckmessgeräte
bekannt.
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Die
gängigsten
Druckmessgeräte
beziehungsweise Tonometer sind so genannte Applanationstonometer,
bei denen eine ebene Platte nach vorheriger Anästhesie des Auges auf die Hornhaut
des Auges aufgesetzt und anschließend soweit vorgeschoben wird,
bis die Hornhaut insgesamt an der ebenen Platte anliegt.
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Des
Weiteren sind Luftstosstonometer bekannt, bei denen eine vorherige
Anästhesie
des Auges nicht notwendig ist. Bei diesen Tonometern wird ein kurzer
Luftstoff mit bekannter Energie aus kurzer Entfernung auf das Auge
abgegeben, wobei aus der Reaktion des Auges entsprechend seiner
Verformung der intraokulare Druck bestimmt werden kann.
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Des
Weiteren sind auch Tonometer bekannt und am Markt etabliert, die
auf dem Prinzip der Rückstosstonometrie
basieren. Das Grundprinzip der Rückstosstonometrie
wurde schon in den Dreißigerjahren
des 20. Jahrhunderts beschrieben, jedoch zunächst nicht weiterentwickelt.
Erst etliche Jahre später
wurde das Verfahren neu aufgegriffen. So beschreibt die
US-A-5,276,239 ein Verfahren, bei
dem ein Ball aus einer bestimmten Entfernung auf das Auge des liegenden
Patienten fällt.
Aus der Höhe
des Rückstosses
kann der intraokulare Druck ermittelt werden.
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Ebenso
wird in der
US-A-6,394,954 das
Prinzip eines frei auf das Auge fallenden Körpers genutzt.
US-A-6,093,147 beschreibt
ein Tonometer, bei dem ein Messkörper
aus kurzer Entfernung auf das Auge hin beschleunigt wird, wobei
zumindest während
der Beschleunigung und gegebenenfalls auch während des Rückweges des Messkörpers dessen
Bewegungsverhalten gemessen wird.
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In
der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2004 001 675 A1 ist ein Rückstosstonometer
beschrieben, bei dem ebenfalls ein kleiner Messkörper auf das Auge beschleunigt
wird. Anhand des Impulsverlustes, den der Messkörper beim Rückstoss erfährt, kann auf den intraokularen
Druck geschlossen werden. Eine Messung des Bewegungsverhaltens des
Messkörpers
ist nicht notwendig. Zusätzlich
werden jedoch Korrekturwerte ermittelt, etwa die Masse des Messkörpers oder
der Winkel, unter dem der Mess körper
das Tonometer verlässt.
Die Messergebnisse des Tonometers sind stark davon abhängig, dass
die Austrittsgeschwindigkeit des Messkörpers konstant ist. Dieser
Wert schwankt jedoch durch die Fertigungstoleranzen für den Messkörper und
hängt auch
von der Gravitationskraft ab, wenn zum Beispiel der Messkörper nicht
exakt horizontal auf das Auge beschleunigt wird. Mit Hilfe der besagten
Korrekturwerte kann die Präzision
der mit einem solchen Rückstosstonometer
erzielten Messergebnisse wesentlich erhöht werden.
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Die
schweizer Firma SMT Swiss Micro Technology AG hat ein Tonometer
entwickelt, das von der schweizer Firma Ziemer Ophthalmic Systems
AG vertrieben wird; vgl. www.pascaltonometer.com.
Dieses Tonometer weist eine auf die Hornhaut des Auges aufzusetzende
und mit einem bestimmten Druck gegen diese andrückbare konkav konturierte Sensoranlagefläche auf,
in die ein kleiner Kraftaufnehmer, zum Beispiel ein piezoelektrischer
Kristall integriert ist, der während
der Messung des Intraokulardruckes durch das Tonometer die Schwankungen
dieses Messwertes, d. h. die okulare Impulsamplitude. detektiert,
die durch die quasiperiodischen Änderungen des
Blutdruckes hervorgerufen werden. Hierbei werden durch den piezoelektrischen
Kristall etwa 100 Messungen pro Sekunde vorgenommen, sodass der Verlauf
des intraokularen Druckes und die okulare Impulsamplitude praktisch
kontinuierlich erfasst werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen eines physikalischen Parameters anzugeben, der mit einem
zweiten quasi periodischen Parameter korreliert ist, wobei diese
Korrelation auf einfache Weise festgestellt werden kann. Insbesondere
sollen hierzu nur wenige Messungen nötig sein.
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Diese
Aufgabe ist gemäß der Erfindung
für ein
Verfahren durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, für eine Vorrich tung
gemäß der Erfindung durch
die Merkmale des unabhängigen
Anspruches.
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Demgemäß wird für die Periodendauer
des zweiten Parameters ein Erwartungswert vorgegeben, wobei dieser
Erwartungswert entweder geschätzt wird
oder durch Messwerte des zweiten Parameters vorgegeben wird. Die
Periodendauer wird ausgehend von einem im Grunde beliebigen Anfangswert in
mehrere Zeitintervalle aufgeteilt, wonach mehrere aufeinander folgende
Kurzzeitmessungen für
den ersten physikalischen Parameter durchgeführt werden. Die Messzeit für jede Kurzzeitmessung
ist hierbei kürzer
als die einzelnen Zeitintervalle, in die der Erwartungs- oder Messwert
für die
Periodendauer des zweiten Parameters unterteilt ist. Die einzelnen Kurzzeitmessungen
werden, ausgehend vom Start der ersten Kurzzeitmessung, zum Beispiel
durch einen Mikroprozessor gesteuert, an Zeitpunkten ausgeführt, die
einem Vielfachen des Erwartungswertes beziehungsweise Messwertes
der Periodendauer des zweiten Parameters plus einem der gewählten Zeitintervalle
entsprechen, wobei das Zeitintervall NULL ebenfalls berücksichtigt
wird. Wenn die erste Kurzzeitmessung etwa durch einen Arzt manuell
ausgelöst
wird, errechnet die Steuereinrichtung, das heißt in der Regel der Mikroprozessor,
den Zeitraum bis zu der Auslösung
dieser zweiten Messung. Dies erfolgt üblicherweise so, dass ein Zeitmesser,
etwa ein in den Mikroprozessor integrierter Taktgeber, ausgehend
von dem Wert NULL bei der ersten Auslösung die Zeit bis zum Ende
der geschätzten
oder gemessenen Periodendauer des zweiten Parameters zählt, dann
auf Null gesetzt wird und erneut für eine Periodendauer zu zählen beginnt
usw. Bei der zweiten Auslösung
zur Durchführung
einer zweiten Kurzzeitmessung wird der gemessene Zeitraum seit dem letzten
Nullsetzen des Taktgebers bestimmt und der tatsächliche Auslösezeitpunkt
für die
zweite Kurzzeitmessung durch die Steuereinrichtung so verzögert, dass
die zweite Auslösung
zu einem Zeitpunkt erfolgt, der einem der ausgewählten Zeitintervalle entspricht.
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Das
gleiche Verfahren wird für
die folgenden Kurzzeitmessungen gesteuert durchgeführt.
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Es
werden so viele Kurzzeitmessungen entsprechend gesteuert ausgeführt, bis
die Korrelationsbeziehung zwischen den beiden Parametern ermittelbar
ist. Die Steuereinrichtung, das heißt der Mikroprozessor steuert
bevorzugt die Auslösung
der Einzelmessungen so, dass pro gewähltem Zeitintervall stets nur
eine Kurzzeitmessung ausgeführt
wird. Bevorzugt werden alle ausgewählten Zeitintervalle berücksichtigt,
jedoch kann es durchaus ausreichen, nur eine geringere Anzahl von
Kurzzeitmessungen auszuführen,
sofern dann bereits die Korrelation zwischen den beiden Parametern
ermittelbar ist. Durch eine kleine Anzahl von Kurzzeitmessungen,
in der Regel werden bei der Messung des intraokularen Druckes eines
Auges sechs bis sieben solcher Messungen ausgeführt, kann schnell die Korrelation
der beiden Parameter bestimmt werden. Auf diese Weise können die
mit Hilfe eines Impuls- oder Rückstosstonometers
gemessenen Messwerte für
den intraokularen Druck kritischer und genauer beurteilt werden, da
die Einflüsse
des zweiten quasiperiodischen Parameters, in diesem Falle des Blutdruckes
auf den intraokularen Druck, deutlich zu sehen sind. Bei bisherigen
Messungen des intraokularen Druckes, die lediglich auf einer Kurzzeitmessung
basieren, liegen die Schwankungen der Messwerte bei 3 mm Hg bis teilweise
sogar 9 mm Hg.
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Insgesamt
erhöhen
die durch eine Steuereinrichtung, in der Regel ein Mikroprozessor,
mehrfach zu bestimmten Zeitpunkten ausgeführten Kurzzeitmessungen die
Präzision
der Messung des ersten Parameters; die Mehrfachmessung gemäß der Erfindung
bietet im medizinischen Bereich, insbesondere beim Messen des intraokularen
Druckes, großen
diagnostischen Nutzen, da sie Informationen über Druckschwankungen im Auge
liefert, die derzeit ausschließlich
mit den oben genannten Verfahren zu erzielen sind, die in der Regel
eine vorherige Anästhesie
des Auges benötigen.
Die Messung gemäß der Erfindung
bleibt dennoch einfach durchführbar, ist
weitestgehend schmerzfrei und ist ohne Lokalanästhetikum möglich.
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Die
einzelnen Kurzzeitmessungen werden durch den Arzt oder einen Assistenten
bevorzugt manuell gestartet, da hiermit sicher gestellt wird, dass das
Auge des Patienten sich in ruhiger Stellung befindet und für die Messung
frei zugänglich
ist. Die tatsächliche
Auslösung
der Messung wird dann durch die Steuereinrichtung, üblicherweise
den Mikroprozessor, ausgelöst.
Wird der zweite Parameter gemessen, können die tatsächlichen
Auslösezeitpunkte z.
B. so gesteuert werden, dass nur drei Messungen notwendig sind,
etwa am Minimum des zweiten Parameters, am Maximum und etwa in der
Mitte des Parameters.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die
Erfindung ist im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In
dieser stellen dar:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Messen des intraokularen
Druckes gemäß der Erfindung;
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2 eine
zweite Ausführungsform
zum Messen des intraokularen Druckes gemäß der Erfindung; und
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3 ein
Zeitdiagramm für
die Auslösung von
Kurzzeitmessungen nach dem Verfahren gemäß der Erfindung.
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In
1 ist
ein Rückstosstonometer
schematisch dargestellt. Bei diesem Tonometer wird ein Messkörper E zum
Beispiel mit Hilfe einer elektromagnetischen Spule G auf ein Auge
F beschleunigt. Von dem Auge prallt der Messkörper ab. Die Geschwindigkeit,
mit der der Messkörper
E das Tonometer ver lässt,
wird so gewählt,
dass die Zeit, während
der der Messkörper
direkten Kontakt mit dem Auge F hat, kleiner als der Pulsschlag
des Menschen oder Tieres ist. In der Regel liegt die Kontaktzeit
bei nur wenigen Millisekunden. Der intraokulare Druck wird ermittelt, indem
entweder das Bewegungsverhalten des Messkörpers E selbst gemessen oder
der beim Aufprall erlittene Impuls- oder Energieverlust gemessen
wird; zur Funktion dieses Messkörpers
vgl. insbesondere die oben erwähnte
DE 10 2004 001 675
A1 .
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Das
Tonometer wird mit Hilfe eines Mikroprozessors A gesteuert. Die
Beschleunigung des Messkörpers
E wird über
einen Auslöseschalter
B ausgelöst,
der zum Beispiel manuell von einem Arzt oder einem Assistenten beziehungsweise
einer Assistentin betätigt
wird. Die Beschleunigung des Messkörpers nach diesem erstmaligen
Auslösen
findet zu einem beliebigen oder auch festen Zeitpunkt statt, der von
dem Mikroprozessor registriert wird. Der für den intraokularen Druck ermittelte
Messwert wird ebenfalls im Mikroprozessor gespeichert. Dieser Wert kann
auch in einem mit dem Mikroprozessor A verbundenen Display I angezeigt
werden.
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Wird
der Messkörper
E zum zweiten Mal ausgelöst,
so überwacht
der Mikroprozessor A den tatsächlichen
Zeitpunkt der Auslösung
des Messkörpers,
indem der Zeitraum zwischen dem ersten Auslösen und dem zweiten manuellen
Auslösen
durch einen Zeitmesser C gemessen und in einem Speicher D gespeichert
wird. Der Zeitraum zwischen dem Ablauf eines ganzzahligen Vielfachen
der Periodendauer des zweiten Parameters und der erneuten Auslösung wird
so verlängert,
dass die tatsächliche
Auslösung
auf einen Zeitpunkt entsprechend eines der gewählten Zeitintervalle fällt. Bei
einem dritten manuellen Auslösen
des Auslöseschalters
B bestimmt der Zeitmesser C wiederum die Zeit, welche zwischen dem
zweiten und dritten Start der Beschleunigung des Messkörpers E
liegt. Wiederum wird dieser Zeitraum durch die Periodendauer geteilt,
wobei das verbleibende Zeitintervall so verlängert wird, dass es mit einem
der gewählten
Zeitintervalle für
die Unterteilung der Periodendauer zusammenfällt. Dieses Verfahren wird
für jedes
weitere Auslösen
der Beschleunigung des Messkörpers
E fortgesetzt, bis erkennbar ist, wie der erste Parameter intraokularer
Druck mit dem zweiten Parameter Blutdruck korreliert.
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Die
Funktionen des Zeitmessers C und des Zeitspeichers D können natürlich in
den Mikroprozessor integriert werden.
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Im
einfachsten Falle ist die Pulsfrequenz des Probanden
nicht bekannt. Hier kann ein Erwartungswert vorgegeben werden, so
zum Beispiel ein einzelner Pulsschlag pro Sekunde, was einem mittleren
Impuls von 60 pro Minute entspricht. Wenn diese Periodendauer von
einer Sekunde zum Beispiel in sechs Zeitintervalle von je 166,6
Millisekunden unterteilt wird, so sollten jeweils Kurzzeitmessungen
nach einem Vielfachen des Erwartungswertes plus einem der Zeitintervalle
ausgeführt
werden, das heißt
im Zeitintervall 0 ms beziehungsweise 1000 ms, 166 ms, 333 ms, 500
ms, 667 ms und 833 ms. Vielfache der Periodendauer eines Herzschlages,
in diesem Beispiel einer Sekunde, werden hierbei wie der einmalige
Herzschlag betrachtet, sodass das Zeit erfassende System stets nur
bis zur Dauer eines Erwartungswertes für einen Herzschlag zählen muss
und im Anschluss wieder von NULL zu zählen beginnt.
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Vorzugsweise,
aber nicht zwangsläufig,
verzögert
der Mikroprozessor A das Auslösen
der Beschleunigung des Messkörpers
exakt bis zur nächsten „freien", also noch nicht
verwendeten Auslösedauer,
wie oben beschrieben, da auf diese Weise ein möglichst großer Abstand zwischen den Einzelmessungen
liegt und so auch bei real anderen Herzfrequenzen das mehrfache
Auslösen
des Messkörpers zu
einer bestimmten Pulszeit praktisch ausgeschlossen werden kann.
Erfindungsgemäß kann jedoch auch jede
beliebige andere Zeitfolge gewählt
werden, wobei selbst das bewusste Auslösen zu exakt demselben Zeitpunkt
eines Pulszyklus denkbar ist. Bevorzugt wird jedoch jede Messung
so verzögert, dass
die Beschleunigung des Messkörpers
zu einem anderen Zeitpunkt des Pulszyklus erfolgt. Hiermit werden
Fehlmessungen ausgeschlossen, die entstehen, wenn die Messung mehr
als zweimal zum selben Zeitpunkt des Pulszyklus ausgeführt wird.
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Im
Vorherigen wurde für
die Pulsfrequenz ein Erwartungswert vorgegeben; es ist jedoch auch
möglich,
diesen Erwartungswert durch einen tatsächlichen Messwert zu ersetzen.
Hierzu zeigt 2 den Aufbau eines weiteren
Ausführungsbeispieles
eines Rückstosstonometers
gemäß der Erfindung.
Der Aufbau des Rückstosstonometers
entspricht hierbei dem Aufbau gemäß 1, jedoch
ist zusätzlich
ein Pulsmesser H vorgesehen, der so am Körper des Probanden befestigt
ist, dass dessen Puls gemessen werden kann. Üblicherweise geschieht dieses
am Handgelenk, an der Fingerkuppe, an der Schläfe oder der Halsschlagader.
Die ermittelte Pulsfrequenz wird kontinuierlich zu dem Tonometer übertragen.
Dies kann über
ein Kabel, aber auch kabellos geschehen, zum Beispiel über eine
Infrarotschnittstelle oder den Übertragungsstandard
Blue Tooth, wobei jedoch jede andere Übertragungsmethode denkbar
ist. Alternativ kann der Pulsmesser auch direkt in das Tonometer integriert
werden.
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Die
Auslösefrequenz
der Beschleunigung des Messkörpers
E des Tonometers ist bei dieser Ausführungsform nicht mehr fest
vorgegeben, sondern bestimmt sich nach der gemessenen Pulsfrequenz.
Die Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen wird
wiederum über
den Zeitmesser C gemessen, über
den Zeitspeicher D gespeichert und über den Mikroprozessor A dahingehend
verwendet, weitere Messungen so zu verzögern, dass die jeweiligen Einzelmessungen
einer Messreihe zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Pulszyklen
erfolgen. Da in diesem Fall die Pulsfrequenz des Probanden bekannt
ist, kann durch Teilung der Pulsfrequenz durch die geplante Anzahl
von Einzelmessungen ein Teilungsverhältnis ermittelt werden, die
es dem Prozessor ermöglicht,
den Start der Beschleunigung des Messkörpers so zu steuern, dass Messergebnisse
sowohl im Minimum als auch im Maximum der Amplitude einer pulsabhängigen Druckkurve
erzielt werden. Auf diese Weise lassen sich die unterschiedlich
hohen pulsbedingten Druckschwankungen des intraokularen Druckes
quantifizieren. Je mehr Einzelmessungen durchgeführt werden, desto präziser lässt sich
auf diese Weise die Druckkurve über
ihren zeitlichen Verlauf aufzeichnen. Schon mittels in der Regel
sechs statischen Einzelmessungen lässt sich eine dynamische Druckkurve
aufzeichnen, die der realen Druckkurve sehr nahe kommt, wie dieses
in 3 dargestellt ist.
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Der
Schwankungsbereich des intraokularen Druckes sowie die durch den
Blutdruck beeinflusste dynamische Druckkurve lassen sich, wie bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 auf
einem Display I gemeinsam mit dem mittleren Druck anzeigen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist es üblicher
Weise ausreichend, die Pulsfrequenz über eine gewisse Zeit zu messen
und diesen Wert dann dem Mikroprozessor einzugeben. Sollte sich
die Pulsfrequenz des Probanden zum Beispiel durch erhöhte Nervosität während der
Messung verändern,
so könnte
dieses zu Fehlmessungen führen.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird daher die Pulsfrequenz fortlaufend gemessen und dem
Mikroprozessor des Tonometers auch fortlaufend zugeführt. In
diesem Falle wird das Teilungsverhältnis für die Periodendauer von Puls
zu Puls stets neu berechnet und die Auslöseverzögerung des Messkörpers vor
jedem Auslösen
der Beschleunigung des Messkörpers
an das aktuelle Teilungsverhältnis
neu angepasst.
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In 3 ist
ein Diagramm für
die tatsächlichen
Auslösezeitpunkte
nach jeweils einer durch einen Stern (*) gekennzeichneten manuellen
Auslösung
anhand der Pulsfrequenz dargestellt. Die erste manuell ausgelöste Einzelmessung
wird durch den Mikroprozessor so verzögert, dass der Zeitpunkt der tatsächlichen
Auslösung
auf einen Zeitpunkt 333 ms nach dem Ende einer Pulksperiode fällt; die
zweite Einzelmessung wird so verzögert, dass sie auf einen Zeitpunkt
166 ms nach Ende einer Pulsperiode fällt; die anderen Zeitpunkte
liegen bei 833 ms, 1000 ms, 500 ms und 666 ms nach Ende einer Pulsperiode. Man
sieht, dass der Mikroprozessor nach einer manuellen Auslösung jeweils
das nächste „freie" Zeitintervall wählt und
damit die tatsächliche
Auslösung steuert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist nicht beschränkt
auf die Messung des intraokularen Druckes am menschlichen oder tierischen
Auge. Es kann auch zum Messen anderer Drücke verwendet werden. Denkbar
ist beispielsweise die Messung des Druckes innerhalb von Blutgefäßen; auch
in diesen ändert
sich der Druck periodisch. Ebenso ist die Messung anderer physikalischer
Größen möglich, die
von einem zweiten quasiperiodischen Parameter abhängig sind,
wie dieses oben ausgeführt
wurde.