DE102013205403A1

DE102013205403A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung des Hydratationszustandes eines menschlichen oder tierischen Körpers

Info

Publication number: DE102013205403A1
Application number: DE102013205403.3A
Authority: DE
Inventors: Henning Hayn; Kathrin Graner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-16
Also published as: US20140296662A1; GB201404798D0; GB2513476A

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erfassung des Hydratationszustandes eines menschlichen oder tierischen Körpers werden Impedanzmessungen an der Körperoberfläche durchgeführt. Hierbei werden wenigstens eine Zweipolmessung und wenigstens eine Vierpolmessung durchgeführt und ausgewertet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Hydratationszustandes eines menschlichen oder tierischen Körpers.
Stand der Technik
Mit dem Hydratationszustand eines Menschen wird üblicherweise beschrieben, wie hoch der Anteil von Flüssigkeit im menschlichen Körper ist. Enthält der Körper zu wenig Flüssigkeit, besteht die Gefahr einer Austrocknung. Man spricht in diesem Fall von einer Dehydratation. Je nachdem, wie sich das Verhältnis zwischen Wasser- und Salzgehalt im Körper ändert, spricht man von einer isotonen (Verlust von Wasser und Salz im gleichen Verhältnis), einer hypertonen (Wasserverlust ohne entsprechenden Salzverlust) oder einer hypotonen (Salzverlust höher als der Wasserverlust) Dehydratation. Ist dagegen zu viel Wasser im Körper vorhanden, spricht man von einer Hyperhydratation. Vor allem ältere Menschen leiden oft unter einer Dehydratation, die mit schwerwiegenden gesundheitlichen Folgen einhergeht. Daher besteht das Bedürfnis, den Hydrationszustand eines Menschen möglichst regelmäßig und einfach überwachen zu können, um das Risiko einer Dehydratation rechtzeitig zu erkennen, sodass geeignete Maßnahmen, insbesondere eine Flüssigkeitszufuhr, ergriffen werden können.
Es gibt bereits verschiedene Verfahren, um den Hydratationszustand einer Person bestimmen zu können. Beispielsweise kann das spezifische Uringewicht gemessen werden, oder der Hydratationszustand kann anhand von Blutwerten bestimmt werden, oder es kann ein Turgor-Test durchgeführt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Abschätzung des Hydratationszustandes anhand der Färbung der Mundschleimhäute. Auch durch eine Betrachtung der Elastizität der Haut ist ein Rückschluss auf den Hydratationszustand möglich, wobei allerdings insbesondere bei älteren Leuten die Hautelastizität vermindert ist, sodass hierdurch vor allem bei der Risikogruppe der älteren Personen nur schwer eine eindeutige Aussage zum Hydratationszustand zu treffen ist.
Weiterhin kann der Hydratationszustand eines Körpers mittels einer bioelektrischen Impedanzmessung bestimmt werden. Bei der bioelektrischen Impedanzmessung wird ausgenutzt, dass die Gesamtimpedanz des menschlichen Körpers von den unterschiedlichen Leitfähigkeiten der verschiedenen Körperbestandteile bestimmt wird. Mit dieser Methode kann daher die Körperzusammensetzung untersucht werden, wobei insbesondere der Gesamtkörperwassergehalt sowie die Muskel- und Fettmasse bestimmt werden kann.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 002 142 A1 beschreibt eine medizinische Messvorrichtung mit einer Impedanzmesseinheit, wobei ein Resistanzund ein Reaktanzwert aus dem Impedanzmesssignal ermittelt werden und wobei aus diesen Werten auf die Körperzellmasse und den Hydratationszustand der jeweiligen Person rückgeschlossen wird. Hierbei beschreibt die Resistanz den Ohmschen Anteil der Messung, der im Wesentlichen durch die Leitfähigkeit der extrazellulären Flüssigkeit bestimmt wird. Die Reaktanz beschreibt den kapazitiven Anteil der Messung, der im Wesentlichen von der Leitfähigkeit der Zellmembranen und der intrazellulären Flüssigkeit bestimmt wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Hydratationszustandes eines menschlichen oder auch tierischen Körpers basiert auf Impedanzmessungen an der Körperoberfläche. Erfindungsgemäß werden hierbei wenigstens eine Zweipolmessung und wenigstens eine Vierpolmessung durchgeführt und ausgewertet. Kern der Erfindung ist eine Umschaltung zwischen einer zwei- und einer vierpoligen Messanordnung. Durch eine Kombination dieser beiden Messprinzipien können unterschiedliche Parameter der Körperzusammensetzung im Hinblick auf den Hydratationszustand des Körpers bestimmt werden. Eine Auswertung der Messergebnisse erlaubt daher sehr genaue und komplexe Aussagen zum Hydratationszustand des Patienten, ohne einen hohen Messaufwand betreiben zu müssen und innerhalb einer kurzen Messzeit. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine einfache und unkomplizierte Erfassung des Hydratationszustandes geeignet, sodass ohne Weiteres beispielsweise eine regelmäßige Überwachung eines Patienten ohne Beeinträchtigung der Lebensqualität möglich ist. Durch die Kombination des zweipoligen und des vierpoligen Messprinzips und eine entsprechende Auswertung der Messergebnisse können in sehr kurzer Zeit zuverlässige Aussagen zum Hydratationszustand gemacht werden. Es ist beispielsweise keine Blutabnahme oder ein Urintest erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr anwenderfreundlich und schnell und kann daher beispielsweise ohne Weiteres in einer Heimanwendung oder zu Hause eingesetzt werden. Durch die Kombination von zwei- und vierpoligen Messungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch im Vergleich mit herkömmlichen Bioimpedanzmessungen wesentlich genauere Aussagen zum Hydratationszustand getroffen werden.
Für die Zweipolmessung werden zwei Elektroden an die Messstellen angebracht bzw. verwendet, beispielsweise an den Händen und/oder den Füßen. Über diese Elektroden wird der Messstrom eingekoppelt. Weiterhin wird über diese Elektroden auch die abfallende Spannung abgegriffen. In den Spannungsabfall fließen dabei die Elektrodenimpedanzen, die Hautimpedanz und die Gewebeimpedanz ein. Das heißt, dass bei der Zweipolmessung neben der Gewebeimpedanz auch die Übergangsimpedanzen der Elektroden und die Hautimpedanz gemessen werden. Bei der Vierpolmessung werden vier Elektroden an den Messstellen angebracht bzw. verwendet. Über die beiden äußeren Elektroden wird der Strom eingekoppelt. Die abfallende Spannung wird über die beiden innenliegenden Elektroden abgegriffen. Hierbei gilt, dass in einer Näherung die gemessene Impedanz der Gewebeimpedanz entspricht, wobei dies unter der Annahme gilt, dass die Eingangsimpedanz des Messgerätes größer als die Gewebeimpedanz, die Elektrodenimpedanzen und die Hautimpedanz ist. Da dies in der Regel bei derzeit üblichen Messgeräten der Fall ist, bedeutet dies, dass die Elektrodenimpedanzen und die Hautimpedanz vernachlässigt werden können, sodass die gemessene Impedanz in etwa der Gewebeimpedanz entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die kombinierte Messung der Körperimpedanz über eine Zwei- und eine Vierpolschaltung eine detaillierte Analyse des Wassergehalts im Körper. Mit der Vierpolmessung wird insbesondere die Gewebeimpedanz gemessen. Aus den Werten der Zweipolmessung kann unter Berücksichtigung der gemessenen Gewebeimpedanz auf die Hautimpedanz geschlossen werden. Durch eine Verrechnung der Messergebnisse der beiden Messanordnungen kann also die Hautimpedanz erfasst werden. Aus der Kombination der unterschiedlichen Messprinzipien und einer entsprechenden Auswertung lassen sich also sehr aussagekräftige und detaillierte Aussagen zum Wassergehalt im Körper treffen.
Die Messung der Impedanzen erfolgt durch Anlegen eines Wechselstroms, vorzugsweise mit einem konstanten Strom. Zweckmäßigerweise werden die Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt. Je nach Messfrequenz kann aus den Messergebnissen der Vierpolmessungen auf den Gesamtkörperwassergehalt, den intrazellulären Körperwassergehalt und den extrazellulären Körperwassergehalt geschlossen werden. Zusammen mit der durch die Zweipolmessung erfassbaren Hautimpedanz können so auf einfache Weise vier Parameter gemessen werden, welche alle in Korrelation mit dem Hydratationszustand einer Person stehen. Durch eine Auswertung dieser Parameter kann der Hydratationszustand im Vergleich mit herkömmlichen Messmethoden wesentlich genauer bestimmt werden, sodass aus dem Hydratationszustand beispielsweise das Risiko für eine Dehydratation eines Patienten sehr genau bestimmt werden kann. Dies erlaubt wiederum eine zeitnahe Intervention, beispielsweise durch das Pflegepersonal, sodass gesundheitliche Einschränkungen aufgrund einer Dehydratation vermieden und somit auch Kosten eingespart werden können.
Die Rückschlüsse aus den gemessenen Impedanzen auf den Gesamtkörperwassergehalt, den Hautwassergehalt, den intrazellulären Körperwassergehalt und/oder den extrazellulären Körperwassergehalt können unter Anwendung von Algorithmen erfolgen, wobei insbesondere Daten zur Körpergröße und/oder zum Körpergewicht und/oder zum Geschlecht und/oder zum Alter des Patienten oder Anwenders in die Algorithmen einfließen. Grundlage für geeignete Algorithmen können einfache Formeln bilden. Die Basis hierfür können beispielsweise Erfahrungswerte liefern, wobei berücksichtigt werden kann, dass mit zunehmendem Alter der Wassergehalt im Körper abnimmt und/oder dass sich der Körperwasseranteil zwischen Frauen und Männern in der Regel unterscheidet. Neben den Impedanzwerten kann für eine Auswertung auch der Phasenwinkel der Messergebnisse berücksichtigt werden, wobei der Phasenwinkel das Verhältnis von Resistanz zu Reaktanz beschreibt. Bekanntermaßen ist der Phasenwinkel eine generelle Maßzahl für den Ernährungszustand auf der Zellebene, sodass auch diese Information bei der Bewertung des Hydratationszustandes, der erfindungsgemäß erfasst wird, einfließen kann.
Bei der Durchführung der Messungen wird vorteilhafterweise vorab eine Messung der Elektrodenimpedanzen vorgenommen, wobei diese Messergebnisse bei der Auswertung berücksichtigt werden. Dies ist insbesondere für die Auswertung der Zweipolmessungen vorteilhaft, da durch Berücksichtigung der Elektrodenimpedanz, die als konstant angenommen werden kann, und bei Berücksichtigung der über die Vierpolmessung erfassbaren Gewebeimpedanz aus den Messergebnissen der Zweipolmessung unmittelbar auf die Hautimpedanz geschlossen werden kann.
Vorteilhafterweise werden mehrere Messungen zur Bildung von Mittelwerten durchgeführt. Beispielsweise können Zweipolmessungen durchgeführt werden, bei denen jeweils zwei Elektroden an einer Extremität eingesetzt werden. Aus Messungen an jeder Extremität, also vier Messungen, kann ein Mittelwert der Hautimpedanz gebildet werden, der eine sehr zuverlässige Aussage über die Hautimpedanz und damit über den Hydratationszustand der Haut erlaubt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können zusätzliche Messungen zur Ableitung eines Elektrokardiogramms durchgeführt werden, wobei die Elektroden genutzt werden können, die für die Impedanzmessungen zur Erfassung des Hydratationszustandes gemäß der Erfindung vorgesehen sind. Hierfür sind prinzipiell zwei Elektroden ausreichend, wobei jedoch auch mehr Elektrodenableitungen möglich sind. Voraussetzung für die Ableitung eines Elektrokardiogramms ist, dass der Strompfad über das Herz führt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Erfassung des Hydratationszustandes in ein telemedizinisches System eingebunden. Da das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach und schnell und mit wenig Aufwand durchzuführen ist, eignet es sich in besonderer Weise für eine Anwendung in einem Pflegeheim oder zu Hause, wobei der Patient selbst die Messung ohne Weiteres durchführen kann. Die Ergebnisse zum erfassten Hydratationszustand können dann über geeignete Schnittstellen, beispielsweise eine USB-Schnittstelle, Bluetooth, WLAN oder Ähnliches, weitergeleitet werden, sodass sie an anderer Stelle, beispielsweise in einer Praxis oder einem Krankenhaus, von Fachpersonal ausgewertet werden können. Gegebenenfalls erforderliche Maßnahmen können dann ergriffen werden. Die erforderlichen technischen Voraussetzungen, also insbesondere geeignete Schnittstellen, können in das jeweilige Messgerät integriert sein.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung zur Erfassung des Hydratationszustandes eines menschlichen oder auch tierischen Körpers, das auf der Messung von Impedanzen beruht. Bei dieser Vorrichtung sind wenigstens vier, insbesondere wenigstens acht Elektroden vorgesehen, die an der Körperoberfläche anzubringen sind, insbesondere an den Handflächen und/oder den Fußsohlen. Weiterhin ist eine Stromquelle vorgesehen, mit der die Elektroden mit Wechselstrom beaufschlagt werden. Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist, dass die Elektroden sowohl für Zweipolmessungen als auch für Vierpolmessungen schaltbar sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens geeignet, wobei durch eine Kombination von Zweipolmessungen und Vierpolmessungen und eine entsprechende Auswertung der Messergebnisse detaillierte Aussagen zum Hydratationszustand eines Patienten gemacht werden können. Insbesondere kann mit dieser Vorrichtung der Gesamtkörperwassergehalt, der intrazelluläre Wassergehalt, der extrazelluläre Wassergehalt sowie der Hydratationszustand der Haut gemessen werden. Die Stromquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass die Elektroden mit Wechselstrom beaufschlagt werden können. Vorzugsweise können verschiedene Messfrequenzen eingestellt werden. Durch Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen können unterschiedliche Aspekte des Hydratationszustandes untersucht werden. Insbesondere kann durch unterschiedliche Messfrequenzen zwischen dem Gesamtkörperwassergehalt, dem intrazellulären Wassergehalt und dem extrazellulären Wassergehalt unterschieden werden.
Vorteilhafterweise werden für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren Elektroden mit einer verhältnismäßig geringen Übergangsimpedanz eingesetzt. Geeignet sind beispielsweise verhältnismäßig großflächige Elektroden und/oder die Verwendung von gut leitenden Materialien wie z.B. Silberchlorid und/oder Schwarz-Ruthenium. Hierdurch können die Übergangsimpedanzen der Elektroden insbesondere im Hinblick auf die Zweipolmessung minimiert werden, sodass die Messauflösung erhöht wird.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Steuereinheit, eine geeignete Auswerteeinheit, also insbesondere geeignete Mittel zur Datenverarbeitung, sowie geeignete Bedieneinheiten und Anzeigeeinheiten, beispielsweise ein Display zur Anzeige der Messergebnisse und/oder der Auswertung der Messergebnisse, umfassen.
Zweckmäßigerweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Patientenschutzschaltung aufweisen, die verhindert, dass der Patient bei der Messung von zu hohen Strömen durchflossen wird, die unter Umständen schädlich sein können.
Bei den Elektroden der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um übliche Klebeelektroden handeln, die an den Handflächen und/oder den Fußsohlen eines Benutzers befestigt werden können. Es können jedoch auch trockene, nicht klebende Elektroden eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden in Handgriffe und/oder Standflächen des Messgerätes integriert sind. Dies erlaubt eine besonders einfache Handhabung der Vorrichtung, die ohne Weiteres von einem Patienten selbst vorgenommen werden kann. Die Elektroden haben in dieser Ausgestaltung eine besonders hohe Lebensdauer und sind patientengerecht in die Messvorrichtung integriert.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann in ein telemedizinisches System integriert sein, wobei Schnittstellen in der Vorrichtung vorgesehen sind, die eine Weiterleitung der Messdaten oder der ausgewerteten Daten an beispielsweise einen Zentralcomputer, der z.B. in einer Praxis oder einem Krankenhaus aufgestellt sein kann, ermöglichen.
Die Erfindung umfasst schließlich ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung des Hydratationszustandes und insbesondere zur Durchführung der Impedanzmessungen und zur Auswertung der Messergebnisse, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ausgeführt wird. Ein solches Programm kann beispielsweise in die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert sein. Es ist beispielsweise auch möglich, dass mit der Vorrichtung ausschließlich die Messungen durchgeführt werden. Die Messergebnisse werden dann über eine entsprechende Schnittstelle beispielsweise an einen Computer weitergeleitet, in dem eine Auswertung der Messergebnisse erfolgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematische Darstellung einer Zweipolmessung;
2 schematische Darstellung einer Vierpolmessung;
3 Ersatzschaltbild zur Illustrierung der Messung des Gesamtkörperwassergehalts;
4 schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Erfassung des Hydratationszustandes eines Menschen;
5 Schaltplan für Impedanzmessungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
6 Schaltplan für eine Umschaltung zwischen einer Zweipolschaltung und einer Vierpolschaltung mittels Kurzschluss zweier Elektroden und
7 Schaltplan für eine Umschaltung zwischen einer Zweipolschaltung und einer Vierpolschaltung mittels Ausschluss zweier Elektroden.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die 1 und 2 illustrieren zunächst die Prinzipien einer Zweipolmessung und einer Vierpolmessung, mittels derer die Impedanzmessungen an der Körperoberfläche eines Patienten oder Benutzers durchgeführt werden können, um den Hydratationszustand des Körpers zu erfassen. Erfindungsgemäß werden diese beiden Messprinzipien miteinander kombiniert und entsprechend ausgewertet, um eine detaillierte Aussage zum Hydratationszustand des Patienten machen zu können. Insbesondere können mit einer Kombination dieser Messprinzipien der Gesamtkörperwassergehalt, der intrazelluläre Wassergehalt, der extrazelluläre Wassergehalt und der Hautwassergehalt bestimmt werden, wobei die entsprechenden Impedanzen gemessen und/oder errechnet werden und insbesondere durch Anwendung von geeigneten Algorithmen aus den gemessenen und errechneten Impedanzen Rückschlüsse auf diese verschiedenen Parameter des Hydratationszustandes gezogen werden können.
Das Prinzip der Zweipolmessung ist in der 1 dargestellt. Hierbei werden zwei Elektroden 11 und 12 an den Messstellen am Körper angebracht (1A). Über die Elektroden 11 und 12 wird der Messstrom (I₂) in das Objekt eingekoppelt. Über die Elektroden 11 und 12 wird weiterhin die am Objekt abfallende Spannung (U₂) abgegriffen. Die Haut 13, an der die Elektroden 11 und 12 anliegen, ist schematisch in zwei Schichten unterteilt, durch die die Stromlinien 14 verlaufen. Die 1B zeigt ein Ersatzschaltbild für diese Anordnung. Die Wechselstromwiderstände (Impedanzen Z) für die Elektroden sind mit Z _El bezeichnet. Die Impedanzen für die Haut sind mit Z _H bezeichnet. Die Gewebeimpedanz ist mit Z _G bezeichnet. Gemäß dem Ohmschen Gesetz lässt sich die zwischen den beiden Elektroden 11 und 12 liegende Impedanz (Z ₂) berechnen gemäß:
Hierbei werden alle Impedanzen berücksichtigt, die auf dem Weg des Stroms von der einen Elektrode zur anderen liegen. Dies sind also bei der Zweipolmessung insbesondere die erste Elektrodenimpedanz (Z _El), die Hautimpedanz (Z _H), die Gewebeimpedanz (Z _G), nochmals die Hautimpedanz und schließlich die Impedanz der zweiten Elektrode. Folglich werden bei der Zweipolmessung neben der Gewebeimpedanz auch die Übergangsimpedanzen der Elektroden und die Hautimpedanz gemessen. Für die Zweipolmessung im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens können insbesondere Elektroden mit einer verhältnismäßig geringen Übergangsimpedanz eingesetzt werden, beispielsweise möglichst groß- flächige Elektroden. Alternativ oder zusätzlich können besonders gut leitende Materialien wie z.B. Silberchlorid oder Schwarz-Ruthenium verwendet werden, um so die Elektrodenimpedanz gering zu halten und dadurch die Messauflösung zu erhöhen.
2 illustriert in vergleichbarer Weise eine Vierpolmessung, bei der vier Elektroden 21, 22, 23 und 24 an den Messstellen angebracht sind. Über die beiden äußeren Elektroden 21 und 24 wird der Strom (I₄) in das Messobjekt eingekoppelt. Die abfallende Spannung (U₄) wird über die beiden innen liegenden Elektroden 22 und 23 abgegriffen. Der durch die Haut 25 verlaufende Strom ist durch die Stromlinien 26 angedeutet. 2B zeigt ein entsprechendes Ersatzschaltbild, wobei die verschiedenen Wechselstromwiderstände an den Elektroden, der Haut und dem Gewebe entsprechend als Impedanzen wie in 1B bezeichnet sind. Durch eine Aufstellung der Strom- und Spannungsverhältnisse an den einzelnen zu berücksichtigenden Impedanzen ergibt sich damit:
Hierbei entspricht in einer Näherung die gemessene Impedanz der Gewebeimpedanz, wobei dies unter der Annahme gilt, dass die Eingangsimpedanz Z _E des Messgerätes sehr viel größer als die Impedanzen Z _G, Z _El und Z _H ist. Dies wird in der Regel von üblichen Messgeräten erfüllt. Folglich können die Elektrodenimpedanzen und die Hautimpedanz vernachlässigt werden. Gegenüber einer Zweipolmessung ist die Messauflösung einer Vierpolmessung daher im Allgemeinen höher. Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert die Zwei- und die Vierpolmessung, sodass die mit diesen Messprinzipien einhergehenden unterschiedlichen Auflösungen und Messbereiche genutzt und in die Erfassung des Hydratationszustandes einfließen können.
Durch eine Kombination der mit einer Zweipolanordnung und mit einer Vierpolanordnung gemessenen Impedanzen können sowohl Aussagen über die Gewebeimpedanz als auch Aussagen über die Hautimpedanz getroffen werden. Weiterhin können durch unterschiedliche Messfrequenzen bei einer Vierpolanordnung Aussagen über das Gesamtkörperwasser und über das intrazelluläre Wasser und das extrazelluläre Wasser getroffen werden. 3 illustriert hierbei das zugrunde liegende Prinzip als Ersatzschaltbild, das die kapazitiven Eigenschaften der Zellmembranen (X_C) sowie den Widerstand, der durch die intrazellulären Flüssigkeiten (R(ICW)) und durch die extrazellulären Flüssigkeiten (R(ECW)) bedingt ist, berücksichtigt. Hierbei steht ICW für intrazelluläre Flüssigkeit innerhalb der Zellmembranen, ECW für extrazelluläre Flüssigkeit einschließlich des Blutes und TBW für die Gesamtkörperflüssigkeit. Flüssigkeit und Wasser ist als gleichbedeutend zu verstehen. Das Gesamtkörperwasser TBW wird von der Summe des intrazellulären Wassers ICW und des extrazellulären Wassers ECW gebildet (TBW = ECW + ICW). Aus dem dargestellten Ersatzschaltbild ergibt sich, dass bei einer Frequenz von 0 kHz der Widerstand durch das extrazelluläre Wasser R(ECW) als dominanter Widerstand wirkt, da die kapazitiven Eigenschaften der Zellmembranen X_C gegen unendlich gehen. Wenn X_C gegen 0 geht, das heißt bei einem parallelen Kreis aus R(ECW) und R(ICW), wird das Gesamtkörperwasser bzw. dessen Widerstand gemessen. Zur Messung des Gesamtkörperwasserwiderstandes werden also möglichst große Frequenzen verwendet, beispielsweise f(TBW) = 50 kHz. Zur Messung des extrazellulären Wassers bzw. des entsprechenden Widerstandes werden möglichst kleine Frequenzen eingesetzt, beispielsweise f(ECW) = 5 kHz. Der Widerstand der intrazellulären Flüssigkeit resultiert aus der Gleichung ICW = TBW – ECW, sodass aus den Messergebnissen zu TBW und ECW Rückschlüsse auf ICW gezogen werden können. Messungen mit f(TBW) und f(ECW) sind daher ausreichend, um Aussagen zu allen drei Aspekten (TBW, ECW, ICW) treffen zu können.
Bei der Ermittlung der Hautimpedanz durch die Zweipolmessung spielen sowohl die Elektrodenimpedanzen als auch die Gewebeimpedanzen eine Rolle, wie weiter oben bereits ausgeführt wurde. Vorteilhafterweise wird daher zur Bestimmung der Hautimpedanz vorab die Impedanz der Elektroden bestimmt und als konstant betrachtet. Eventuelle Korrekturen können durch regelmäßiges Kalibrieren und/oder Überprüfen der Elektrodenimpedanzen vorgenommen werden. Bei der Ermittlung der Hautimpedanz wird ebenfalls die Gewebeimpedanz (Z _G) berücksichtigt, die mit der Vierpolmessung ermittelt wird. Die im Zuge der Vierpolmessung erfasste Gewebeimpedanz kann zur Berechnung der Hautimpedanz folgendermaßen eingesetzt werden:
Für die Bestimmung der Hautimpedanz ist also lediglich eine einfache Berechnung erforderlich.
Es ist vorteilhaft, aus den verschiedenen erfindungsgemäß bestimmten Impedanzwerten Korrelationen zum Hydratationszustand in Bezug auf den konkreten Patienten oder Benutzer herzustellen. Hierfür können verschiedene Algorithmen eingesetzt werden, die insbesondere auf der Basis von Erfahrungswerten herleitbar sind, wobei beispielsweise das Alter und andere Faktoren berücksichtigt werden, die für den Wassergehalt im Körper eine Rolle spielen.
Ein geeigneter Algorithmus zur Berechnung des Körperwassers auf der Basis der Impedanzmessungen gemäß der Erfindung basiert beispielsweise auf einem Modell, welches den Menschen vereinfacht als Zylinder darstellt. Für einen solchen elektrischen Leiter gilt dessen elektrischer Widerstand (in Ohm): LR = ρ· L / A wobei ρ der spezifische, materialabhängige Widerstand, L die Leiterlänge, also insbesondere die Körpergröße in Zentimetern, und A die Querschnittsfläche des Leiters darstellen. Da die Querschnittsfläche eines Menschen nur schwer zu bestimmen ist, wird diese durch den Quotienten A = Volumen / Körpergröße = V / L ersetzt, sodass sich folgender Zusammenhang ergibt:
Unter Verwendung von verschiedenen Messfrequenzen werden Werte für den Widerstand R bzw. für den Wechselstromwiderstand (Impedanz) bestimmt, wobei die Impedanz Z beschrieben werden kann als Z = R + j X, wobei R einen Realteil, X einen Imaginärteil und j eine imaginäre Einheit beschreiben. Das Volumen kann mit dem Körperwasser gleichgesetzt werden. Ob es sich hierbei um das extrazelluläre, das intrazelluläre oder das Gesamtkörperwasser handelt, hängt von der jeweils verwendeten Messfrequenz ab.
Da es sich bei einem Menschen um keinen homogenen Körper handelt, ist es nicht möglich, einen spezifischen Widerstand zu bestimmen. Daher werden empirisch ermittelte Konstanten (K) eingesetzt, welche je nach betrachteter Zielgruppe, beispielsweise in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht, variieren können. Aus der zuletzt beschriebenen Gleichung ergibt sich für die Wassermenge in Litern:
Da der Anteil des Wasser außerdem noch vom Geschlecht, vom Alter (a; in Jahren) und Gewicht (m; in Kilogramm) abhängig ist, wird diese Formel durch weitere Summanden ergänzt und korrigiert. Somit ergibt sich allgemein:
wobei für die Geschlechter sowie die verschiedenen Altersgruppen empirisch bestimmte unterschiedliche Konstanten K eingesetzt werden.
4 illustriert in schematischer Weise einen möglichen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In dieser Ausgestaltung sind acht Elektroden 41–48 vorgesehen, von denen jeweils zwei an beiden Handflächen und an beiden Fußsohlen eines Patienten angebracht werden. Es kann sich hierbei um Klebeelektroden oder andere trockene, nicht klebende Elektroden handeln. Weiterhin können die Elektroden auch in Handgriffe und/oder Standflächen eines Messgeräts integriert sein. Erfindungsgemäß wird zwischen einer Zweipol- und einer Vierpolmessung gewechselt. Daher ist das Messgerät so konzipiert, dass im Falle einer Zweipolmessung lediglich die zwei für die Messung erforderlichen Elektroden angesteuert werden, während die anderen Elektroden blindgeschaltet sind, also nicht stromdurchflossen sind. Für die Vierpolmessung wird diese Blindschaltung aufgehoben. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Zweipolmessungen und die Vierpolmessungen an verschiedenen Körperstellen, das heißt also beispielsweise mit verschiedenen Elektroden durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise kann daher jede Elektrode sowohl blindgeschaltet als auch aktiv geschaltet werden. Beispielsweise ist es möglich, dass nur mit zwei Elektroden an der linken Handfläche gemessen wird oder es kann beispielsweise jeweils eine Elektrode an jeder Extremität bei einer Vierpolmessung angesteuert werden. Die Reihenfolge der Ansteuerung der Elektroden kann durch das Messprotokoll festgelegt werden. Beispielsweise können zunächst Vierpolmessungen zur Bestimmung von TBW, ICW und ECW mit geeigneten Messfrequenzen durchgeführt werden. Hierzu können beispielsweise zunächst die Elektroden der rechten Körperseite, dann die Elektroden der linken Körperseite und anschließend jeweils eine Elektrode an jeder Extremität angesteuert werden. Anschließend kann eine Zweipolmessung zur Bestimmung der Hautimpedanz durchgeführt werden. Beispielsweise können hierfür vier Messungen mit jeweils zwei Elektroden an jeder Extremität durchgeführt werden, sodass anschließend ein Mittelwert der Hautimpedanz ermittelt werden kann.
Die Ansteuerung der einzelnen Elektroden erfolgt über die Schaltung 49 und mittels der Stromquelle 50. Die angelegten Frequenzen sind dabei variabel und werden in Abhängigkeit von dem jeweils zu messenden Parameter eingestellt. Die Messergebnisse werden mit geeigneten Algorithmen in einer Datenverarbeitungseinheit 51 bearbeitet und ausgewertet. Über die Ausgabeeinheit 52 können die Ergebnisse zu den einzelnen Parametern des Hydratationszustandes oder ein zusammenfassendes Ergebnis dargestellt werden. Ein entsprechendes Ergebnis kann beispielsweise ausgedruckt und/oder auf einem Display angezeigt werden. Die Messdaten und/oder das ausgewertete Ergebnis können beispielsweise auch im Zuge von telemedizinischen Anwendungen weitergeleitet und an anderer Stelle dargestellt werden.
Für die Bestimmung von TBW, ICW und EWC, die mit einer Vierpolanordnung gemessen werden, können beispielsweise die Elektroden 41, 43, 45, 47 oder 42, 44, 46, 48 oder 43, 44, 47, 48 oder 41, 42, 45, 46 oder 43, 44, 45, 46 oder 41, 42, 47, 48 verwendet werden. Zur Messung der Hautimpedanz Z _H, die mit einer Zweipolanordnung gemessen wird, können beispielsweise die Elektroden 41, 42 oder 43, 44 oder 45, 46 oder 41, 45 oder 47, 48 oder 42, 46 oder 43, 47 oder 44, 48 verwendet werden. Wenn zusätzlich ein Kardiogramm abgeleitet werden soll, können hierfür beispielsweise hierfür die Elektroden 41, 43 oder 42, 44 oder 43, 45 oder 41, 47 eingesetzt werden.
5 zeigt einen allgemeinen Schaltplan für die Impedanzmessungen im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung des Hydratationszustandes eines Körpers. Mittels einer Stromquelle 501, insbesondere eines Wechselstromgenerators, werden die verschiedenen Elektroden mit variablen Messfrequenzen beaufschlagt. Der Messablauf wird über die Steuereinheit 506 gesteuert. Im Falle von Vierpolmessungen werden vier verschiedene Elektroden angesteuert. Hierbei gilt: Z _El1 ≠ Z _El2 ≠ Z _El3 ≠ Z _El4. Wird in einer Zweipolanordnung gemessen, so wird die Spannung über das Elektrodenpaar abgegriffen, über das auch der Strom in den Körper eingespeist wird. Somit kann der Schaltplan in 5 so verstanden werden, dass Z _El3 = Z _El1 und Z _El4 = Z _El2 ist. Die messbaren Impedanzen sind allgemein als Z _Mensch bezeichnet. In der Schaltung werden weiterhin Impedanzwandler 502, ein Differenzverstärker 503, ein weiterer Verstärker 504 sowie ein A/D-Wandler 505 eingesetzt. Die Ergebnisse der Impedanzmessung, die das Verhältnis der messbaren Spannung in Abhängigkeit von dem aufgeprägten Wechselstrom darstellen, können in der Steuereinheit 506, beispielsweise einem Computer, einer Mikrokontrolleinheit oder allgemein einem Steuergerät, verarbeitet und ausgewertet werden. Eine Datenverarbeitung kann auch extern erfolgen.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Umschaltung zwischen Zweipolmessungen und Vierpolmessungen. Beispielhafte Schaltpläne für mögliche Umschaltungen sind in den 6 und 7 dargestellt. In 6 ist eine Umschaltung mittels eines Kurzschlusses zwischen jeweils zwei Elektroden dargestellt. Sind beide Schalter geöffnet, wird mit vier Elektroden gemessen. Bei geschlossenen Schaltern werden die Elektrode El₁ mit der Elektrode El₃ und die Elektrode El₂ mit der Elektrode El₄ kurzgeschlossen, sodass im Ergebnis die Messung über zwei Elektroden erfolgt. Diese haben allerdings die doppelte Fläche wie die ursprünglichen Messelektroden. Falls eine solche Flächenveränderung nicht gewünscht ist, kann beispielsweise mit einer Variante der Umschaltung gemessen werden, wie sie in 7 dargestellt ist. Bei dieser Variante werden die Elektroden nicht kurzgeschlossen, sondern es wird mittels zwei weiterer Schalterpaare ein Ausschluss zweier Elektroden aus dem Messkreis erzeugt. Für die Vierpolmessung wird das Schalterpaar 71 geöffnet. Die Schalterpaare 72 und 73 sind geschlossen. Für eine Zweipolmessung mit den beiden äußeren Elektroden El₁ und El₂ werden die Schalterpaare 71 und 73 geschlossen, während das Schalterpaar 72 geöffnet bleibt. Somit ist die Verbindung zu den beiden inneren Elektroden El₃ und El₄ unterbrochen. Soll hingegen mit den beiden inneren Elektroden El₃ und El₄ gemessen werden, werden die Schalterpaare 71 und 72 geschlossen, während das Schalterpaar 73 geöffnet bleibt. Somit wird die Verbindung zu den Elektroden El₁ und El₂ unterbrochen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006002142 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Erfassung des Hydratationszustandes eines menschlichen oder tierischen Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass Impedanzmessungen an der Körperoberfläche durchgeführt werden, wobei wenigstens eine Zweipolmessung und wenigstens eine Vierpolmessung durchgeführt und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vierpolmessung eine Gewebeimpedanz gemessen wird und aus den Werten der Zweipolmessung unter Berücksichtigung der gemessenen Gewebeimpedanz auf die Hautimpedanz geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen mit Wechselstrom mit vorgebbaren Frequenzen durchgeführt werden, wobei für Messungen zur Ermittlung des Gesamtkörperwassergehalts und/oder des intrazellulären Wassergehalts und/oder des extrazellulären Wassergehalts verschiedene Frequenzen vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anwendung von Algorithmen aus den gemessenen und/oder errechneten Impedanzen auf den Gesamtkörperwassergehalt, den Hautwassergehalt, den intrazellulären Körperwassergehalt und/oder den extrazellulären Körperwassergehalt geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Daten zur Körpergröße und/oder zum Körpergewicht und/oder zum Geschlecht und/oder zum Alter des Patienten in die Algorithmen einfließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorabmessung von Elektrodenimpedanzen vorgenommen wird und bei der Auswertung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messungen zur Bildung von Mittelwerten durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Messung zur Ableitung eines Elektrokardiogramms durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des Hydratationszustandes in ein telemedizinisches System eingebunden wird.
Vorrichtung zur Erfassung des Hydratationszustandes eines menschlichen oder tierischen Körpers durch Impedanzmessungen mit wenigstens vier, insbesondere wenigstens acht Elektroden (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48), zur Anbringung an den Handflächen und/oder Fußsohlen eines Patienten sowie einer Stromquelle (50; 501) zur Beaufschlagung der Elektroden (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) mit Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden für Zweipolmessungen und Vierpolmessungen schaltbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (50; 501) zur Beaufschlagung der Elektroden (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48) mit Wechselstrom mit vorgebbaren Frequenzen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Patientenschutzschaltung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden Klebeelektroden sind und/oder dass die Elektroden in Griffe und/oder Standflächen der Vorrichtung integriert sind.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 in einem telemedizinischen System.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät (506) ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät (506) ausgeführt wird.