DE102015001414A1

DE102015001414A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines Parameters einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102015001414A1
Application number: DE102015001414.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan ESTERL; Stefan Schätzl; Gerd Breuch; Maciej BOBER
Original assignee: Em tec GmbH
Current assignee: Em tec GmbH
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Parametern einer Flüssigkeit in einer Leitung, die von der Flüssigkeit durchflossen ist und in ein Gehäuse eingelegt wird, welches eine Lichtquelle und einen Schallwandler aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Parameters einer Flüssigkeit. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen des Hämatokritwertes in Blut.
Der Hämatokritwert bezeichnet den prozentualen Anteil der roten Blutkörperchen am Gesamtvolumen des Blutes. Prinzipiell kann er durch zwei unterschiedliche Methoden bestimmt werden: durch Ultrazentrifugation einer mit Blut gefüllten Kapillare. Hierbei sammeln sich die zellulären Bestandteile des Blutes im unteren Bereich an und können mit der gesamten Blutsäule in Beziehung gesetzt werden. Die zweite Methode ist die Bestimmung in einem Cell Counter. Hierbei wird der Hämatokritwert über das Produkt der Erythrozytenvolumina (MCV) und der Erythrozytenzahl ermittelt.
Bei bestimmten medizinischen Behandlungen kommt es während der Durchführung der Behandlung zu einer Veränderung des Hämatokritwertes des Patienten. Ein Beispiel ist die Dialyse, bei der dem Patienten über ein Schlauchsystem Blut entnommen wird und über den Dialysator dem Blutplasma Wasser und die darin gelösten Abbauprodukte des Stoffwechsels entzogen werden. Dadurch kann die Zusammensetzung des Blutes verändert werden. Zu hohe, zu niedrige und sich zu schnell ändernde Hämatokritwerte können zu gesundheitlichen Problemen bis hin zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Daher sollte bei derartigen Behandlungen der Hämatokritwert möglichst häufig gemessen werden. Dies ist jedoch mit den bekannten Messverfahren sehr aufwendig.
Aus dem Bereich der Nierendialyse sind auch kontinuierliche Verfahren bekannt. Sie können in zwei Bereiche unterteilt werden: die Messung der Schallgeschwindigkeit bzw. Schalleigenschaften einer durchschallten Blutprobe und die Messung der abortiven und streuenden Eigenschaften von Licht, welches die Blutprobe durchdringt.
Diese physikalischen Größen werden vom Hämatokritwert beeinflusst. Dies ermöglicht es, durch die Veränderung dieser Größen auf die Veränderung des Hämatokritwertes zurückzuschließen. Für derartige Messungen wird in der Regel im Schlauchsystem eine Messkammer vorgesehen, an der die Messeinrichtungen angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierlich einsetzbares Verfahren zum Messen von Parametern in Flüssigkeiten, insbesondere zum Messen des Hämatokritwertes in Blut vorzustellen, das besonders einfach in der Anwendung ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Messen eines Parameters einer Flüssigkeit, insbesondere des Hämatokritwertes in Blut gelöst, bei dem eine Leitung, die von der Flüssigkeit durchflossen ist, in ein Gehäuse eingelegt wird, mit einer Lichtquelle im Gehäuse, die Flüssigkeit zur Abgabe von Schallwellen angeregt wird, und die Schallwellen gemessen werden.
Ein derartiger Parameter kann der Hämatokritwert in Blut sein. Der Parameter kann aber auch die Temperatur einer Flüssigkeit wie beispielsweise von Blut sein. Insbesondere wenn zwei oder mehr Lichtquellen verwendet werden, kann der Parameter auch die Sauerstoffsättigung der Flüssigkeit wie insbesondere von Blut sein.
Das Verfahren kann auch dazu dienen, festzustellen, ob die Leitung mit Luft oder Blut oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist. Insbesondere Kombinationen, wie Luftblasen im Blut oder ein Übergang von Priminglösung zu Blut können mit dem Verfahren auf einfache Art und Weise detektiert werden. Beispielsweise lassen sich Luftblasen im Blut oder in einer anderen Flüssigkeit an einem der Blasengröße und Durchflussgeschwindigkeit proportionalen Signaleinbruch erkennen.
Dies ermöglicht es, die im Folgenden beschriebene Vorrichtung für unterschiedliche Einsatzzwecke zu verwenden. Dazu ist es in der Regel nur notwendig, die Auswertung der akustischen Signale auf die zumessenden Parameter abzustimmen und ggf. entsprechende Nullversuche zur Kalibrierung der Vorrichtung vorzunehmen. Daher kann auch die gleiche Vorrichtung, insbesondere wenn sie verschiedene Lichtquellen aufweist, für das Ermitteln verschiedener Parameter verwendet werden.
Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung zum Messen eines Parameters einer Flüssigkeit mit einem Gehäuse gelöst, das in seinem Inneren eine Aufnahme zur Positionierung einer Leitung hat, und das eine Lichtquelle und einen Schallwandler aufweist.
Der optoakustische, auch photoakustische Effekt genannt, beschreibt die Umwandlung von Lichtenergie in akustische Energie.
Ein optoakustisches Verfahren zur Bestimmung des Hämatokritgehaltes wird in der EP 1 526 804 B1 beschrieben. Hierbei wird eine Vorrichtung auf die Haut eines Menschen gelegt, um in einem Blutgefäß den Hämatokritwert zu ermitteln. Eine derartige Vorrichtung ist jedoch für den praktischen Einsatz ungeeignet, da der Abstand zwischen Vorrichtung und Blutgefäß schwer bestimmbar ist und alle dazwischen liegenden Gewebeschichten den Messwert beeinflussen. Außerdem kann eine sichere relative Positionierung zwischen Vorrichtung und Blutgefäß nicht eingehalten werden. Daher ist eine derartige Vorrichtung für kontinuierliche Messungen im Praxisbetrieb nicht geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben es hingegen, an einem Schlauch kontinuierlich mit hoher Präzision den Hämatokritwert zu messen. Das die Leitung aufnehmende Gehäuse ermöglicht es, die Leitung relativ zu der Lichtquelle und dem Schallwandler präzise zu positionieren. Dabei können die Übergänge und Durchgänge von Licht und Schall definiert eingehalten werden, damit eine einmal kalibrierte Vorrichtung auch im praktischen Einsatz für längere Zeit präzise Werte misst.
Ein Einlegen einer Leitung in ein Gehäuse ist derart präzise und reproduzierbar durchführbar, dass zumindest nach einer Kalibrierung der Vorrichtung präzise Messwerte ermittelt werden.
Zum Einlegen der Leitung in ein Gehäuse kann die Leitung in eine Rinne gelegt werden, sie kann in ein Rohr eingefädelt werden oder das Gehäuse kann derart beispielsweise über eine Klammer an der Leitung befestigt werden, dass sich das Gehäuse um die Leitung legt.
Die Kombination von Leitung und Gehäuse, bei der im oder am Gehäuse Lichtquelle und Schallwandler angeordnet sind, führt zu einer einfachen Vorrichtung für kontinuierliche Messungen im Praxisbetrieb mit höchster Präzision.
Das optoakustische Verfahren kombiniert die Vorteile des Ultraschalls mit dem Vorteil optischer Methoden. Im Gegensatz zu den bekannten Methoden, bei denen der Schall oder das Licht in das Blut oder das Gewebe eingekoppelt wird, ist die Schallquelle in der Optoakustik bei geeigneter Frequenz des eingestrahlten Lichts das Hämoglobinmolekül selbst. Dies erlaubt eine sehr selektive Bestimmung dessen Konzentration. Dabei ist die Amplitude der emittierten Ultraschallwelle bei konstant eingebrachter Lichtenergie direkt proportional zur Hämoglobinkonzentration des untersuchten Gutes. Die Hämoglobinkonzentration und der Hämatokritwert sind über eine lineare Beziehung miteinander verknüpft. Die Bestimmung des Hämatokritwertes führt somit direkt zur Hämoglobinkonzentration.
Vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse so aufgebaut ist, dass es ein Unterteil und einen Deckel aufweist, der die Leitung abdeckt. Die Leitung wird somit im Bereich der Messung vom Gehäuse umfasst. Dies erlaubt es, die Leitung optimal in Bezug auf die Messeinrichtung zu positionieren.
Das Gehäuse ist vorzugsweise als die Leitung umschließender Raum ausgebildet, der die Leitung gegen Licht- oder Schalleinflüsse von außen schützt und insbesondere dafür sorgt, dass die Lichtimpulse der Lichtquelle nicht nach außen geraten.
Das Gehäuse kann jedoch auch als Klammer ausgebildet sein, die an die Leitung anklemmbar ist. Auch hierdurch wird eine klare Zuordnung der relativen Position der Leitung zu den Positionen der Lichtquelle und des Schallwandlers am Gehäuse erreicht. Je nach Ausbildung der Klammer kann das um die Leitung angeordnete Gehäuse offen oder vorzugsweise schall- und lichtdicht abgeschlossen sein.
Die Leitung könnte auch ein Blutgefäß sein. Der Schwerpunkt der Erfindung liegt jedoch auf dem Bereich der Schläuche, die üblicherweise aus Kunststoff hergestellt sind und extrakorporal einen Blutfluss im Bypass ermöglichen, wie dies insbesondere bei der Dialyse der Fall ist.
Um Lichtquelle und Schallwandler genau aufeinander abzustimmen, wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweist, die mit der Lichtquelle und dem Schallwandler in Verbindung steht. Diese Steuereinheit kann dazu verwendet werden, Frequenz und Amplitude der Lichtquelle oder deren Wellenlänge einzustellen und den Schallwandler auf die Lichtquelle abzustimmen.
Die Werte des Schallwandlers können direkt dazu verwendet werden, auf andere Parameter steuernd oder regelnd einzuwirken. Vorteilhaft ist es jedoch für viele Anwendungen, wenn die Werte des Schallwandlers mittels einer Auswerteeinheit als Hämatokritwert ausgegeben werden.
Als Lichtquelle wird vorzugsweise gepulstes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 2800 nm und vorzugsweise von 650 nm bis 2100 nm verwendet. Hierbei kann es vorteilhaft sein, mehr als eine Lichtquelle wie beispielsweise zwei Lichtquellen mit gepulstem Laserlicht zu verwenden. Diese Lichtquellen haben dann vorzugsweise unterschiedliche Wellenlängen im Bereich zwischen 400 nm bis 2800 nm. Im Fall von mehreren Lichtquellen kann gleichzeitig oder alternierend gepulstes Laserlicht ausgesendet werden.
Ein einfacher Aufbau der Vorrichtung ergibt sich, wenn als Lichtquelle eine oder mehrere Laserdioden verwendet werden.
Der Schallwandler sollte für Ultraschallwellen in einem Bereich von 100 kHz bis 5 mHz ausgelegt sein. Hierfür eignet sich beispielsweise eine Piezokeramik.
Um störende Einflüsse von außen und vor allem eine unkontrollierte Aussendung des gepulsten Laserlichtes zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse lichtundurchlässig für eine Wellenlänge zwischen 400 nm und 2800 nm, insbesondere zwischen 650 nm und 2100 nm, ist.
Dieses Gehäuse sollte eine Temperaturmesseinrichtung aufweisen, die es ermöglicht, eine Temperatur zu ermitteln, die zumindest proportional zur Temperatur der in der Leitung fließenden Flüssigkeit ist. Dies ermöglicht es, bei der Auswertung der Werte des Schallwandlers die Temperatur zu berücksichtigen und gegebenenfalls auch in Abhängigkeit von der Temperatur die verwendete Wellenlänge der Lichtquelle zu variieren.
Vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse eine Schutzeinrichtung, wie beispielsweise einen Schutzkontakt aufweist, die sicherstellt, dass nur bei geschlossenem Gehäuse die Lichtquelle aktiviert werden kann. Auch dies stellt sicher, dass kein Laserlicht aus dem Gehäuse nach außen dringt.
Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen Sensor aufweist, der erkennt, dass das Gehäuse geschlossen und/oder die Leitung eingelegt ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand unterschiedlicher Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
1 schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zum Messen des Hämatokritwertes,
2 schematisch eine Anordnung mit linksseitigem Schallwandler,
3 schematisch eine Anordnung mit rechtsseitigem Schallwandler,
4 schematisch eine Anordnung mit Schallwandler auf der Seite der Lichtquelle,
5 schematisch eine Anordnung mit gegenüberliegendem Schallwandler und
6 schematisch eine Anordnung mit Schließkontakt.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus dem Gehäuse 1, in dem eine Aufnahme 2 zur Positionierung einer Leitung 3 vorgesehen ist. Die Aufnahme 2 ist im Ausführungsbeispiel als Kanal ausgebildet und die Leitung 3 ist ein Schlauch, der mit einer Dialyseeinrichtung in Verbindung steht.
Auf einer Seite der Leitung 3 ist eine Lichtquelle 4 vorgesehen und auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle 4 ist ein Schallwandler 5 angeordnet. Im Fall von mehreren Lichtquellen können diese an der gleichen oder an verschiedenen Positionen um die Leitung angeordnet sein.
Das Gehäuse 1, in dem Lichtquelle 4 und Schallwandler 5 angeordnet sind, ist aus einem lichtundurchlässigen Material.
Die Lichtquelle 4 und der Schallwandler 5 stehen über Leitungen 6, 7 mit einem elektronischen System in Verbindung, das als Steuereinheit 8 dient. Diese Steuereinheit 8 steht wiederum über eine Leitung 9 mit einer Auswerteeinheit 10 in Verbindung, die die Werte des Schallwandlers 5 als Hämatokritwert angibt.
Darüber hinaus hat das Gehäuse 1 eine Temperaturmesseinrichtung 11, die über eine Leitung 12 mit der Steuereinheit 8 und/oder der Auswerteeinheit 10 in Verbindung steht, damit bei der Auswertung die Temperatur des in der Leitung 3 fließenden Blutes 13 berücksichtigt werden kann.
Die 2 bis 5 zeigen unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten des Schallwandlers 5 in Bezug auf die Lichtquelle 4. Bei allen Ausführungsvarianten liegen Lichtquelle 4, Aufnahme 2 und Schallwandler 5 in einer Ebene. Dadurch wird ein kompakter Aufbau des Gehäuses ermöglicht.
Die 5 und 6 zeigen ein Gehäuse 14 mit Unterteil und Deckel 16, wobei das Unterteil 15 eine Aufnahme 17 aufweist, in die ein Stempel 18 des Deckels 16 derart eingreift, dass eine Aufnahme 19 für einen Schlauch (nicht gezeigt) umgrenzt wird.
Die 6 zeigt, wie bei einer Weiterbildung des in 5 gezeigten Gehäuses ein Schließkontakt als Schutzkontakt 20 das ordnungsgemäße Schließen des Deckels 16 an die Steuereinheit 8 weiterleiten kann, damit nur bei geschlossenem Gehäuse die Lichtquelle 4 aktiviert wird.
Ein weiterer Sensor 21 ist im Bereich der Aufnahme 2 vorgesehen, um zu erkennen, dass das Gehäuse 1 geschlossen und/oder die Leitung 22 eingelegt ist.
Bei der Verwendung der Vorrichtung wird zunächst das Gehäuse 1 geöffnet oder die Leitung 3 wird in die Aufnahme 2 eingefädelt. Dabei sollte auf eine sichere Positionierung der Leitung 3 in der Aufnahme 2 des Gehäuses 1 geachtet werden.
Der Transport des Blutes durch den Schlauch wird von einem medizinischen Gerät wie beispielsweise einer Dialysemaschine vorgenommen. Die Lichtquelle 4 regt die roten Blutkörperchen bzw. die darin enthaltenen Hämoglobinmoleküle an. Dies führt zu einer kurzzeitigen lokalen Erwärmung der Moleküle und damit zu einer Dichteänderung. Diese lokale Dichteänderung führt zu einer Druckschwankung, die als akustische Welle wahrnehmbar ist. Derartige akustische Wellen werden vom Schallwandler 5 detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Amplitude und Laufzeit des akustischen Signals sind abhängig von der Konzentration der Hämoglobinmoleküle. Auf diese Weise ist es möglich, nach Analyse der akustischen Welle durch die Auswerteeinheit den Hämatokritwert oder den Hämoglobinwert und deren zeitliche Veränderung während der Behandlung zu bestimmen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinheit Amplitude, Frequenzspektrum und Schalllaufzeit des akustischen Signals analysiert.
Zur Anregung wird eine für die Flüssigkeit und die Messaufgabe geeignete Kombination aus Pulswiederholfrequenz, Pulsbreite und Pulsleistung gewählt. Bei Messungen an Blut muss darauf geachtet werden, dass die gewählten Parameter nicht in Folge der wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften des Blutes zu Blutschädigungen führen. Zur Anregung des roten Blutfarbstoffs eines in der in der Leitung 3 fließenden Blutes 13 wird in einer Ausführungsvariante mit der Lichtquelle 4 über mehrere Stunden gepulstes Licht mit 30 W bis 200 W pro Puls auf das Blut gerichtet. Die Pulsdauer liegt zwischen 10 ns und 200 ns und die Pulswiederholrate liegt bei maximal 8000 Hz. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei maximalem Betrieb mit 200 W, 200 ns und 8000 Hz keine Blutschädigung auftreten kann. Die bevorzugte Wellenlänge des Lichts liegt im Bereich des nahen Infrarots zwischen 650 nm und 2100 nm.
Durch die Anregung des roten Blutfarbstoffs in der Leitung 3 entsteht ein akustisches Signal, das der Schallwandler 5 aufnimmt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal wird an ein elektronisches System weitergeleitet, das eine Steuereinheit 8 aufweist, mit der die Lichtquelle 4 angeregt wird und die vom Schallwandler kommenden Signale aufgezeichnet und aufbereitet werden. Letztlich werden über die Auswerteeinheit 10 der Hämatokritwert der Hämoglobingehalt und deren zeitliche Änderung ausgegeben.
Die Vorrichtung erlaubt es dadurch, beispielsweise bei einer Dialyse über einen längeren Zeitraum den Hämatokritwert oder den Hämoglobingehalt zu messen und anzuzeigen und vorzugsweise auch über die Zeit zu speichern, um bei einer Abweichung, die einen Sollwert über- oder unterschreitet, auf die Behandlung einzuwirken. Dazu kann eine Ausgabeleitung 23 vorgesehen sein, die automatisch eine Änderung an den Einstellungen der Dialyseeinrichtung vornimmt und beispielsweise im Extremfall die Dialyseeinrichtung abschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1526804 B1 [0013]

Claims

Verfahren zum Messen eines Parameters einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitung (3), die von der Flüssigkeit durchflossen ist, in ein Gehäuse (1) eingelegt wird, mit mindestens einer Lichtquelle (4) im Gehäuse (1) die Flüssigkeit (13) zur Abgabe von Schallwellen angeregt wird und die Schallwellen gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter der Hämatokritwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter die Sauerstoffsättigung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Blut ist.
Vorrichtung zum Messen eines Parameters einer Flüssigkeit, insbesondere für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche mit einem Gehäuse (1), das in seinem Inneren eine Aufnahme (2) zur Positionierung einer Leitung (3) hat und das eine Lichtquelle (4) und einen Schallwandler (5) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) ein Unterteil (15) und einen Deckel (16) aufweist, der die Leitung (3) abdeckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) als Klammer ausgebildet ist, die an die Leitung (3) anklemmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (3) ein Schlauch ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (8) aufweist, die mit der Lichtquelle (4) und dem Schallwandler (5) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Auswerteeinheit (10) aufweist, die die Werte des Schallwandlers (5) als Messwert, insbesondere als Hämatokritwert, angibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) gepulstes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 650 bis 2100 nm aussendet.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (5) für Ultraschallwellen im Bereich von 100 kHz bis 5 MHz ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) lichtundurchlässig für eine Wellenlänge zwischen 400 nm und 2800 nm, insbesondere zwischen 650 nm und 2100 nm, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) eine Temperaturmesseinrichtung (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) eine Schutzeinrichtung (20) aufweist, die sicherstellt, dass nur bei geschlossenem Gehäuse die Lichtquelle (4) aktiviert werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergebenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sensor (21) aufweist, der erkennt, dass das Gehäuse (1) geschlossen und/oder die Leitung (3) eingelegt ist.