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Druckrezeptor für intrakorporale Druckmessungen, insbesondere für
intrakardiale oder intravasale Blutdruckmessungen Gegenstand der Erfindung ist ein
Druckrezeptor für intrakorporale Druckmessungen, d. h. ein für die Anwendung im
Körperinneren von Mensch und Tier bestimmtes Druckmeßgerät so kleiner Dimensionen
(Außendurchmesser 1,3 mm, Länge 8 mm), daß es in kleine arterielle und venöse Blutgefäße,
vor allem aber, an der Spitze eines Herzkatheters befestigt, in das Herz eingeführt
werden kann, um an Ort und Stelle den Blutdruck zu messen und fortlaufend zu registrieren.
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Solche Druckmessungen und Registrierungen in Herz und Gefäßen sind
heute in Physiologie und klinischer Medizin alltägliche Maßnahmen. In der überwiegenden
Zahl der Fälle werden sie heute so vorgenommen, daß ein flüssigkeitsgefüllter Katheter
mit endständiger Öffnung bis zur Meßstelle (z. B. in die rechte Herzkammer) vorgeschoben
wird. Die hier herrschenden Druckschwankungen werden durch den Katheter zu einem
mit dem äußeren Katheterende verbundenen, also außerhalb des Körpers befindlichen
Druckmeßgerät (extrakorporales Manometer) fortgeleitet und von diesem mittels elektrischer
Transmission registriert.
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Diesem Verfahren der extrakorporalen Registrierung haften zwei Mängel
an: 1. Die Fortleitung der Druckschwankungen in der langen Flüssigkeitssäule des
Katheters führt zu hoher Dämpfung und damit zu so starker Herabsetzung der Eigenfrequenz
des Registriersystems, daß höherfrequente Druckschwankungen nicht mehr getreu wiedergegeben
werden.
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2. Die durch die Bewegungen des Herzens hervorgerufenen Schleuderbewegungen
des Katheters erzeugen Entstellungen der Druckkurven.
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Beide Vorgänge erschweren die Deutung und damit die diagnostische
Verwertung der gewonnenen Kurven.
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Man ist daher schon seit Jahren bestrebt, Druckrezeptoren so klein
zu bauen, daß sie beim Menschen, an der Spitze eines Katheters befestigt, in Blutgefäße
und in das Herz eingeführt werden können (Wetterer-Sonde, 1943; Gauer-Sonde, 1950,
Telco-Manometer von Laurens und All ard, 1954; Statham Transducer, 1962). Die genannten
Druckrezeptoren arbeiten teils nach dem induktiven, teils nach dem Dehnungsmeßstreifenprinzip.
Nur diese Technik der intrakorporalen Druckrezeptoren gestattet, physikalisch einwandfreie
Druckkurven zu schreiben.
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Ein anderes Konstruktionsprinzip wurde bisher nur im Tierexperiment
angewandt. Es beruht darauf, daß die Verformungen einer endständigen elastischen
Membran
unter dem Einfluß des Blutdrucks zu Anderungen der Weglänge der Feldlinien eines
elektrischen Feldes führen, das zwischen zwei Elektroden in einer flüssigkeitsgefüllten
Kammer aufgebaut ist (Grünbaum, 1898 Garten,1916; Schütz, 1931; Wagner, 1931/32;
Wagner und Pieper, 1951).
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Die letztgenannte Elektrolytmanometersonde von Wagner und Pieper (Zeitschrift
f. Biol., Bd. 104, 1951, S.203 bis 213) kennzeichnet den bekannten Stand der Technik.
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Sie besteht aus einer Sonde von 3,7 mm Durchmesser, die durch eine
fast bis an das distale Ende reichende feste Scheidewand in zwei Kammern unterteilt
ist. Beide Kammern sind mit Kochsalzlösung gefüllt. Zu beiden Seiten der Scheidewand
verläuft je eine wechselstromgespeiste Platinelektrode. Am distalen Ende ist die
Sonde durch eine gespannte Gummimembran gegen die Blutbahn hin abgeschlossen. Diese
Gummimembran bildet, wie bisher üblich, den elastischen Widerstand der Manometersonde.
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Von ihrer Spannung, ihrer Dicke und ihrem Durchmesser werden die Eigenschaften
der Sonde wesentlich bestimmt. Zwischen der Membran und dem unteren Ende der Scheidewand
bleibt nur ein enger Spalt, in dem sich der Stromübergang zwischen den beiden Platinelektroden
vollzieht. Wird die Membran durch den Blutdruck eingedrückt, so verringert sich
ihr Abstand zur Scheidewand. Dadurch wird der Querschnitt des Strompfades zwischen
den beiden Elektroden verkleinert und eine Änderung der Feldlinien des elektrischen
Feldes in der Flüssigkeit bewirkt. Um ein Ausweichen der Kammerflüssigkeit bei Bewegungen
der Membran zu ermöglichen, trägt die
Kammerscheidewand eine feine
Längenbohrung, die mit der Außenluft in Verbindung steht. Die druckbedingten ohmschen
Widerstandsänderungen der Kochsalzlösung werden mittels Brückenschaltung und Verstärker
in bekannter Weise registriert.
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Die Nachteile dieses Druckrezeptors sind unter anderem die folgenden:
1. Sein Durchmesser ist für bestimmte Anwendungen am Menschen erheblich zu groß.
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2. Vor jeder Anwendung müssen Kammerfüllung und Gummimembran erneuert
werden.
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Für klinische Zwecke ist die Sonde aus diesen Gründen wenig geeignet.
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Aber auch alle anderen bisher bekanntgewordenen Druckrezeptoren sind
noch zu groß, um einen Herzkatheterismus beim Säugling und Kleinkind zu gestatten.
Gerade bei letzterem hat aber die exakte Druckregistrierung im Herzen besondere
Wichtigkeit für die Diagnostik der angeborenen Herzfehler.
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Ebenso sind die bisher konstruierten intrakorporalen Druckrezeptoren
zu groß, um mit Hilfe einer Punktionsnadel direkt in kleinere Blutgefäße eingeführt
zu werden. Daher konnten Druckmessungen in kleineren Venen bis jetzt nur mittels
extrakorporaler Druckrezeptoren ausgeführt werden. Dabei mußte die mit der Körperlage
wechselnde hydrostatische Druckkomponente- berücksichtigt werden, wodurch unter
Umständen erhebliche Meßfehler eingeführt wurden.
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Aus den genannten Gründen ergab sich die Aufgabe, einen Druckrezeptor
zu bauen, der so kleine Dimensionen besitzt, daß er selbst beim Kleinkind und Säugling
an einer Sonde ins Herz, bzw. mittels einer Punktionsnadel in kleinere Blutgefäße
eingeführt werden kann. Dieser sollte zugleich so beschaffen sein, daß er nur auf
Druckschwankungen anspricht, nicht aber auf Schleuderbewegungen, d. h. auf Lageänderungen
und Beschleunigungen, denen jeder Druckrezeptor im schlagenden Herzen ausgesetzt
ist. Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Elektroden
ein gegen die flüssigkeitsgefüllte Kammer hin abgeschlossenes dünnwandiges Rohr
angeordnet ist, das sich unter dem Einfluß der Druckänderungen, die aus den durch
die Bewegung der richtkraftlosen Membran hervorgerufenen Volumenänderungen der Flüssigkeitskammer
resultieren, elastisch verformt und das innerhalb der Flüssigkeitskammer in bezug
auf die beiden Elektroden derart angeordnet ist, daß seine Verformung eine Änderung
der Weglänge der Feldlinien des elektrischen Feldes in der Flüssigkeit bewirkt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Druckrezeptor von wenig über 1 mm Durchmesser
kann der elastische Widerstand nicht mehr, wie bei den bisherigen größeren Druckrezeptoren,
durch eine endständige elastische Membran gebildet werden, da diese unter physiologischen
Drücken viel zu kleine Auslenkungen zeigen und daraus eine zu geringe. Emplindlichkeit
des Druckrezeptors resultieren würde. Daher wurde in dem neuen Druckrezeptor der
elastische Widerstand durch ein fast die ganze Länge des Rezeptors durchlaufendes
kapillares Rohr aus sehr dünnem Glas (oder Metall) gebildet, das unter dem Einfluß
der Blutdruckschwankungen änderungen seiner Form erfährt. Das wichtigste Merkmal
dieses Rohres ist sein elliptischer Querschnitt. Unter Druckeinfluß
wird es derart
abgeflacht, daß die kleine Achse der Ellipse kleiner, die große Achse größer wird.
Die große Achse der Ellipse beträgt etwa 0,75 mm, die kleine Achse 0,4mm. Die Rohrlänge
beträgt etwa 5 mm. Das innere Ende ist geschlossen, daß äußere Ende kann offen sein
und steht dann mit der atmosphärischen Luft in Verbindung. Die Oberfläche ist platiniert
und die diinne Platinschlcht mit Platinmohr überzogen. Zu beiden Seiten des drucksensiblen
Rohres verlaufen parallel zu seiner Längsachse je eine Platinelektrode von Stabform,
ebenfalls mit Platinmohr überzogen, die sich nach außen als Zuleitungen fortsetzen.
Beide Elektroden sind in sehr kleinem Abstand (etwa 0,03 mm) vom Rohr, nur an ihren
Enden isoliert, auf das Rohr aufgeldttet. Da das Rohr an den Kittstellen versteift
ist, so ist die Lage der beiden Elektroden ortsfest und somit unabhängig vom herrschenden
Druck.
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In der Zeichnung stellen Abb. 1 und 2 Längsschnitte durch den erfindungsgemäßen
Druckrezeptor dar. Abb. 2 ist gegen Abb. 1 um 900 gedreht. In beiden Abbildungen
ist mit 1 das drucksensible Rohr von elliptischem Querschnitt bezeichnet. In Abb.
1 ist der Schnitt durch die Ebene der großen, in A b b. 2 durch die Ebene der kleinen
Ellipsenachse geführt.
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Die beiden stabförmigen Elektroden sind mit 2 bezeichnet. Rohr und
Elektroden sind nahe ihrem proximalen Ende bei 4 in das innen lackisolierte Sondenrohr
3 axial eingekittet. Letzteres ist innen 1 mm weit und von 0,15 mm Wandstärke. Es
ist nach vorn durch die richtkraftfreie Membran 5 aus Silikonkautschuk abgeschlossen.
Der Innenraum ist luftblasenfrei mit einer Flüssigkeit von niedrigem Temperaturkoeffizienten
gefüllt. Den Abschluß zur Blutbahn hin bildet der Kunststoffring 6. Hier erfolgt
die Druckübertragung durch die schlaffe Membran 5 hindurch auf die Kammerflüssigkeit
und das druck sensible Rohr 1.
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Die Wirkungsweise des Druckrezeptors ist aus den durch die Linie
A-B in Ab b. 2 gelegten Querschnitten gemäß A b b. 3, 4 und 5 ersichtlich. Man erkennt
(in vergrößertem Maßstab) in der Mitte das Rohr 1 von elliptischem Querschnitt und
zu beiden Seiten die Elektroden 2. Der Strom fließt von einer Elektrode über die
Flüssigkeit zur leitenden Außenschicht des Rohres-1, von da über die Flüssigkeit
zur anderen Elektrode weiter. A b b. 3 zeigt die Querschnittsform des Rohres 1 bei
Atmosphärendruck. Mit steigendem Überdruck wird die Ellipse abgeflacht (Abb. 5),
die große Achse nimmt zu auf Kosten der kleinen Achse.
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Damit wächst der Abstand des Rohres von den feststehenden Elektroden
und dementsprechend steigt der Widerstand in der Strombahn. Das Umgekehrte erfolgt
bei Unterdruck, die Ellipse nähert sich der Kreisform (Abb. 4), die Abstände des
Rohres von den Elektroden werden kleiner, der Widerstand in der Strombahn sinkt.
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Die Messung des Widerstandes im Druckrezeptor unter dem Einfluß von
Druckänderungen kann in verschiedener Weise erfolgen, je nach der Beschaffenheit
der Flüssigkeit, die zur Füllung des Druckrezeptors benutzt wird: 1. Wird eine Elektrolytflüssigkeit
zur Füllung benutzt, so können die aus den Weglängenänderungen in der Elektrolytflüssigkeit
resultierenden Änderungen des ohmschen Widerstandes gemessen werden.
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2. Wird zur Kammerfüllung eine Flüssigkeit mit guten dielektrischen
Eigenschaften benutzt, so können die aus den Weglängenänderungen der elektrischen
Feldlinien in dieser Flüssigkeit resultierenden Änderungen des kapazitiven Wiederstandes
als Maß für die Druckänderungen gemessen werden.
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Abweichend von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
kann das drucksensible Rohr auch an beiden Seiten verschlossen und luftleer gemacht
sein. Man erhält dann absolute Drücke. Für den Druckrezeptor am Ende des Herzkatheters
ergibt sich hierbei der Vorteil, daß ein besonderer Luftkanal im Katheter fortfällt.
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Die Registrierung der Widerstandsänderung erfolgt in bekannter Weise
mittels Brückenschaltung, Speisung mit Wechselstrom von 5000 bis 6000 Hz, Verstärker
und Oszillographen. Zur Temperaturkompensation kann ein ähnlich gebauter, jedoch
druckempfindlicher Widerstand gleicher Größenordnung im benachbarten Brückenzweig
dienen.
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Der beschriebene Druckrezeptor zeigt von -100 bis +300 Torr drucklineare
Ausschläge. Entsprechend der minimalen Masse des schwingenden Körpers ist die Eigenfrequenz
sehr hoch; sie übersteigt 3000 Hz. Die Empfindlichkeit ist für physiologische und
klinische Zwecke voll ausreichend und vom Grade der Verstärkung abhängig.
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Die Vorteile, die der neue Druckrezeptor gegenüber den schon bekannten
bietet, beruhen im wesentlichen auf zwei Eigenschaften: 1. seinen kleinen Dimensionen:
Außendurchmesser 1,3 mm, Länge 8 mm, und 2. seiner Stabilität gegen Lageänderungen
und Beschleunigungen.
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Im einzelnen ergeben sich daraus die folgenden Vorteile: 1. Er gestattet
die Registrierung physikalisch exakter Druckkurven in Herz und Gefäßen selbst beim
Kleinkind.
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2. Seine Einführung ins Herz erfolgt mittels des dünnen Katheters
der Größe 4 F (1,3 mm Durchmesser), während bisher in der Regel die viel dickeren
und steiferen Katheter der Größe 7 F (2,3 mm Durchmesser) benutzt wurden. Es ist
einleuchtend, daß die Verwendung eines dünneren Katheters mit seiner größeren Beweglichkeit
und Biegsamkeit die Gefahr von Herzstörungen stark verringert und damit den heute
völlig unentbehrlichen Herzkatheterismus zu einer praktisch ungefährlichen Methode
macht.
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3. Die Einführung des dünnen 4-F-Katheters mit dem neuen Druckrezeptor
an seiner Spitze in eine geeignete Vene zum Zweck des Herzkatheterismus kann mittels
einer einfachen Punktionsnadel erfolgen, während bisher in der Regel eine chirurgische
Freilegung der Vene erforderlich war.
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4. Ebenso kann der Druckrezeptor mittels einfacher Punktionsnadel
in mittlere und kleinere Blutgefäße eingeführt werden. Dadurch können - besonders
im Venensystem - einwandfreie Blutdruckmessungen ohne Berücksichtigung der hydrostatischen
Druckkomponente vorgenommen werden, da sich der Druckrezeptor direkt am Ort der
Messung befindet.
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5. Der neue Druckrezeptor gestattet auch die Registrierung einwandfreier
Blutdruckkurven unter Bedingungen starker Beschleunigungen, wie dies in schnellen
Flugzeugen und in Weltraumschiffen vorkommt.
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6. Er kann durch die bisher meist benutzten dickeren Herzkatheter
hindurchgeschoben und mittels der sogenannten transseptalen Methode auch im linken
Vorhof und der linken Herzkammer exakte Blutdruckkurven registrieren.