DE1498513B2 - Sonde zur kolorimetrischen bestimmung der sauerstoffanreicherung im blut lebender blutgefaesse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde zur kolorimetrischen Bestimmung der Sauerstoffanreicherung im Blut lebender Blutgefäße.

Zur Feststellung von Veränderungen im Blutzustand, insbesondere während chirurgischer Eingriffe und Narkosen, ist es wesentlich, eine Vorrichtung zu besitzen, die eine kontinuierliche Messung des Sauerstoffgehaltes im Blut ermöglicht. Die bisher für diese Zwecke vorgesehenen Verfahren, die mit einer Durchleuchtung des Ohrläppchens arbeiteten, sind unsicher, da die Messung durch das Bindegewebe im Ohrläppchen leicht verfälscht wird.

Die Erfindung gestattet, den Sauerstoffgehalt des Blutes direkt in den Venen oder Arterien des menschlichen Körpers kolorimetrisch zu bestimmen, so daß die Körperfunktionen während der Operation genauestens überwacht werden können.

Eine Sonde zur kolorimetrischen Bestimmung der Sauerstoffanreicherung im Blut lebender Blutgefäße kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß sie nach Art der Endoskope aus mindestens zwei getrennten lichtleitenden Faserbündeln besteht, von denen eines der Einleitung und ein anderes der Zurückleitung des Lichtes dient, jedoch mit dem Unterschied, daß die Faserbündel am vorderen Ende der Sonde freiliegen, um unter Ausschaltung jedweder optisch abbildenden Elemente in direkten Kontakt mit der Blutflüssigkeit gebracht zu werden.

Zweckmäßigerweise weist die Sonde eine dünnwandige Umhüllung nach Form und Art einer Injektionskanüle auf, die einen langgestreckten hohlen Abschnitt aufweist, der die Sonde zumindest über einen Teil ihrer Länge umgibt und sich von einem Punkt am Vorderende der Sonde an dieser entlang erstreckt.

Zur optischen Beobachtung schwer zugänglicher Stellen sowohl des menschlichen Körpers als auch für technische Zwecke sind sogenannte Endoskope bekanntgeworden, die aus zwei getrennten lichtleitenden Faserbündeln bestehen, von denen eines der Einleitung und ein anderes der Zurückleitung des Lichtes zu bzw. von der zu beobachtenden Stelle dient. Bei derartigen Endoskopen bildet das aus den beiden Faserbündeln bestehende Lichtleiterkabel ein Zwischenglied zwischen optischen Abbildungssystemen, von denen das der zu beobachtenden Stelle zugewendete optische System das Objektiv bzw. den Beleuchtungskondensor und das am anderen Ende des Lichtleiterkabels vorgesehene optische System das Okular bzw. den Kollimator bildet.

Im Unterschied dazu treten bei der Erfindung am vorderen Ende der Sonde die frei liegenden Faserbündel in direkten Kontakt mit der Blutflüssigkeit und begrenzen dadurch eine kolorimetrische Meßstrecke, bei der das Blut das zu messende Medium bildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung erörtert. Von den Figuren zeigt
F i g. 1 schematisch die Anwendung einer Sonde, F i g. 2 einen stark vergrößerten Längsquerschnitt einer' ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonde,

F i g. 3 einen vergrößerten Querschnitt entlang der Linie 3-3 von F i g. 2,

F i g. 4 einen stark vergrößerten Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonde,

F i g. 5 einen vergrößerten Querschnitt der Sonde von F i g. 4 entlang der Linie 5-5,

F i g. 6 und 7 stark vergrößerte ausschnittweise Querschnitte weiterer Ausführungsformen,

F i g. 8 einen ausschnittweisen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform.

In Fig. 1 ist schematisch die Anwendung einer Sonde gemäß der Erfindung dargestellt. Eine optische lichtleitende Sonde 10 aus flexiblen Fasern ist am einen Ende in einer Nadel 11 nach Art einer Injektionskanüle befestigt. Am anderen Ende der Sonde, das in einer noch näher zu beschreibenden Weise verzweigt ist, ist ein Kolorimeter vorgesehen, das aus einer Lichtquelle 12, einem Paar reflektierender Spiegel 13 und 14 und Durchlaßfiltern 15 und 16 besteht, die zusammen gegenüber der Lichtquelle verstellbar sind. Eine Lichtfokussierungsvorrichtung 17 ist zwischen den Filtern und dem benachbarten Ende von einem Verzweigungsarm der Sonde 10 eingeschaltet, während in der Nähe des Endes an dem anderen Verzweigungsarm der Sonde 10 eine elektri-

sehe Meßschaltung mit fotoempfindlichen' Vorrichtungen 18 angeordnet ist. In dem Stromkreis für die Meßschaltung ist ein Meßgerät 19 zur Anzeige des Ausgangs der fotoempfindlichen Vorrichtung 18 vorgesehen.

Die Sonde 10 besteht gemäß der Erfindung aus einem Paar lichtleitender Faserbündel 20 und 21 (Fig. 1, 2 und 3), die vorzugsweise aus einer großen Anzahl von einzeln isolierten, dicht aneinanderliegenden, lichtleitenden Fasern 22 hergestellt sind. Die Fasern 22 werden vorzugsweise durch Ziehen eines Stabes aus lichtleitendem Material hergestellt, der einen Kern aus Flintglas od. dgl. mit verhältnismäßig hohem Brechungsindex und darüber eine dünne lichtisolierte Umhüllung aus Glas mit verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex, beispielsweise Kronglas, besitzt. Obwohl die Fasern vorzugsweise aus Glas hergestellt werden, können auch andere plastische Materialien verwendet werden. Die Fasern können z. B. durch Ziehen eines Stabes aus Kunststoff mit hohem Brechungsindex zu einer Faser hergestellt werden, worauf die Faser mit einer lichtisolierenden Schicht von niedrigem Brechungsindex, beispielsweise einer Mischung von Tetraäthyl-o-Silikat umgeben wird, in der mikroskopische Teilchen Kieselsäure eingebettet sind.

Das Ende der Sonde 10 ist in der Nähe der Verbindung mit einer Injektionskanüle 11 so ausgebildet, daß das lichtleitende Bündel 21 das Bündel 20 (Fig. 2 und 3) umgibt, d.h. das Bündel 20 bildet den Kern der Sonde 10 und ist von dem anderen ihn umgebenden Bündel 21 durch eine verhältnismäßig dünne und biegsame Wand 23 getrennt, die aus einem undurchlässigen Material, vorzugsweise einem Metall oder Kunststoff, hergestellt sein kann. Eine ähnliche biegsame Wand 24 umgibt das Faserbündel 21, und ein dicht anliegender Schutzmantel 25 aus Kunststoff od. dgl. ist um die gesamte Anordnung gelegt, um eine Beschädigung der Fasern 22 oder der Schutzwand 24 zu verhindern.

An einer Stelle verzweigt sich die Sonde 10 in Längsrichtung, um die lichtleitenden Bündel 20 und 21 voneinander zu trennen (s. F i g. 1 und 2). An dieser Stelle sind die Fasern 22 des Bündels 21 ein Stück auseinandergezogen, um ein Herausführen des Bündels 20 einschließlich seiner Schutzwand 23 zu ermöglichen. Letzteres erstreckt sich durch eine Seite des Bündels 21 seitlich nach außen. An dieser Verzweigung 26 sind die Fasern des Bündels 21 fest zu Gruppen aneinandergefügt, wie dies in F i g. 2 gezeigt ist, um nachher als eine getrennte Einheit unabhängig und losgelöst von dem Bündel 20 weiterzulaufen. Bei F i g. 2 ist zu beachten, daß an der Verzweigung 26 die Wand 24. die das Bündel 21 umgibt, nur so weit geöffnet ist, daß die Wand 23 des Bündels 20 hindurchtreten kann. An dieser Öffnung ist die Schutzwand 24 mit der Schutzwand 23 verbunden, wobei letztere einen Streufluß von Licht aus der Sonde hinaus verhindert. Auf diese Weise wird eine vollständige Lichtabdichtung an der Verzweigung 26 erzielt, und der Schutzmantel 25 ist so um die Verzweigung fest angelegt, daß er sich von dort weiter nach außen, erstreckt und dann jedes der voneinander getrennten lichtleitenden Bündel 20 und 21 umgibt.

Die Fasern 22, die einen Teil der Sonde 10 bilden, besitzen eine Länge, die der gewünschten Länge der Sonde entspricht und erstrecken sich durchlaufend über die gesamte Länge.

Die Sonde von F i g. 2 und 3 kann, wie F i g. 6 zeigt, auch ohne die Wände 23 und 24 hergestellt werden. In diesem Falle ist es jedoch vorteilhaft, einen verhältnismäßig kurzen rohrförmigen Lichtschutz ISa, 23 a vorzusehen, der das innerste lichtleitende Bündel 20 umgibt, um zu verhindern, daß von dem Ende des lichtleitenden Bündels 22 ausgesendetes Licht zur Seite gestreut und direkt zurück in das Bündel 20 gesendet wird. Die einzelnen Fasern

ίο 22, die, wie bereits erwähnt, ummantelt oder umhüllt sind, bilden einzeln isolierte Lichtwege im übrigen Teil der Sonde und verhindern dabei jede störende Wechselwirkung zwischen den Bündeln 20 und 21.

Da diese Fasern verhältnismäßig lang sind und einen sehr dünnen Querschnitt besitzen, sind sie hochflexibel. Wenn sie zu einem Bündel vereinigt sind, wie es in F i g. 2, 3 und 6 gezeigt ist, ist das dabei entstehende Gebilde verhältnismäßig flexibel und leicht biegsam. Die gegenüberliegenden Enden der Fasern 22 der Bündel 20 und 21 werden jeweils miteinander verschweißt, verklebt oder auf andere Weise miteinander verbunden, um eine Längsverschiebung der Fasern zu vermeiden. Ferner werden diese Enden optisch bearbeitet, um die Fasern zur Übertragung von Licht aufnahmefähig zu machen.

Die Querschnitte der lichtleitenden Bündel 20 und 21 der Sonde 10 werden so gewählt, daß sie zueinander in einem gewünschten Größenverhältnis stehen,

d. h., das Bündel 20 kann so ausgeführt werden, daß es eine größere Querschnittsfläche als das Bündel 21 besitzt oder umgekehrt.

Wird die Injektionskanüle 11 mit der Sonde 10 (Fig. 1) durch die Gewebe 27 des Körpers in eine Arterie 28 eingeführt und das Anfangsende 11 α der Kanüle 11 in den Blutstrom 29 gebracht, so steht das Ende 10 α der Sonde 10 mit dem Blut 29 in direkter Berührung. Von dem Kolorimeter wird dann Licht in einen der beiden verzweigten Arme der Sonde 10 geleitet, wobei es dann von einem der lichtleitenden Bündel der Sonde weitergeleitet und am Ende 10 a in den Blutstrom 29 eingeführt wird. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel dient das Bündel 21 zur Einleitung des Lichtes in den Blutstrom. Wenn die beiden Bündel 20 und 21 im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche besitzen, ist es unwesentlich, welches der beiden zur Einführung des Lichtes in den Blutstrom verwendet wird.

Nachdem das Licht von dem Bündel 21 in das Blut eingeführt ist, wird es dort zerstreut, absorbiert und teilweise reflektiert und von den Blutzellen und anderen Bestandteilen des Blutes weitergeleitet. Ein wesentlicher Teil des Lichtes findet dann seinen Weg zurück zu dem Ende 10 a der Sonde 10 und wird durch das Bündel 20 wieder zu dem Kolorimeter geleitet.

Indem die Intensität des durch das Bündel 20 der Sonde 10 zurückkehrenden Lichtes in bestimmten Spektralbereichen gemessen wird, kann der Prozentgehalt des mit Sauerstoff angereicherten Hämoglobins im Verhältnis zu dem Gesamtgehalt des im Blut vorhandenen Hämoglobins bestimmt werden.

Um die Messung auszuführen, wird der Teil des Kolorimeters von Fig. 1, der das Licht in das Bündel 21 der Sonde 10 leitet, mit der Lichtquelle 12, beispielsweise einer 6-Volt-Lampe, vorzugsweise mit Wolframfaden, verbunden, welche Licht auf den reflektierenden Spiegel 13 nach oben aussendet. Der

Spiegel 13 richtet dann das Licht wahlweise durch das Filter 15 oder 16, und über die optische Fokussiervorrichtung 17 gelangt es in das lichtleitende Bündel 21 der Sonde 10.

Nachdem das Licht in die Sonde geleitet worden ist und das lichtleitende Bündel 21 durchlaufen hat, gelangt es in den Blutstrom 29, wird dort gestreut, teilweise absorbiert und reflektiert, so daß ein wesentlicher Teil des Lichtes den Weg zurück durch die

34 einzeln umgibt. Die Wandung 36 kann durch Pressen so hergestellt werden, daß sie sich durchgehend über die gesamte Länge erstreckt. Die Fasern

35 können danach durch die Wandung hindurch ein-5 gezogen werden. Die Wandung kann aber auch direkt auf die Faserbündel 33 und 34 ähnlich wie eine Isolierung für elektrische Leiter aufgebracht werden. Weiterhin können die lichtleitenden Bündel 33 und 34 so ausgebildet sein, daß sie eine unterschiedliche

Sonde 10 finden wird, um schließlich von der licht- io Querschnittsfläche besitzen. Bei Verwendung von

empfindlichen Vorrichtung 18 aufgenommen zu wer- lichtleitenden Fasern 35, welche einzeln mit lichtiso-

den, die ein Cadmium-Selen-Fotohalbleiter sein lierenden Umhüllungen versehen sind, braucht die

kann. zwischen beiden Bündeln vorgesehene Zwischenwan-

Wenn das Blut beispielsweise im Herzen eines Pa- dung 37 sich nicht über die gesamte Länge der Sonde

tienten untersucht werden soll, wird das Ende 10 a 15 zu erstrecken. Am Ende der Sonde sollte jedoch ein

der Sonde 10 ohne die Kanüle 11 (s. F i g. 6) an einer verhältnismäßig kurzes Stück der Zwischenwand 37

geeigneten Stelle des Körpers des Patienten in eine vorhanden sein, um die beiden Bündel 33 und 34

Arterie eingeführt. Dann wird die Sonde 10 so lange voneinander zu trennen. Dadurch wird verhindert,

durch die Arterie geführt, bis ihr Ende 10 α die Herz- daß das von einem der Bündel ausgehende Licht zur

kammer erreicht, in der das Blut untersucht werden 20 Seite gestreut und in das andere Bündel direkt wieder

soll. zurückgeleitet wird.

Um sicherzustellen, daß das Blut am Ende 10 α F i g. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer der Sonde 10 jederzeit während der Untersuchung erfindungsgemäßen faseroptischen Sonde. Die Sonde frei fließen kann, wird, wie Fig. 8 zeigt, über das besteht aus zwei lichtleitenden Bündeln 46 und 47, je Ende 10 α der Sonde 10 eine rohrförmige Verlange- 25 bestehend aus einer großen Anzahl von lichtleitenden rung 60 gestülpt. Die Verlängerung 60 verhindert Fasern 48. Die Bündel 46 und 47 sind am Ende der eine mögliche Berührung des Endes 10 a der Sonde Sonde, das mit der zu untersuchenden Probe in Bemit den Wänden einer Arterie oder Vene. Die Ver- rührung gebracht werden soll, dicht nebeneinander längerung ist vorzugsweise mit einem offenen Ende angeordnet. Das gegenüberliegende Ende der Sonde und Schlitzen 61 versehen, die das Blut oder die zu 30 ist in zwei Arme verzweigt, um die Bündel 46 und 47 untersuchende Flüssigkeit frei zur Seite und/oder in ähnlicher Weise wie bei Fig. 4 voneinander zu durch das Ende der Verlängerung 60 an dem Ende trennen. An dem Ende der Sonde, das mit einer Pro-10 α der Sonde vorbei ausströmen lassen, so daß das be in Berührung gebracht wird, sind die Endflächen in den Blutstrom eintretende Licht schon innerhalb der Bündel 46 und 47 optisch bearbeitet und mit der Verlängerung 60 vom Blut gestreut und reflek- 35 ebenen Flächen 49 und 50 versehen, die unter einem tiert wird und in die Sonde zurückkehrt, ohne in ir- Winkel von 45° zu den Längsachsen angeordnet . gendeiner Weise durch eine Reflexion an den Wan- sind, so daß sie untereinander einen Winkel von 90° den der Blutgefäße beeinflußt zu werden. Dabei soll- bilden. Die Flächen 49 und 50 sind versilbert oder te sich das Ende 10 α der Sonde 10 bis in den mit auf andere Weise so behandelt, daß sie das das Bünden Schlitzen 61 versehenen Bereich der Verlange- 40 del 46 durchlaufende Licht senkrecht zur Achse des rung 60 erstrecken, damit ein Stillstehen oder Sta- Bündels reflektieren und in das Bündel 47 richten, gnieren des Blutes nahe dem Ende 10 α der Sonde in Da der Reflexionswinkel des Lichtes an der Fläche der Verlängerung 60 verhindert wird. 49 größer ist als der Totalreflexionswinkel der Um-

Die Sonde 10 kann in jeder gewünschten Länge hüllung oder der Isolierschicht auf den Fasern 48,

und Stärke hergestellt werden, wobei ihr Querschnitt 45 kann das Licht direkt durch die Umhüllungen laufen,

vorzugsweise beträchtlich kleiner sein soll als der Die Enden der Bündel 46 und 47 können aber auch

Durchmesser der Venen oder Arterien, in die sie ein- mit einer senkrecht zur Längsachse angeordneten,

geführt werden soll. Für bestimmte Anwendungs- optisch bearbeiteten Fläche versehen sein, und ein

. zwecke kann die faseroptische Sonde nach der Erfin- 90°-Prisma kann die beiden Spiegelflächen 49 und

dung ohne weiteres in einem Katheter, wie er zur 50 50 ersetzen.

Blutentnahme aus den Arterien oder dem Herzen Nahe am Ende der Sonde ist ein Einschnitt 51 vorverwendet wird, angeordnet werden. gesehen, der das Bündel 47 durchsetzt und dessen

F i g. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführung einer Fasern 48 trennt, so daß ein Paar im Abstand vonfaseroptischen Sonde. Zwei lichtleitende Bündel 33 einander angeordneter, paralleler, ebener Flächen 52 und 34, die jeweils aus einer großen Zahl von licht- 55 und 53 senkrecht zu der Längsachse des Bündels 47 leitenden Fasern 35 bestehen, sind nebeneinander gebildet ist. Die Flächen 52 und 53 sind optisch beangeordnet. Eine Wandung aus flexiblem, lichtun- arbeitet. Wenn das Ende der Sonde in eine Flüssigdurchlässigem Kunststoff oder aus einem anderen ge- keit, beispielsweise in Blut, eintaucht, wird die Flüseigneten lichtisolierenden Material dient zur Umhül- sigkeit bzw. das Blut in den Einschnitt einfließen und lung der Fasern 35 und zur lichtmäßigen Trennung 60 den Zwischenraum zwischen den Flächen 52 und 53 der lichtleitenden Bündel 33 und 34 voneinander. durchströmen. Das von der Spiegelfläche 50 reflek-Die Wandung 36 ist über ihre gesamte Länge mit tierte Licht wird dann direkt durch das Blut geleitet einer Innenrippe 37 versehen, die die beiden Bündel und von der Fläche 53 aufgenommen, um schließlich 33 und 34 voneinander trennt. Eine Verzweigungs- nach Durchlaufen des Bündels 47 der Sonde koloristelle 38 ist vorgesehen, an der sich die Sonde in zwei 65 metrisch untersucht zu werden. Ein Schutzmantel Arme mit den getrennten Bündeln 33 und 34 ver- aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten biegzweigt. An dieser Verzweigungsstelle ist die Wan- samen Material umgibt die Bündel 46 und 47 der dung 36 so geteilt, daß sie die beiden Bündel 33 und Sonde, wobei sie am Ende der Sonde eine abgerunde-

te Kappe 55 bildet, die ein Einführen durch ein Blutgefäß ermöglicht, ohne daß das Blutgefäß verletzt wird. In dem Mantel 54 ist, wo der Einschnitt 51 liegt, eine Öffnung 56 vorgesehen, durch die das Blut in den Einschnitt einfließen kann. An der öffnung 56 sind die Kanten 57 des Mantels vorzugsweise nach

innen abgerundet, um ein Festhaken oder Verletzen der Blutgefäße beim Einführen zu verhindern. Der Mantel 54 ist vorzugsweise an den Fasern 48 der lichtleitenden Bündel 46 und 47 verklebt, damit die auseinanderliegenden Bündel 47 zueinander und zu der Spiegelfläche 49 gut ausgerichtet bleiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 519/332

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Sonde zur kolorimetrischen Bestimmung der Sauerstoffanreicherung im Blut lebender Blutgefäße, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach Art der Endoskope aus mindestens zwei getrennten lichtleitenden Faserbündeln (20, 21; 33, 34; 46, 47) besteht, von denen eines der Einleitung und ein anderes der Zurückleitung des Lichtes dient, jedoch mit dem Unterschied, daß die Faserbündel am vorderen Ende (10 d) der Sonde (10) freiliegen, um unter Ausschaltung jedweder optisch abbildenden Elemente in direkten Kontakt mit der Blutflüssigkeit (29) gebracht zu werden.

2. Sonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dünnwandige Umhüllung (11) nach Form und Art einer Injektionskanüle, welche einen langgestreckten hohlen Abschnitt aufweist, der die Sonde zumindest über einen Teil ihrer Länge umgibt und sich von einem Punkt am Vorderende der Sonde an dieser entlang erstreckt.

3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserelemente der lichtleitenden Faserbündel jeweils aus einem Kern aus lichtleitendem Material mit verhältnismäßig hohem Brechungsindex bestehen, der von einer verhältnismäßig dünnen Schicht eines Materials mit einem geringen Brechungsindex umhüllt ist.

4. Sonde nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden getrennten, parallelen Faserbündel (46, 47) durch ein 90°-Prisma abgeschlossen oder zur Bildung einer 90°-Dachfläche (49, 50) abgeschliffen sind und in dem einen Bündel (47) ein sich quer zur Bündellängsachse erstreckender Einschnitt (51) eingeschliffen ist.

5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein die beiden Faserbündel (46, 47) umschließender Schutzmantel (54) an seinem vorderen freien Ende eine abgerundete Kappe (55) bildet.