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GERÄT ZUR ÜBERWACHUNG DES STOFFWECHSELS IM LEBENDEN ZELLGEWEBE Die
Aufbereitung der Nährstoffe in vom Körper verwertbare Verbindungen, deren Speicherung
und Umsetzung während des Stoffwechsels werden von physikalischen und chemischen
Einflüssen sehr verschiedener Art und auf unterschiedliche Weise gesteuert.
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An der Steuerung sind auch im Körper selbst erzeugte Wirkstoffe, z.
B. Fermente, Honnone u. dgl. beteiligt. Mangel oder Überschuß an einem oder mehreren
dieser Stoffe führt zu einer Stoffwechselstörung und zu vorübergehenden oder dauernden
krankhaften Veränderungen des Stoffwechsels. Solche Störungen können auch durch
äußere Einflüsse, z. B. durch Änderung der Nahrungsmittelmenge wie auch der Nahrungsmittelzusammensetzung,
aber auch durch physikalische Einflüsse, wie plötzliche Steigerung der abgegebenen
Leistung oder auch durch seelische Einflüsse über den Wirkstoffhaushalt durch Hormone
verursacht werden.
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Erkennt man solche krankhaften Veränderungen frühzeitig, ist es durch
entsprechende Lebensweise und äußere Zugabe von Wirkstoffen, die im Körper selbst
nicht in genügender Menge produziert werden, möglich, annähernd einen normalen Stoffwechsel
herzustellen und aufrechtzuerhalten.
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Werden diese krankhaften Veränderungen dagegen nicht beachtet, so
führt dies zu schweren körperlichen Schäden und bei einem plötzlichen Zusammenbruch
des gesamten Stoffwechselhaushalts zu einem "Koma" mit tiefer Bewußtlosigkeit und
Todesfolge.
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Besonders häufig ist eine Stoffwechselstörung durch mangelndes Insulin
im Blutkreislauf, bezeichnet als Diabetes mellitus.
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Andere krankhafte Veränderungen im Zellgewebe entstehen durch Funktionsstörungen
der Leber oder der Galle. Wenn z. Be der Abbau der Fettsäuren unvollständig abläuft,
kommt es zur Bildung von giftigen "Ketonkörpern".
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Es gibt bereits elektrische Vorrichtungen zur Feststellung von Eigenschaften
des lebenden Zellgewebes, im besondere on eiE-lichen oder örtlichen Veränderungen
desselben unter Verwendung von speziellen Abtastelektroden zur Erfassung des ekekrischen
Feldes.
Es wurde auch versucht, mit einer solchen Vorrichtung bestimmte Krankheiten zu verfolgen
oder den Krankheitsherd zu lokalisieren. Jedoch können mit einem solchen Gerät keine
spezifischen Angaben über den Stoffwechselzustand des Zellgewebes gemacht werden.
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Mit einem anderen Gerät, bei dem der menschliche Körper als passiver
Zwei-Pol wirkt, wird die Verteilung des elektromagnetischen Feldes an bestimmten
Punkten des Körpers gemessen.
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Dieses bekannte Gerät besteht aus einem Hochfrequenz-Generator, der
eine sinusförmige Schwingung von etwa 400 kHz erzeugt, die mit 800 flz moduliert
ist. Abgelesen wird der Modulationsgrad an einem Drehspulinstrument, jedoch ist
auch dieses Gerät nur geeignet, eine elektrische Feldänderung, nicht aber den Stoffwechselzustand
zu erfassen.
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Auch Vorrichtungen zur Messung der Durchblutung des Gewebes sind bekannt.
Hierbei wird die Stromänderung gemessen, die sich direkt aus der Leitfähigkeit ergibt,
wenn an den am Körper angelegten Elektroden eine möglichst gleichbleibende Spannung
angelegt wird. Auch diese Vorrichtung ist nicht geeignet, den Stoffwechselzustand
zu überwachen.
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Alle diese bekannten elektrischen Vorrichtungen benutzen als Grundlage
eine direkte Widerstandsmessung, wobei G7 eiChStrOmgeräte den Ohmschen Widerstand
messen und den Nachteil haben, dass sich zwischen angelegter Elektrode und der Körperoberfläche
eine Polarisation ausbildet, die den Meßwert verfälscht.
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Ein Teil der bekannten Geräte verwendet deshalb zur Vermeidung einer
derartigen Polarisation einen sinusförmigen Wechselstrom, doch sind auch solche
Geräte zur Überwachung des Stoffwechselzustandes nicht geeignet.
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Gegenstand der deutschen Patentanmeldung P 16 16 006.8 ist ein Gerät
zur Uberwachung der Durchlässigkeit von lebendem Zellgewebe für körpereigene Flüssigkeiten
mit zwei Elektroden zum Anlegen an das Zellgewebe, von denen eine Elektrode mit
dem einen Anschluß einer Spannungsquelle und die andere Elektrode über einen Verstärker
und ein Anzeigeinstrument mit dem anderen Anschluß der Spannungsquelle in Verbindung
stehen und bei dem die Empfindlichkeitseinstellung des Verstärkers so gewählt ist,
dass dieser kurz vor der Selbsterregui-g ist und das Frequenzverhalten des Verstärkers
so gewählt ist, dass eine von der Durchlassigkeit abhängige Modulation der SLsnntn,
im Anzeigeinstrument angezeigt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gerät zu
schaffen, mit dem krankhafte Störungen des Stoffwechsels in einfacher Weise und
ohne klinischen Aufwand spezifisch überwacht werden können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Gerät zur Überwachung des
Stoffwechsels von lebendem Zellgewebe durch Anlegen von zwei Elektroden an das Zellgewebe
gelöst, bei dem eine Elektrode mit einem Anschluß einer asymmetrischen Wechselspannungsquelle
und die andere Elektrode über einen Verstärker und ein Anzeigeinstrument mit dem
anderen Anschluß der Wechselspannungsquelle in Verbindung steht, wobei durch das
Anlegen dieser asymmetrischen Wechselspannung an das lebende Zellgewebe Oberwellen
auftreten und der Verzerrungsfaktor der Oberwellen in dem Anzeigeinstrument als
eine den Stoffwechselzustand des lebenden Gewebes kennzeichnende Größe angezetgt
wird.
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Bei einem derartigen Gerät wird dos Zellgewebe selbst als nichtlineares
Übertragungsgl.ied wirksam. Unter asymmetrischer Wechselspannung wird dabei eine
"nicht-elnfache Sinusschwingung" verstanden, die, stellt man den Verlauf der Schwingung
graphisch dar, sowohl ungleiche Flächen oberhalb und unterhalb der Horizontallinie
wie auch ungleiche Flächen unterdem ansteigenden und absteigenden Kurvenzug hat.
Als Beispiel einer Quelle für eine derartige asymmetrische Wechselspannung sei ein
Generator erwähnt, der eine Sägezahn-Schwingung erzeugt.
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Die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle gelieferten asymmetrischen
Grundschwingung soll zwischen 450 Hz und 300 kHz liegen.
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Eine solche asymmetrische Wechselspannungsquelle hat offensichtlich
in dem angegebénen Frequenzbereich zur Folge, dass sich durch das dazvischengeschaitete
lebende Zellgewebe Oberwellen ausbilden, die in direktem Zusammenhang mit dem Stoffwechselzustand
des lebenden Körpers stehen und deren Amplitude sich mit einer Änderung des Stoffwechselzustandes
proportional oder annähernd proportional ändert. Erfasst man den sich ändauernden
Anteil der Oberwellen und damit den Verzerrungsfaktor, so kann man daraus direkt
auf die Änderung des Stoffwechsels schließen.
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Das Gerät nach der Erfindung ist daher geeignet, krankhafte Veränderungen
des Stoffwechselzustandes im Zellgewebe gegenüber dem normalen Stoffwechsel festzustellen
und dadurch eine Frühdiagnose des krankhaften Zustandes des Zellgewebes zu ermöglichen,
die mit anderen Nitteln gar nicht oder mindestens nicht so einfach ausgeführt werden
kann. Ausserdem ist das Gerät
nach der Erfindung aber auch geeignet,
bei einer bestimmten und bekannten Stoffwechselerkrankung, z. B. Diabetes mellitus,
den künstlich regulierten Stoffwechsel ZU überwachen und danach so zu steuern, dass
der Normalzustand des Stoffwechsels im Zellgewebe eingehalten wird.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung ist
parallel zu den Elektroden ein Widerstand schaltbar und durch das Verändern der
Eingangsempfindlichkeit des Verstärkers durch ein Potentiometer ein Zustand erreichbar,
bei welchem der Meßwert am Anzeigeinstrument mit und ohne parallel geschalteten
Widerstand derselbe ist. Dieser parallel geschaltete Widerstand soll vorteilhafterweise
einen Ohmschen Widerstand von der Größenordnung des Gleichstromwiderstandes des
zwischen den Elektroden liegenden Zeligewebes haben. Schaltet man diesen parallel
liegenden Ohmschen Widerstand zu und ab und regelt man mittels des Potentiometers
die Eingangsempfindlichkeit des nachfolgenden Verstärkers, so läßt sich nur e i
n Wert finden, der bei zu- und abgeschaltetem Parallelwiderstand unverändert bleibt.
Mit diesem Hilfswert ergibt sich eine sehr genaue Definition eines bestimmten Gleichgewichtszustandes
mit außerordentlich hoher Verstärkung des Signales, das heißt, daß das Auflösungsvermögen
und damit die mögliche Spreizung des Meßbereiches sehr groß wird.
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Zu beachten ist jedoch, daß dabei sich die Richtung der Meßanzeige
umkehrt. Dieser elektrische Gleichgewichtszustand kann darauf beruhen, daß einerseits
eine direkte Spannungserhöhung bzw. Spannungserniedrigung aus dem angelegten elektrischen
Widerstand des. lebenden Zellgewebes am Eingang des Verstärkers auftritt und andererseits
ein Rückkopplungseffekt dem entgegenwirkt. Je nachdem, welcher Effekt von beiden
größer ist, ergibt sich beim Zu- und Abschalten des Parallelwiderstandes zum lebenden
Zellgewebe ein Ansteigen oder Abfallen des Zeigers im Anzeigeinstrument. Durch Regeln
der am Verstärkereingang anliegenden Spannung bei gleichzeitigem Zu- und Abschalten
des Parallelwiderstandes läßt sich immer nur e i n e Stellung finden, bei der ein
elektrisches Gleichgewicht vorliegt und daher keine Abweichung des Zeigers im Anzeigeinstrument
beim Zu- und Abschalten des Parallelwiderstandes feststellbar ist.
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Unvermeidbare Störfaktoren, wie beispielsweise Änderungen des Hautwiderstandes
an den angelegten Elektroden und auch Spannungsschwankungen der angelegten Impulsspannung
sind bei dieser Anordnung unbedeutend.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des Gerätes kann man eine besondere
Vorrichtung zum dauernden periodischen Ein-und Ausschalten des Parallelwiderstandes
verwenden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn man den Parallelwiderstand
selbsttätig periodisch eine. und ausschal- -tet und die sich beim Zu- und Abschalten
ergebenden Spannungsschwankungen dazu benutzt, um das Potentiometer in an sich bekannter
Weise so lange selbsttätig nachzuführen, bis die Abweichung beim Zu- und Abschalten
des Parallelwiderstandes annähernd 0 ist.
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Die in dieser Weise arbeitenden Geräte können ferner ein Anzeigeinstrument
enthalten, das als schreibendes Instrument ausgebildet ist. Derartige schreibende
Geräte werden mit besonderem Vorteil verwendet, um die Veränderungen des Stoffwechsels
im Zellgewebe über längere Zeiträume selbsttätig zu registrieren und damit die Möglichkeit
zu geben, in einer Klinik bei einer kranken Person die Veränderungen des Stoffwechsels
fortlaufend aufzuzeichnen.
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Die zum Anlegen an das lebende Gewebe verwendeten Elektroden, die
zweckmäßig als Haftelektroden ausgebildet sind, werden vor dem Gebrauch mit einer
Elektrolytlösung getränkt, deren Konzentration zweckmäßigerweise nicht'geringer
ist, als diejenige der lebenden Zellflüssigkeit.
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Unter Bezugnahme auf die Figur wird die Erfindung in einer bevorzugten
Ausführungsform näher erläutert.
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Die Figur zeigt schematisch ein Schaltbild des Gerätes gemäß der Erfindung
bei Verwendung einer Gleichspannungsquelle. Die Gleichspannungsquelle 11 wird durch
den Schalter 12 über den Widerstand 13 und die Zenerdiode 14 an den Generator 15
angelegt, der seinerseits an der Körperelektrode 25 liegt.
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Als Gleichspannungsquelle kann dabei vorzugsweise eine Gleichspannungsquelle
mit einer Spannung von 6 bis 9 Volt und einem geringen Innenwiderstand verwendet
werden, z. B. eine DEAC-Batterie 6/225 der Firma Varta Aktiengesellschaft, Frankfurt,
Main. Die Größe des Widerstandes 13 liegt zweckmäßigerweise bei etwa 40 bis 60 Ohm
und seine Belastbarkeit bei 0,5 Watt.
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Die Zenerdiode 14 kann eine Zenerspannung von 5,6 - 6,0 Volt und einen
Zenerstrom von 3 - 30 Milliampere haben. Als Generator kann z. B. ein als RC-Phasenschieber
dienender KreLs verwendet werden, bestehend aus einer Kapazität von 0,022 F und
einem Widerstand von ungefahr 20 Kiloohm mit einem dazu passenden Koppeltransformator.
Die ELektrode 25 ist ebenso wLe die Elektrode 24 als iInftelektrodU ausgebildet
und es
kann z. B. die Elektrode Nr. 558 "Cardiopan" der Firma Llechti
AG in Luzern für diesen Zweck verwendet werden.
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Auch andere normale Thoraxelektroden, wie sie für Kardiogramme üblich
sind, können benützt werden, da die an den Elektroden 24,25 anliegende Impulsspannung
in der Regel unter 1 Volt liegt.
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Der Verstärker 16 und das Anzeigeinstrument 17 liegen über den einstellbaren
Widerstand 18 und den Spannungsteiler, der aus den Widerständen 19 und 20 gebildet
wird, an der Körperelektrode 24.
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Als Verstärker 16 kann z. B. ein Verstärker monolithischer Bauart,
der kurz vor seiner Selbsterregung betrieben wird, verwendet werden. Beim Anlegen
des lebenden Zellgewebes tritt dann eine erhebliche Änderung des Verzerrungsfaktors
ein. Als Anzeigeinstrument 17 kann z. B. ein Galvanometer benützt werden, dessen
Empfindlichkeitsbereich zweckmäßig zwischen 25 Mikroampère und 5 Milliapere, bevorzugt
aber bei 100 Mikroampdre bis 2 Milliampère, liegen sollte. Das Anzeigeinstrument
17 kann auch zur Kontrolle der als Gleichspannungsquelle dienenden Batterie verwendet
werden. Der Widerstand 18 dient der Einstellung des Stromflusses zum Anzeigeinstrument
17. Zweckmäßigerweise soll er von der Größenordnung von 10 Kiloohm sein und eine
Belastbarkeit von etwa 0,1 Watt haben. Der zu dem Spannungsteiler gehörende Widerstand
19 dient dem Abgleichen der Fertigungstoleranzen des integrierten Verstärkers 16
und hat einen Widerstand von ungefähr 25 Kiloohm bei einer Belastbarkeit von etwa
0,1 Watt. Der ebenfalls zu dem Spannungsteiler gehörende regelbare Widerstand 20
hat die Aufgabe, die Eingangsempfindlichkeit des Verstärkers zu verändern und ist.
von einer Größenordnung von ungefähr 25 Kiloohm und einer Belastbarkeit von etwa
0,1 Watt.
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Der Verstärke 16 liegt huber die Anschlußpunkte 16a und 16b an der
durch die Zenerdiode stabilisierten Versorgungsspannung an.
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Parallel zu den Körperelektroden 24 und 25 liegt ein Widerstand 21
von der Größenordnung des Ohmschen Widerstandes des Zellgewebes zwischen den angelegten
Elektroden. Seine Aufgabe ist es, die Anzeige in den Meßbereich des Anzeigeinstrumentes
zu legen. Der Widerstand 22 hat in der vorliegenden Ausführungsform eine Größe von
3 Kiloohm und eine Belastbarkeit von etwa 0,3 Watt. Anstatt dlev s Widerstandes
22
kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Regelwiderstand
21 mit den gleichen Kenngrößen wie der Widerstand 22 über den von Hand betätigten
Schalter 23 parallel zu den Körperelektroden 24 und 25 gelegt werden. Durch den
Schalter 23 kann der Widerstand 21 periodisch zu- und abgeschaltet werden. Anstelle
des Handschalters 23 kann auch eine selbsttätigte Einrichtung 26, z. B. durch einen
astabilen Multivibrator erfolgen.
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Wird durch den Schalter 12 der Stromfluß aus der Gleichspannungsquelle
11 eingeschaltet, so sendet der Generator 15 asymmetrische Impulse mit einer Frequenz
zwischen 450 Hz und 300 kHz aus, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 3 kHz, die über
die Elektrode 25, das zwischengeschaltete Zellgewebe und die Elektrode 24 zum Signalverstärker
16 gelangen. Dieser verstärkt durch seine Einstellung kurz vor der Selbsterregung
in hohe Maße die sich aus dem Anlegen des zwischengeschalteten Zellgewebes ergebenden
Oberwellen, deren Verzerrungsfaktor fieber das Anzeigeinstrument 17 abgelesen wies.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform dient nur zur Erläuterung
aber nicht zur Beschränkung der Erfindung und es sind zahlreiche Abwandlungen der
Erfindung möglich.
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Zum Gebrauch des Gerätes werden die Körperelektroden 24 und 25 mit
einer Elektrolytflüssigkeit benetzt, deren Konzentration nicht kleiner ein soll
als die Konzentration der Körperflüssigkeit des lebenden Zellgewebes. Als Elektrolyt
kann 2. B. eine gesittigte Kochsalzlösung oder auch eine der Körperflüssigkeit entsprechende
Ringerlösung Verwendung finden. Die zweckmäßig als Unterdru'ck-t(aftelektroden ausgebildeten
Körperelektroden, z. B. die zur Aufnahme eines EKGs verwendeten sogenannten Thoraxelektroden,
werden an zwei Körperstellen aufgesetzt. Um vergleichbare Meßergebnisse zu erhalten,
ist es notwendig, diese Elektroden bei jeder Messung immer wieder etwa an.dön gleichen
Körperstellen aufzusetzen, z, B. auf der Innenseite beider Unterarme, knapp unter
der Ellbeuge. Es können auch andere Körper stellen und andere Entfernungen zwischen
den Elektroden benutzt werden, jedoch muß das Gerät für die Anzeige eines normalen
Stoffwechsels darauf geeicht werden. Nach dem Einschalten des Gerätes wird der Zeiger
des. Anzeigeinstrumentes auf einen bestimmten Skalenwert einspielen. Im Falle der
Verwendung des Widerstandes 22 kann dieser Skalenwert direkt als eine Meßgröße abgelesen
werden, der im Verhältnis steht zur Einstellung bzw. Justierung der Vorrichtung
auf
ein lebendes Zellgewebe mit normalem Stoffwechsel. Wesentlich
genauere Meßergebnisse erhält man, wenn anstelle des Widerstandes 22 der Widerstand
21 durch den Schalter 2S periodisch ein- und ausgeschaltet wird und das Potentiometer
20 so nachgeregelt wird, daß bei zu- und abgeschaltetem Widerstand 21 keine Veränderung
der Zeigerstellung im Anzeigegerät 17 eintritt. Auch bei dieser Methode ist die
Zeigerstellung eine direkte propotionale Kenngröße zum Nullwert eines lebenden Zellgewebes
mit normalem Stoffwechsel, jedoch ist bei dieter Methode die Auflösung erheblich
größer und dadurch die Meßgenauigkeit erheblich besser.