DE1940579C3 - Photometrisches Blutuntersuchungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein photometrisches Blutuntersuchungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Hauptan-

Spruches, bei dem das auf die Blutprobe gerichtete Licht durch die Diffusstreuung im Blutmuster reflektiert wird. Es treten dabei Schwierigkeiten auf, da besondere Eigenschaften der Blutzusammensetzung einen Einfluß auf die Reflexion ausüben, die Oberfläche der Blutprobe

reflektiert und ein Unterschied zwischen laminar strömendem Blut und einer durch Aufregung oder anderswie entstandenen turbulenten Blutbewegung besteht. Bekannte Geräte sind daher so eingerichtet, daß sie für jede Untersuchung geeicht sverden können,

zo was oft eine verhältnismäßig umständliche Behandlung erfordert.

Eine wichtige Messung bei der Blutuntersuchung besteht in der Bestimmung der Sauerstoffsättigung aus dem Verhältnis zwischen den Lichtintensitäten bei zwei Wellenlängen, die von dem zu untersuchenden Blut reflektiert werden. Eine dieser Wellenlänge ist die, bei der die Absorption durch reduziertes Hämoglobin der Absorption durch oxydiertes Hämoglobin entspricht, die sogenannte isobestische Wellenlänge. Die andere

Wellenlänge ist derart gewählt, daß das Meßergebnis infolge der Sauerstoffsättigung möglichst groß ist.

Zur Verfügung stehende Geräte zum Durchführen dieser Messung sind daher so eingerichtet, daß ein einfallendes, die erwähnten Wellenlängen enthaltendes Lichtbündel auf die Blutoberfläche gerichtet wird und nach der Reflexion am Blut die beiden Wellenlängen durch Verwendung von Interferenzfiltern getrennt werden. Die Messung unter Verwendung der beiden genau selektierten Wellenlängen erfolgt durch Ver-

gleich der Intensitäten, wobei entweder durch photoelektrische Umwandlung in elektrische Ströme eine Verhältniszahl aus den Intensitäten bestimmt oder das Verhältnis mittels eines optischen Schwächungsfilters gewonnen wird, das in der selektierten Strahlung

angeordnet ist, deren Intensität von der Sauerstoffsättigung abhängig ist. Das Schwächungsfilter kann in Prozentsätzen der Sauerstoffsättigung geeicht werden. Dieses Verfahren und die Vorrichtung zum Durchführen desselben sind in der US-PS 31 77 757 und der US-PS 32 96 922 beschrieben.

Das durch Spiegelreflexion an der Blutoberfläche entstandene Licht wird dem diffus zurückgestrahlten Licht zugesetzt, was das Meßergebnis beeinflußt. Durch Verwendung von Linsen zum Bündeln der Lichtstrahlen wird dieser Einfluß verringert. Eine Beseitigung dieses Einflusses wird durch Verwendung faseroptischer Lichtleiter erreicht, die in der Blutflüssigkeit oder an der Blutoberfläche enden, wie aus der US-PS 30 68 742 bekannt. Mit diesem bekannten Blutuntersuchungsgerät läßt sich die Sauerstoffsättigung bzw. die Hämoglobinkonzentration messen. Allerdings werden diese Messungen durch die anderen Parameter beeinflußt, z. B. die Hämolyse, so daß absolute Messungen nicht möglich sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine photometrische Blutuntersuchungsvorrichtung zu schaffen, die für absolute Messungen der das Blut kennzeichnenden Parameter geeignet ist. Ausgehend von einem photometrischen Blutuntersuchungsgerät

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der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde: Bei Verwendung eines Faserbündels für das Licht liegen viele Austrittsöffnungen für die Lichtzufuhr zwischen und neben vielen Eintrittsöffnungen für die Rückführung reflektierten Lichtes, wodurch die Reflexion dur:h Streuung und Lichtleitung in der Flüssigkeit beeinflußt wird. Bei Verwendung gesonderter Lichtleiter für die Lichtzufuhr und die Lichtrückfuhr kann daher angenommen werden, daß außer der Eigenart der Blutzusammensetzung der Abstand zwischen diesen Lichtleitern, die Art der Blutströmung und deren Richtung in bezug auf die Achsen der Lichtbündel die Ausbeute an reflektiertem Licht beeinflussen. Diese Beeinflussung läßt sich empirisch dadurch erkennen, daß die Lichtausbeute als Funktion der Hä'moglobinkonzentration nicht hämolysierten Blutes und als Funktion der Hämolyse oder Formänderung der roten Blutkörperchen beide in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen zwei Lichtleitern und in bezug auf eine bestimmte Richtung des Blutstromes sowohl bei laminarer als auch bei turbulenter Strömung gesondert bestimmt werden.

Weitere Erwägungen und Experimente haben zu der Erkenntnis geführt, daß der Abstand zwischen dem Lichtzufuhrleiter und dem Leiter für die Rückführung reflektierten Lichtes derart gewählt werden kann, daß das Maß der Hämolyse und der Formänderung der roten Blutkörperchen nahezu keinen Einfluß auf die Menge reflektierten Lichtes ausübt. Bei Lichtleitern quadratischen Querschnittes von etwa 1 mm beträgt der Abstand nicht weniger als 2,5 mm und nicht mehr als 3,5 mm bei laminarer, in der Ebene der Lichtleiter verlaufender Strömung und nicht weniger als 0,8 mm und nicht mehr als 1,2 mm bei turbulenter Strömung für reflektiertes Licht mit einer Wellenlänge von 805 nm. Diese Anordnung der Lichtleiter ermöglicht es, die Hämoglobinkonzentration absolut und unabhängig von Hämolyse und/oder Formänderung der Blutkörperchen genau zu bestimmen.

Die in Anspruch 3 beschriebene Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es, die Hämolyse unabhängig von der Sauerstoffsättigung und der Hämoglobinkonzentration zu bestimmen. Die Unabhängigkeit vom Sauerstoffgehalt wird durch die Messung bei der isobestischen Wellenlänge (ca. 805 nm) erreicht. Die Unabhängigkeit von der Hämoglobinkonzentration beruht auf der Erkenntnis, daß es einen Abstand zwischen dem Lichtzuleiter und dem zweiter Lichtrückleiter gibt, bei dem die Reflexion des Lichtes unabhängig von der Hämoglobinkonzentration ist. Bei Hämoglobinkonzentrationen in nicht hämolysiertem Blut zwischen 10 und 20 g/100 cc Blutflüssigkeit beträgt dieser Abstand zwischen einander zugewandten Rändern der Lichtleiter quadratischen Querschnittes von 1 mm etwa 0,4 mm für eine laminare und nahezu 0 mm für eine turbulente Strömung. Bei diesem Abstand, weil infolge der Absorption bei einer durch Hämolyse hervorgerufenen molekularen Lösung des Blutfarbstoffes und durch die geänderte Reflexion bei einer Formänderung der Blutkörperchen Intensitätsänderungen des reflektierten Lichtes herbeigeführt werden, zwischen den Lichtleitern können Hämolyse und/oder Formänderung der roten Blutkörperchen als Abweichung von einem normierten Meßwert nachgewiesen werden.

Die in Anspruch 5 beschriebene Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es, die Sauerstoffsättigung unabhängig von der Hämoglobinkonzentration und von dem Ausmaß der Hämolyse und/oder der Formänderung der roten Blutkörperchen zu bestimmen. Die Sauerstoffsättigung kann mittels durch Filterung reflektierten Lichtes mit einer Wellenlänge von etwa 650 nm bestimmt werden. Wenn nun das reflektierte Licht in einem Lichtleiter mit einer Wellenlänge von 805 nm und das reflektierte Licht im anderen Lichtleiter mit einer Wellenlänge von 650 nm gemessen wird, so folgt aus dem Verhältnis zwischen den reflektierten Lichtintensitäten ein lineares und absolutes Maß für die prozentuale Sauerstoffsättigung, unabhängig von Hämolyse und/ oder Formveränderung der Blutkörperchen. Es wurde festgestellt, daß bei Hämolyse zwischen 0 und 10% und bei Änderung des für die Formänderung der Blutkör perchen wichtigen Salzgehaltes des Bluts um 50% die Abweichungen bei der Bestimmung des Verhältnissen zwischen den (ntensitäten der Wellenlängen von 805 nm und 650 nm nicht größer sind als 1 ⁰Zo.

Die Erfindung wird im folgenden durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein photometrisches Blutuntersuchungsgerät;

F i g. 2 zeigt eine elektrische Schaltungsanordnung zur Verwendung bei einem Gerät nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt graphische Darstellungen der Meßergebnisse, die mit einem erfindungsgemäßen Gerät erhalten wurden.

Das in Fig. 1 dargestellte Gerät enthält ein Durchflußgefäß oder eine Küvette 1, bei der ein Innenraum 2 in einem Behälter der Blutflüssigkeit durch Kanäle 3 und 4 in einen Flüssigkeitskreislauf aufgenommen werden kann, so daß für Blutuntersuchung durch Verwendung angeschlossener Katheter eine dauernde Durchströmung erzielt werden kann. Zum Abschluß und zur Sterilisierbarkeit des Raumes innerhalb der Küvette dient ein flaches Fenster 5, das unter Zwischenfügung eines Ringes 6 aus elastischem Material z. B. Silicongummi flüssigkeitsdicht in einer Ausnehmung gegen die Wand gedrückt wird und mittels einer Verschlußmutter 7 befestigt ist.

Der optische Teil der Einrichtung wird durch den Lichtzufuhrleiter 8 und drei Leiter 9,10 und 11 für das reflektierte Licht gebildet. Die Lichtleiter können aus Glasstäben mit einem sehr dünnen Mantel aus einem anderen Glas mit einem Querschnitt von etwa 1 mm² bestehen, durch die das Licht sich in bekannter Weise durch Innenreflexion fortpflanzt. Alle Lichtleiter enden an der Fläche 12 des Fensters 5 der Küvette 1 und können in einem Block 13 eines geeigneten, undurchsichtigen Kunststoffes eingebettet sein.

Der Lichtzufuhrleiter 8 ist ein gerader Stab, der sich von der Fensterfläche 12 bis zu der gegenüberliegenden Seite 14 erstreckt. Vor der Mündung ist eine Lichtquelle 15 angebracht.

Die übrigen Lichtleiter 9,10 und 11, die an der Fläche 12 in einer gemeinsamen flachen Ebene mit dem Lichtzufuhrleiter 8 enden, die durch ihre Längsachsen geht, sind im Block 13 seitlich abgebogen und münden in die Seitenwände aus. An der Stelle der Mündungen ist für jeden der Lichtleiter ein optisches Filter 16, 17 und 18 vorgesehen sowie ein opto-elektrischer Wandler 19, 20 und 21 z. B. eine Photozelle, ein photo-empfindlicher Halbleiter od. dgl. Diese sind durch Halter mit den Filtern an dem Kunststoffblock befestigt.

Der Innenraum 2 in der Küvette 1 hat die Form eines

Kugelsegmentes mit einer Tiefe von z. B. 3 mm und ist sehr glatt abgearbeitet. Die Zu- und Abfuhrkanäle 3 und 4 sind unter einem Winkel von 45° zur Durchströmrichtung im Raum 2 angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei geringer Strömungsgeschwindigkeit Turbulenz eintritt, so daß die Blutkörperchen gleichmäßig ohneVorzugsrichtung gestreut werden.

Weil die Küvette sich bequem sterilisieren lassen muß, wird eine einfache, lösbare Verbindung benutzt, die die Küvette mit dem Kunststoff block 3 mit den Lichtleitern kuppelt, z. B. ein Bajonettverschluß, dessen Ring 22 mit dem festen Teil eines Halters 23 und dessen vorstehende Stifte 24 und 25 mit der Küvette verbunden sind. Der Halter 23 dient außerdem zur Halterung eines plattenförmigen Schirmes 26, der aus nachfolgenden Gründen vorgesehen ist. Es ist erwünscht, alle zum Anbringen der Küvette und der Durchflußverbindungen erforderlichen Maßnahmen unter sterilen Verhältnissen durchzuführen und die Schirmplatte 26 ermöglicht dies als Trennwand gegen die anderen, nicht sterilen Teile der Einrichtung. Der Halter 23, an dem die Schirmplatte 26 befestigt ist, ist als Ganzes von dem Kunststoffblock 13 abnehmbar und wird auf dessen Ende aufgeschoben und an diesem durch einen Riegel 27 festgeklemmt, der sich klemmend in einer Nut 28 des Kunststoffblocks fixiert. Die Lösung des Riegels 27 ermöglicht, den ganzen sterilisierbaren Teil zu entfernen, der aus dem Schirm 26, dem Halter 23 und der Küvette 1 besteht.

Um Lichtleitung zwischen den Lichtleitern untereinander zu vermeiden, ist ein sehr dünnes Fenster 5 vor der Küvette erwünscht. Schwierigkeiten bereitet die Anbringung durchsichtiger Fenster vor jedem der Lichtleiter. Vorzugsweise besteht daher das Fenster 5 aus einer Faseroptischen Platte. Die Fasern dieser Platte bilden gleichsam eine Fortsetzung des festen Lichtleiters. Der Durchmesser der Fasern der Platte ist so gering, etwa 7 μπι. daß die mit den Abmessungen der Lichtleiter bezweckte Genauigkeit der Oberflächengleichheit nicht beeinträchtigt wird.

Die Küvette mit den Zu- und Abfuhrkanälen wird derart angebracht, daß die Blutströmung im Innenraum 2 in der durch die Achsen der Lichtleiter gehenden Ebene senkrecht zu diesen Achsen verläuft.

Das Licht der Lichtquelle 15 wird durch einen Spiegelreflektor 29 auf die Eintrittsseite des Lichtzufuhrleiters 8 konzentriert unter Zwischenfügung einer drehbaren Scheibe 30 mit einer Anzahl von öffnungen 31. Die Drehung der Scheibe 30 unterbricht periodisch das Lichtbündel.

Ein Teil des durch den Lichtzufuhrleiter verlaufenden Lichtes wird nach Reflexion in der Flüssigkeit, wenn der Küvettenraum 2 gefüllt ist, durch jeden der Lichtleiter 9, 10 und U zurückgeführt. Die Leiter 9 und 10 liegen auf je einer Seite des Lichtzufuhrleiters 8, während der dritte Lichtleiter 11 mit einem Zwischenraum von etwa 1 mm von dem Lichtzufuhrleiter getrennt ist. An den Ausgängen letzteren Leiters und eines der beiden anderen sind Interferenzfilter mit einem maximalen Durchlaß bei einer spezifischen Wellenlänge im Infrarotgebiet von etwa 805 nm angeordnet,

Vor dem Ausgang des verbleibenden Lichtleiters ist ein Interferenzfilter mit einem maximalen Durchlaß im Rot von etwa 650 nm angebracht. Die zurückgeführten Lichtimpulse werden durch die Wandler 17,18 und 19 in elektrische Impulse umgewandelt und einer Mcßschal-(ung zugeführt.

Eine solche Schaltung ist in Fig.2 vereinfacht dargestellt. Bei der Bestimmung der Sauerstoffs!)ttigung wird das Verhältnis zwischen den Lichtintensitäten der beiden Lichtleiter 9 und 10 gemessen, deren Abstand von dem Lichtzufuhrleiter 8 der kleinere ist. Das Licht des einen Leiters 9 passiert das Filter 16 und stellt das Infrarotsignal dar und das Licht des anderen Leiters 10 passiert das Filter 17 und stellt das Rotsignal dar. Die durch beide Signale nach Umwandlung in den Elementen 19 und 20 erhaltenen elektrischen Ströme werden in den Verstärkern 32 und 33 verstärkt und

ίο darauf einer Quotientenschaltung 34 zugeführt, deren Resultat durch das Anzeigeinstrument 35 kennbar gemacht wird. Die Anzeige hat eine lineare Beziehung mit der Sauerstoffsättigung. Auftretende Hämolyse in der Blutflüssigkeit und/oder Formänderung der roten Blutkörperchen lassen sich durch das zurückgeführte Licht im Infrarotkanal 9 feststellen, dessen Signal durch den Verstärker 32 verstärkt wird, wobei durch einen Regler 36 die Verstärkung derart eingestellt wird, daß nach Linearisierung im logarithmischen Verstärker 37 und der Entgegenschaltung einer festen Gleichspannung 38 das Anzeigeinstrument 39 einen bestimmten Ausschlag aufweist. Änderung der Hämolyse und/oder Form der roten Blutkörperchen ändern diesen Ausschlag, deren Größe durch die Einstellung des Verstärkers 40 bestimmt werden kann.

Zur Beurteilung von Zustandsänderungen im Blut ist die Bestimmung der gesamten Hämoglobinkonzentration wichtig; dabei wird von der Zurückführung von Licht in dem, in einem größeren Abstand von dem Lichtzufuhrleiter angebrachten, mit einem Infrarotfilter 18 abgeschlossenen Lichtleiter 11 Gebrauch gemacht. Das infrarotsignal durchläuft den Verstärker 41, und seine Intensität hat eine exponentiell Beziehung zu der Gesamthämoglobinkonzentration. Um eine lineare Anzeige am Meßwerk 42 zu erzielen, wird das Signal im logarithmischen Verstärker 43 linearisiert.

Die Resultate einer Anzahl von Messungen, die im Zusammenhang mit der durch die Erfindung bezweckten absoluten Bestimmung der Sauerstoffsättigung aus der linearen Beziehung zwischen dieser Größe und dem Quotienten der Lichtausbeute reflektierten Lichtes bei 805 μιτι und 650 μιη und zwar unabhängig von der Hämoglobinkonzentration, von der Formänderung und/oder von der Hämolyse der Blutkörperchen und

von der Strömungsgeschwindigkeit durch die Küvette durchgeführt sind, sind in F i g. 3 angegeben.

F i g. 3a zeigt die relative Lichtausbeute bei der Wellenlänge von 805 μπι bei turbulenter Strömung nicht hämolysierten Blutes als Funktion der Hämoglobinkon-

jo zentration mit dem Abstand zwischen zwei Lichtleitern, von denen einer das Licht zuführt und der andere für die Zurückführung reflektierten Lichtes dient, als Parameter. Der Querschnitt der Lichtleiter ist quadratisch mit Seiten von 1 mm. Das günstigste Resultat, bei dem die

5S Lichtausbeute nahezu unabhängig von der Hämoglobinkonzentration ist, wird erhalten, wenn die Lichtleiter aneinander anliegen.

F i g. 3b zeigt in entsprechenden graphischen Darstellungen die Lichtausbeute bei laminarer Strömung. In diesem Falle betrügt der günstigste Abstand, bei dem die Lichtausbeute nahezu unabhängig von der Hämoglobinkonzentration ist, etwa 0,4 mm.

Bei geringen Abweichungen von der Abmessung der Lichtleiter in der Richtung der durch die Achsen

gehenden Ebene und bei Anpassung der Abstände werden keine erheblichen Abweichungen im Meßcrgcbnis auftreten.

Hierzu 4 Walt Zciclinunpcn

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Photometrisches Blutuntersuchungsgerät mit einem Lichtzuleiter (8), der Licht an die an der Meßstelle befindliche Blutprobe transportiert, und einem Lichtrückleiter (t 1), der das von der Blutprobe reflektierte Licht zu einem lichtempfindlichen Aufnehmer (21) zurückleitet, wobei im Lichtweg ein erster Filter (18) mit einem spektralen Durchlaßbereich im Infrarotgebiet vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den auf die Meßstelle gerichteten Endteilen der Lichtleiter (8, 11) derart gewählt ist, daß das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Aufnehmers (21) von dem Ausmaß der Hämolyse und/oder der Formänderung der roten Blutkörperchen nahezu unabhängig ist.

2. Blutuntersuchungsgerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem quadratischen Querschnitt der Lichtleiter von 1 mm² und einer Wellenlänge des durch das Filter durchgelassenen Lichtes von 805 nm der Abstand zwischen den Endteilen des Lichtrückleiters (11) und des Lichtzuleiters (8) bei laminarer Strömung zwischen 2,5 und 3,5 mm und bei turbulenter Strömung zwischen 0,8 und 1,2 mm beträgt.

3. Blutuntersuchungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der durch den Lichtzuleiter (8) und den Lichtrückleiter (11) gebildeten Ebene ein zweiter Lichtrückleiter (9) angeordnet ist, in dessen Lichtweg ein zweites Filter (16) mit einem spektralen Durchlaßbereich im Infrarotgebiet vorgesehen ist, dessen Abstand von den Lichtleitern so bemessen ist, daß die Reflektion des Lichtes nahezu unabhängig von der Hämoglobinkonzentration ist.

4. Blutuntersuchungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des zweiten Lichtrückleiters (9) vom Lichtzuleiter (8) bei einem quadratischen Querschnitt der Lichtleiter von 1 mm² höchstens 0,4 mm beträgt.

5. Blutuntersuchungsgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Lichtrückleiter (10) in der gemeinsamen Ebene im gleichen Abstand von dem Lichtzuleiter (8) angeordnet ist wie der zweite Lichtrückleiter (9), und daß in dem Lichtweg des dritten Lichtrückleiters (10) ein drittes Filter (17) mit einem spektralen Durchlaßbereich im Rotgebiet angeordnet ist.

6. Blutuntersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstelle von einer von der Blutprobe durchströmten Küvette (1) gebildet wird und die Achsen der an diese Küvette (1) anschließenden parallelen Endteile sämtlicher Lichtleiter (8, 9, 10, 11) in einer Ebene liegen, und daß die Küvette (Ϊ) derart ausgebildet ist, daß die Blutströmungsrichtung in dieser Ebene liegt.

7. Blutuntersuchungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (1) auf der den Lichtleitern (8,9,10,11) zugewandten Seite mit einer durchsichtigen Wand versehen ist, die aus einer an die Endteile der Lichtleiter anschließenden faseroptischen Platte besteht.

8. Blutuntersuchungsgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (1) mit je einer auf die Endteile der Lichtleiter (8, 9, 10, 11) gerichteten Zufuhr- und Abfuhrleitung (3, 4) für die Blutprobe versehen ist, wobei diese Leitungen (3,4) einen Winkel von etwa 90° miteinander einschließen.