DE19644427A1 - Gerät für die Diagnostik akraler arterieller Durchblutungsstörungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät für die Diagnostik akraler arterieller Durchblutungsstörungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Gerät kombiniert für die Diagnostik akraler arterieller Durchblutungsstörungen eine physiologische Provokation der Akren mit der Erfassung von leicht gewinnba­ ren durchblutungsrelevanten Meßsignalen. Bei der Provokation handelt es sich wahlweise um eine definierte Erwärmung oder eine definierte Abkühlung der Akren.

Gautherie et al. "Fully Computerized Method of Chronothermobiological Examinations of the Hands integrating multichannal acquisition, numarical processing and transtelephonic transfer of temperature data"; Technology and Health Care-Conference Issue an the Second European Conference on Engineering and Medicine, Stuttgart, 25.-28. April 1993 benutzten hierzu ein Wasserbad. Es werden beide Hände in ein kaltes Wasserbad getaucht und die Temperaturverläufe an den Fingerspitzen gemessen. Weniger aufwendig ist die Messung an nur einem Finger bei Applikation von Eis oder Eiswasser, wie z. B. von Takano et al.: "Influence of Food Intake on Cold-Induced Vasodilutation of Finger"; Japan, J. Physiol. 39(1989): 755-765 und Meffert et al.: "Protrude rewarming for clinical practice"; Technology and Healthcare - Conference Issue on the Second European Conference on Engineering and Medicine, Stuttgart, 25- 28 April 1993 berichtet wird.

Nachteilig am Gebrauch von Wasserbädern oder Eis sind die unbequeme Handhabbarkeit, Probleme bei der praktischen Standardisierung der Methode und in Folge eine schlechte Reproduzierbarkeit der Messungen. Besser standardisierbar ist zweifellos eine definierte elektronische Erzeugung von Kälte oder Wärme, wie sie Krinke et al.: "Einsatz von Peltierelementen für thermische Provokationen am Finger"; Biomedizin. Techn. 38 (1993) Ergänzungsband: 431-432 verwendeten. Hier wurde das Wasserbad durch einen Fingerling ersetzt, der mittels eines Peltierelements eine definierte Abkühlung oder Erwärmung erlaubt. Zur Meßwertgewinnung sind bereits Temperatursensoren sowie optische und elektrische Volumenpulssensoren integriert. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß die Warmseite des zur Abkühlung benutzten Peltierelements mittels eines mit Kühlwasser betriebenen Wärmeaustauschers gekühlt wird.

Aus der Druckschrift G 92 14 918.9 U1 ist ein Gerät zur Temperierung, Erwärmung und Kühlung von Gegenständen sowie belebten und unbelebten Körpern bekannt, bei dem ebenfalls ein Peltierelement zur Erzeugung von Wärme oder Kälte verwendet wird, das aber ohne Kühlwasser auskommt. Das Peltierelement wird mittels eines an sich bekannten Kühlkörpers (Luftkühlung) gekühlt. Für die Meßwertgewinnung sind ein visueller Zugang von außen und Justiermöglichkeiten vorgesehen. Dabei ist an den Einsatz eines Mikroskops, z. B. zur Betrachtung des Kapillarbettes des Nagelpfalzes, gedacht.

Nachteilig an diesem Gerät ist, daß es zu erheblichen, unerwünschten Temperaturgradienten auf der Oberfläche und innerhalb des Fingers kommt. Die Folge ist eine Einschränkung der thermischen Provokation infolge der Entwicklung von Schmerzen bereits bei etwa 8°C (Klyscz et al.: "Entwicklung eines computerunterstützten thermoelektrisch betriebenen Fingerhalters zur Evaluation der akralen Mikrozirkulation"; Biomedizin. Techn. 40 (1995) Ergänzungsband 1: 353-354) oder wegen drohender gesundheitlicher Gefährdung des Patienten durch lokale Verbrennungen oder Erfrierungen. Zugleich wird die wirkungsvolle Standardisierung von Abkühlung bzw. Erwärmung der Akren eingeschränkt. Die vorgesehene visuelle Beobachtung des biologischen Objekts erfordert aufwendige Justiereinrichtungen, behindert die Maßnahmen zur notwendigen Wärmeisolation und Wärmeleitung und führt zu teurer Sensorik (Vitalmikroskopie).

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung zu schaffen, die eine besser standardisierbare akrale thermische Provokation zuläßt, indem eine gleichmäßigere Verteilung des thermischen Leistungsdurchsatzes bzw. des Temperaturfeldes an der Oberfläche der Akren geschaffen wird. Das wiederum führt zu günstigerer Temperaturverteilung auch innerhalb der Akren. Zu starke lokal begrenzte Abkühlungen oder Erwärmungen an den Akren, die erfahrungsgemäß trotz physiologisch unbedenklich erscheinender, räumlich integral beurteilter thermischer Belastung auch bei gesunden Probanden zur Auslösung von Schmerzen oder sogar lokalen Verbrennungen bzw. Erfrierungen führen können, sollen dadurch auch für die angestrebte sprunghafte Abkühl- oder Erwärmungsmöglichkeit verhindert werden. Die Nachteile der Meßwertgewinnung unter Sicht von außen sollen ferner vermieden werden durch die konstruktive Integration einer einfacheren und weniger aufwendigen Meßwertgewinnung, die zur Beurteilung von akralen arteriellen Durchblutungsstörungen geeignet ist und die die notwendigen Maßnahmen der Wärmeleitung und Wärmeisolation nicht behindert. Neben Messungen zur thermischen Regulationsfähigkeit sollen auch solche zum Verhältnis der lokalgesteuerten zur zentralnervös gesteuerten thermischen Regulation möglich sein. Die erforderliche Kühlung soll so einfach wie möglich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und 15 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Es hat sich in sehr umfangreichen Versuchen gezeigt, daß durch gleichzeitige dorsale und volare Abkühlung bzw. Erwärmung eine stärkere thermische Beeinflussung der Akren bei gleichmäßigerer Temperaturverteilung über der Oberfläche der Akren erzielbar ist.

Es ist ferner wesentlich, daß die Wärmekapazität der gesamten aktorischen und sensorischen Anordnung und die Anordnung der Sensorik relativ zu den Akren so zu bemessen sind, daß sich Gegenregulationen des gesunden Probanden in den Zeitverläufen der Meßsignale widerspiegeln. Bei zu großer Wärmekapazität oder physiologisch ungünstiger Sensorposition ergeben sich nur schwach ausgeprägte gegenregulationsbedingte Signalmuster, im Extremfall fehlen sie dann ganz. So ist es z. B. vorteilhaft, wenn der Fotopuls an der Fingerkuppe gemessen wird.

Als diagnostikrelevante Meßsignale eignen sich sowohl die Hauttemperaturverläufe der Akren, als auch Temperaturverläufe in den Halbschalen, als auch der Fotopuls, als auch der Laserdopplerflow, die einzeln und in Kombination gemessen werden können.

Wesentlich an der Erfindung ist weiterhin, daß die thermische Provokation verlustarm und ohne thermische Kurzschlüsse zwischen den Wärmequellen und Wärmesenken, insbesondere zwischen Warm- und Kaltseiten der Peltierelemente, erfolgt.

Die Art und Weise des Kontaktes mit den Akren ist dabei, ausgenommen die kontaktflächenkonstante volare und dorsale Applikation, nicht vordergründig. Als vorteilhaft haben sich Halbschalen nach Referenzwerten der Akrenformen erwiesen, die einen Formschluß zu den Akren annähern und jeweils verlustarm mit den Peltierelementen verbunden sind, die ihrerseits zusätzliche bauliche Maßnahmen aufweisen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß mit einer relativ einfachen Anordnung eine akrale thermische Provokation sowohl als Erwärmung als auch als Abkühlung vorgenommen werden kann - wozu nur der Peltierstrom umzupolen ist -, und eine relativ gleichmäßige Temperaturverteilung oder ein relativ gleichmäßiger thermischer Leistungsdurchsatz durch die volare und die dorsale akrale Oberfläche physiologisch sehr wirksame, sprunghafte thermische Provokationen erlauben und zugleich Verletzungen infolge lokaler Verbrennungen oder Erfrierungen verhindern, wobei insbesondere einfach zu messende Temperatur- und Fotopulsverläufe, in Erweiterung aber auch Laserdopplerflowverläufe in kurzer Meßzeit reproduzierbare Aussagen zu akralen arteriellen Durchblutungsstörungen liefern.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen werden nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Akrenkühlung in Explosivdarstellung,

Fig. 2 eine Anordnung, bei der Fotopuls- und Temperatursensor gemäß Anspruch 1 3 integriert sind,

Fig. 3 das Beispiel einer akralen Temperaturkurve mit Gegenregulation,

Fig. 4 eine Anordnung gemäß Anspruch 9, bei der eine Halbschale mit einer selbstanpassenden formschlüssigen Schicht zu der entsprechenden Akre versehen ist.

Entsprechend der Fig. 1 sind zwei in sich formstabile Halbschalen 2 entlang dem Zentrum 1 horizontal gegenüberstehend angeordnet. Mit den Halbschalen sind rückseitig Peltierelemente 3 wärmeleitend verbunden, die ihrerseits über wärmetechnisch angepaßte Abstandsstücke 4 mit den Kühlkörpern 6 wärmeleitend verbunden sind. Die Abstandsstücke befinden sich dabei in den Aussparungen einer Isoliermatte 5, die einen thermischen Kurzschluß zwischen den warmen Kühlkörpern und den (akralen) Kaltseiten verhindern. Ein Kühlkörper ist fest, der andere ist horizontal verschieblich in den Führungen 9 angeordnet. Beide Kühlkörper mit den daran anschließenden Teilen werden mittels Federn 11 gegeneinander gedrückt. Beim Einführen der Akre in das Zentrum der Anordnung wird der bewegliche Kühlkörper mit den anschließenden Teilen gegen die Federkraft horizontal verschoben, wobei volare und dorsale Seite der Akre horizontal gehalten werden. Durch die Federn liegen die Halbschalen nur mit leichtem, aber konstantem Druck an der Akre an, so daß weder Durchblutung noch Volumenpulsmessung beeinträchtigt werden. Um das Zentrum der Anordnung sind wärmereflektierende und/oder wärmedämmende Formkörper 10 dergestalt angebracht, daß die unbedeckten Teile der Akren sowie ungeschützte Teile der Halbschalen thermisch isoliert werden.

In einer Aussparung 7 der volaren Halbschale befindet sich ein Reflectance- Fotopulswandler 8 mit integriertem Temperaturwandler (nicht dargestellt) zur Messung von Volumenpuls und Fingerkuppentemperatur (lokale Temperaturmessung), während eines oder beide Peltierelemente im Sensorstatus eine über die jeweilige Halbschale gemittelte Temperatur zu messen gestatten.

Die gesamte Anordnung wird in der gezeigten oder in doppelter Ausführung zweckmäßig von einem Gehäuse mit Luftpfeifen umhüllt, wobei die Kühlkörper mittels eines Ventilators 12 zwangsgekühlt werden, wobei eine gleichzeitige Kühlung der Akre durch den Ventilator, ggf. mittels Schutzflächen, unbedingt verhindert werden muß. Das Gehäuse enthält ferner für die Akre bzw. die beiden Akren jeweils eine Öffnung zum Einführen.

Die doppelte Geräteausführung ist klinisch insofern sinnvoll, als ein zeitgleicher Links-Rechts-Vergleich der Akren bezüglich ihrer Durchblutungsstörungen durchgeführt werden kann. Ferner kann die Untersuchung der thermischen Regulationsfähigkeit ausgedehnt werden: Wird die thermische Provokation nur auf eine der beiden Akren angewendet, an beiden Akren aber die Antwortreaktion anhand der Meßsignale Temperatur, Volumenpuls bzw. Flow beobachtet, so reagiert bei rein lokaler Gegenregulation allein die provozierte Akre, bei zentraler Gegenregulation jedoch auch die nicht provozierte Akre. Obwohl z. B. nur ein Finger der linken Hand plötzlich abgekühlt wird, kontrahieren als Antwortreaktion nicht nur die Arterien am Finger der linken Hand, sondern zugleich auch an den Fingern der nicht gekühlten rechten Hand. Die Regulation unter Beteiligung des Zentralnervensystems wirkt sich nämlich auf alle Akren aus. Es wird insofern auch möglich, aus dem Vergleich der Antwortreaktionen beider Akren auf ein Verhältnis der lokalen zur zentralen Regulation zu schließen.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf die akralseitige sensitive Fläche eines Reflectance- Fotopulswandlers mit einem integrierten Temperatursensor. Der Fotopulswandler besitzt auf dieser Fläche zwei Lichtsender 16, z. B. NIR-Lichtemitterdioden, die Strahlung im Bereich des nahen Infrarot (NIR) aussenden. Diese Strahlung dringt in das akrale Gewebe ein und wird vom kapillaren Blut teilweise absorbiert, teilweise transmittiert und teilweise reflektiert. Ein Teil der reflektierten NIR- Strahlung gelangt an die sensitive Fläche des Fotopulswandlers zurück und auf die Empfangsfläche zweier NIR-empfindlicher Empfänger 13 (Reflectance- Strahlung). Diese Fotoempfänger können z. B. Fotodioden sein, die als helligkeits­ empfindliche Stromquellen einen Meßstrom liefern, der mit der empfangenen Reflectancestrahlung und damit mit dem kapillaren Blutvolumen korreliert. Durch konstruktive Maßnahmen, z. B. eine optische Abschirmung 15, wird ein Übersprechen zwischen den NIR-Sendern und den Fotoempfängern, also ein direkter optischer Weg zwischen Sendern und Empfängern unter Umgehen des akralen Gewebes, verhindert. Neben den Lichtempfängerflächen, im Schutze der Maßnahmen gegen Übersprechen, ist ein Temperatursensor 14 in der sensitiven Fläche des Pulswandlers angeordnet. Er empfängt das Hauttemperatursignal als Nutzsignal und zusätzlich einen kleinen Teil des an sich schon sehr schwachen NIR-Reflectancesignals als Störsignal, nicht aber das sehr viel größere NIR- Sendesignal. Ein weiterer Temperatursensor könnte bei Bedarf auch zwischen der rechten Abschirmung und der rechten Fotodiode angeordnet werden.

Fig. 3 zeigt einen typischen akralen Temperaturverlauf vor, während und nach provokativer Abkühlung des rechten Mittelfingers bei einem gesunden Probanden (a) und einem Patienten (b) mit akraler arterieller Durchblutungsstörung. Zur Zeit t = 120 s beginnt die Abkühlung der Akre durch Einschalten der Peltierelemente. Zur Zeit t = 540 s bzw. t = 590 s werden die Peltierelemente ausgeschaltet und die selbständige Wiedererwärmung der Akren beginnt. Die Gegenregulation drückt sich beim Gesunden in der konvexen Abweichung der Abkühlungskurve von einem exponentiellen Abfall aus, die beim Patienten fehlt (t = 360 . . . 430 s). Wie die Erfahrung zeigt, sind für die Erfassung der Gegenregulationen die Temperatursensoren zweckmäßig in die volare Halbschale zu integrieren, da hier die wesentlichen Signalmuster ausgeprägter sind.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung gemäß Anspruch 9 im Querschnitt, bei der eine Halbschale 2 mit einer selbstanpassenden formschlüssigen Schicht 17 zu der entsprechenden Akre versehen ist. Diese Schicht besteht hier aus einer dehnbaren Latexblase, die mit sehr gut wärmeleitfähiger Paste oder sehr gut wärmeleitendem, sehr feinkörnigem Material gefüllt ist. Infolge deren Plastizität wird ein Formschluß zwischen Akre und Halbschale selbsttätig verwirklicht, wenn die bewegliche Halbschale mit anhängenden Teilen aufgrund der Federwirkung an die Akre gedrückt wird. Vor der Applikation ist ggf. die plastische Schicht durch eine geeignete Form, in die die plastische Schicht durch Federzug gedrückt wird, oder einfach auch manuell, vorzuformen. Man kann auch eine Latexblase größerer Elastizität ("steifer") oder eine sehr gut wärmeleitende Flüssigkeit als Füllmaterial, oder anstelle der gefüllten Latexblase einen elastischen, schmiegsamen Formkörper aus sehr gut wärmeleitendem Material, wie z. B. speziellem Gummi oder speziellem Plastikmaterial, verwenden, so daß dann das Richten vor der Applikation entfällt.

Bezugszeichenliste

1

Zentrum

2

Halbschale

3

Peltierelement

4

Abstandsstück

5

Isoliermatte

6

Kühlkörper

7

Aussparung

8

Reflectance-Fotopulswandler

9

Führung

10

Formkörper

11

Feder

12

Ventilator

13

NIR-Fotodiode

14

Temperatursensor

15

optische Abschirmung

16

NIR-Lichtemitterdiode

17

formschlüssige Schicht
a Temperatur-Zeit-Verlauf für gesunden Probanden
b Temperatur-Zeit-Verlauf für Patienten

Claims (15)

1. Gerät zur Diagnostik arterieller Durchblutungsstörungen an Akren, vorzugsweise an menschlichen Fingern oder Zehen oder am Schwanz von Säugetieren, mittels definierter Erwärmung und/oder Abkühlung der Akren und gleichzeitiger Abnahme durchblutungsrelevanter Meßsignale, dadurch gekennzeichnet, daß volar und/oder dorsal an den Akren Einwirkungsflächen zu deren Abkühlung und/oder Erwärmung vorgesehen sind, wobei die Einwirkungsflächen thermisch verlustarm mit steuerbaren Wärmesenken oder Wärmequellen verbunden sind, daß Meßflächen von Sensoren zur Fotopuls- und/oder Temperatur- und/oder Laserdopplerflowmessung an den Akren in die Einwirkungsflächen integriert und/oder an den Akren außerhalb der Einwirkungsflächen kontaktiert sind, und daß sich physiologische Gegenregulationen als Antwortreaktionen auf die thermische Provokation in den Zeitverläufen der Meßsignale erkennbar widerspiegeln.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einwirkungsflächen zwei formstabile oder formschlüssige Halbschalen (2) aus wärmeleitfähigem Material sind.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an gegenüber den Einwirkungsflächen unbedeckten Teilen der Akren Flächen (10) zur Reflexion der Wärmestrahlung und/oder Wärmedämmung vorgesehen sind.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen jeweils ein Peltierelement (3) mit daran anschließendem Abstandsstück (4), verbunden mit einer Isoliermatte (5) und daran anschließendem Kühlkörper (6), aufweisen, wobei die Kühlkörper in einer Führung (9) federnd (11) gelagert sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkörper fest und ein Kühlkörper beweglich in einer Führung angeordnet sind.

6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder alle Kühlkörper mittels eines Ventilators (12) ihrerseits zwangsgekühlt werden.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit ausgestattet sind, so daß die volare und die dorsale Erwärmung oder Abkühlung zu etwa gleichen Bereichen für die Temperaturverläufe und/oder für den dorsalen und volaren thermischen Leistungsdurchsatz führen.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen mit Schichten unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit ausgestattet sind.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide akralseitigen Schichten selbstanpassend formschlüssig ausgebildet sind.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dorsal angekoppelte Peltierelement mit einer anderen elektrischen Leistung als das volar angekoppelte Peltierelement betrieben wird, so daß die volare und die dorsale Erwärmung oder Abkühlung etwa gleiche volare und dorsale Temperaturbereiche oder etwa gleiche Bereiche für den dorsalen und volaren thermischen Leistungsdurchsatz aufweisen.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dorsal angekoppelte Peltierelement mit einem anderen Kühlkörper als das volar angekoppelte Peltierelement betrieben wird, so daß bei gleichen Peltierströmen die volare und die dorsale Erwärmung oder Abkühlung etwa gleiche volare und dorsale Temperaturbereiche oder etwa gleiche Bereiche für den dorsalen und volaren thermischen Leistungsdurchsatz aufweisen.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 8, sowie 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen entsprechend als Referenzwerten festgelegten Durchschnittsabmessungen der Akren geformt und fest vorgegeben oder für verschiedene Referenzwerte auswechselbar sind.

13. Gerät nach den Ansprüchen 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder beide Peltierelemente zwischen einem Aktorstatus (für die Abkühlung oder Erwärmung) und einem Sensorstatus (für eine großflächige Temperaturmessung unter Nutzung des Seebeck-Effekts) umgeschaltet werden.

14. Gerät nach den Ansprüchen 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Temperatursensoren im Fotopuls- (PPG) und/oder Laserdopplerflowsensor (LDF) integriert sind, so daß eine oder mehrere lokale, meßtechnisch wichtige Temperaturen zweckmäßig abgenommen werden, wobei eine Meßwertverfälschung infolge einer direkten Einkopplung der von PPG- und LDF-Sensoren ausgesandten Infrarotstrahlung durch geeignete Maßnahmen verhindert wird, wobei solche Maßnahmen optische Abschirmungen sein können, wie sie z. B. bei PPG-Sensoren vom Reflectance- Typ zwischen den Sende- und den Empfangsdioden üblich sind, wogegen beim PPG-Sensor vom Transmissionstyp auf diese Maßnahme verzichtet werden kann, wenn man den oder die Temperatursensoren neben den Empfangsdioden anordnet.

15. Gerät nach den Ansprüchen 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine doppelte Anordnung gleicher Bauart und Funktion nach Ansprüchen 2 bis 14 für einen Links-Rechts-Vergleich der Akren und die Einschätzung des Verhältnisses von lokal zu zentralnervös gesteuerter Gegenregulation vorgesehen ist.