DE19747254C2 - Verfahren zur nichtinvasiven Innendruckmessung in elastischen Gefäßen - Google Patents
Verfahren zur nichtinvasiven Innendruckmessung in elastischen GefäßenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur nichtinvasiven
Innendruckmessung in elastischen Gefäßen, bei dem ein
Gefäß von außen durch Aufbringen einer Kraft verformt
und eine Reaktionskraft gemessen wird.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus EP
0 501 234 B1 bekannt.
Mit einem derartigen Verfahren soll der Innendruck in
einem Schlauch gemessen werden, ohne daß man eine Ver
bindung zum Innern des Schlauches herstellen muß. Ins
besondere im medizinischen Bereich besteht über eine
derartige Verbindung immer das Risiko eines Eintrags
von Keimen und damit das Risiko einer Infektion des im
Schlauch befindlichen Fluids. Die Erfindung soll im
folgenden anhand eines Schlauchs als Beispiel für ein
elastisches Gefäß beschrieben werden, ohne darauf be
schränkt zu sein.
Die in Frage stehenden Schläuche oder Gefäße bestehen
praktisch durchgängig aus Kunststoffen, beispielsweise
PVC. Bei derartigen Schläuchen verändert sich das Reak
tionsverhalten über der Zeit. Kunststoffmaterial neigt
systembedingt zu Kriechvorgängen. Dies führt bei einer
längeren Meßzeit zu einem Abfall der Reaktionskraft bei
ansonsten gleichen Bedingungen. Dies täuscht den Abfall
des Innendrucks im Schlauch (kurz: Schlauchdruck) vor,
obwohl der Druck tatsächlich auf höheren Werten bleibt.
Es ist daher in der eingangs genannten EP 0 501 234 B1
vorgeschlagen worden, der eigentlichen Meßzeit eine
Vorbereitungszeit vorzuschalten, in der der Schlauch
über einen längeren Zeitraum verformend vorgespannt
wird. Man nimmt dabei an, daß nach dieser Zeit keine
Kriechvorgänge mehr auftreten und das ermittelte Si
gnal, nämlich die Reaktionskraft, eine zutreffende Aus
sage über den tatsächlich im Schlauch herrschenden In
nendruck gibt.
Unabhängig von der Frage, ob diese Annahme zutrifft,
hat dieses Vorgehen den weiteren Nachteil, daß man er
hebliche Zeiten benötigt, bis der Schlauch einsatzbe
reit ist. Erwähnt wird hier eine Einspannzeit von fünf
Tagen, nach denen nicht mehr mit einem Langzeit-
Kriechen des Schlauchmaterials zu rechnen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Innen
druckmessung zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge
nannten Art dadurch gelöst, daß der Innendruck p(t) aus
folgender Beziehung ermittelt wird:
p(t) = k0 + k1 [Fs(t) - R(t)],
wobei
k0, k1 Polynomkoeffizienten
Fs(t) die gemessene Reaktionskraft und
R(t) eine Relaxationsfunktion des Gefäßes sind.
k0, k1 Polynomkoeffizienten
Fs(t) die gemessene Reaktionskraft und
R(t) eine Relaxationsfunktion des Gefäßes sind.
Bei dieser Vorgehensweise läßt man Kriechneigungen des
Gefäßes zu. Die sich dadurch ergebenden Fehler werden
unter Verwendung der Relaxationsfunktion herausgerech
net. Die Differenz Fs(t) - R(t) gibt dann in einer sehr
guten Nährung den tatsächlichen Kraftverlauf über die
Zeit wieder, aus dem dann der Innendruck errechnet wer
den kann. Der Innendruck ist nämlich linear abhängig
von dieser Differenz.
Vorzugsweise werden die Polynomkoeffizienten k0, k1 vor
der Messung durch Kalibrierung mit mindestens zwei
Druck-Reaktionskraft-Paaren ermittelt, wobei die Druck-
Reaktionskraft-Paare in einem zeitlich kurzen Abstand
ermittelt werden. Zwar ist ein linearer Zusammenhang
zwischen der Differenz Fs(t) - R(t) und dem Innendruck
p(t) zu beobachten. Die Art des linearen Zusammenhangs,
d. h. die Nullpunktverschiebung und die Steigung dieser
Funktion ändern sich jedoch vielfach von Schlauch zu
Schlauch. Es ist daher zweckmäßig, wenn der Benutzer
kurz vor der eigentlichen Messung eine entsprechende
Kalibrierung vornimmt. Da die Wertepaare in einem kur
zen zeitlichen Abstand ermittelt werden, kann man mit
einer guten Zuverlässigkeit davon ausgehen, daß Relaxa
tionserscheinungen, d. h. Kriechneigungen des Schlau
ches, hier noch keine Auswirkungen gehabt haben. Der
hierdurch möglicherweise verursachte Fehler bleibt in
einer vernachlässigbaren Größenordnung.
DE 38 38 689 C1 zeigt ein Verfahren zur fortlaufenden Messung
des Drucks in einer flexiblen Fluidleitung für medizinische
Zwecke und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Der Fluidschlauch, der beispielsweise in einer Infusions-Pum
penanordnung stromab der üblicherweise peristaltisch arbeiten
den Pumpe verwendet wird, wird mit Hilfe eines Betätigungsglie
des deformiert. Anschließend wird die Auslenkung des Betäti
gungsgliedes durch die Rückstellung der Fluidleitung ermittelt,
die sich in Folge des Förderdrucks ergibt. Wenn sich Druckwerte
ergeben, die außerhalb festgelegter Grenzen liegen, beispiels
weise durch Abknicken des Schlauches, Lösen von einer Infusi
onsnadel, einem Verstopfen oder einem Bruch, wird ein Alarm
ausgelöst.
Vorzugsweise wird die Relaxationsfunktion vor der Mes
sung ermittelt, indem über einen vorbestimmten Zeitraum
bei einem statischen Innendruck und konstanten Verfor
mungsbedingungen die Reaktionskraft gemessen wird. Wie
bei den Polynomkoeffizienten auch, kann sich die Re
laxationsfunktion von Schlauch zu Schlauch unterschei
den. Diese Unterschiede ergeben sich nicht nur bei un
terschiedlichen Schlaucharten, beispielsweise aus un
terschiedlichen Kunststoffen, sondern auch bei ähnli
chen Schläuchen, die beispielsweise in Material, Durch
messer, und Länge übereinstimmen. Wenn man daher die
Relaxationsfunktion vor der Messung ermittelt, dann
kann man den Innendruck durch Messung für jeden
Schlauch dadurch ermitteln, daß man die spezifischen
Relaxationseigenschaften des Schlauches, insbesondere
die Kriechneigung, herausrechnet. Der Schritt des Er
mittelns der Relaxationsfunktion ist zwar ein kleiner
zusätzlicher Aufwand im Bereich von Minuten, der jedoch
weit unter dem Aufwand bleibt, den man zur Vorspannung
des Schlauches über beispielsweise fünf Tage treiben
müßte.
Bevorzugterweise wird die Verformungskraft durch Zu
stellung eines Stempels über eine Strecke Δd aufge
bracht und Δd wird zur Ermittlung der Relaxationsfunk
tion konstant gehalten. Durch das Zustellen des Stem
pels über die Strecke Δd wird der Schlauch etwas ver
formt. Er wird mit anderen Worten im Bereich des Stem
pels etwas eingedrückt. Man kann nun die hierdurch be
wirkte Reaktionskraft, die unter anderem auch von dem
Innendruck abhängig ist, messen, beispielsweise über
einen Kraftsensor, der zwischen Stempel und Schlauch
oder auf der gegenüberliegenden Seite des Schlauches
angeordnet ist. Anordnungen dieser Art gehen beispiels
weise aus EP 0 501 234 B1 hervor. Wenn man nun die Zu
stellung konstant läßt, d. h. Δd nicht verändert, dann
beobachtet man auch bei konstantem Innendruck ein all
mähliches Abnehmen der Reaktionskraft, wie dies auf
grund der Kriechneigung des Schlauchmaterials an sich
zu erwarten ist. Erstaunlicherweise hat sich nun her
ausgestellt, daß der tatsächlich festgestellte Verlauf
der Abnahme der Reaktionskraft, d. h. das Verhalten des
Schlauchs in der "Vergangenheit", eine Aussage über das
Verhalten des Schlauches in der "Zukunft" erlaubt, näm
lich bei den noch durchzuführenden Messungen. In Kennt
nis der bei der Ermittlung der Relaxationsfunktion ge
wonnenen Ergebnisse kann man dann die Relaxation für
die Zukunft vorhersagen, was es ermöglicht, die durch
Relaxation verursachten Reaktionskraftänderungen von
den Kräften zu trennen, die durch den Innendruck im
Schlauch hervorgerufen werden.
Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Relaxationsfunkti
on eine vorgegebene Funktionsart verwendet, deren Para
meter aus den gemessenen Reaktionskräften errechnet
werden. Für die Ermittlung der Relaxationsfunktion ist
damit lediglich eine Parameteridentifikation notwendig.
Die Art der Funktion ist hingegen vielfach vom verwen
deten Material des Schlauches abhängig. Sie kann daher
für gleichartige Schläuche bereits vorgegeben werden,
beispielsweise vom Hersteller. Sie wird dann gemeinsam
mit dem Schlauch ausgeliefert, beispielsweise auf die
Verpackung aufgedruckt. Dies erspart dem Verwender die
Suche nach einer geeigneten Funktionsart für die Re
laxationsfunktion. Diese Suche ist auch nicht mehr für
jeden Schlauch erforderlich, weil man die Schläuche so
zusagen familienweise fassen kann. In jeder Familie ist
die Funktionsart gemeinsam. Es unterscheiden sich von
Schlauch zu Schlauch gegebenenfalls nur noch die Para
meter, die bei der Ermittlung der Relaxationsfunktion
ermittelt werden müssen.
Vorzugsweise weist hierbei die Funktionsart mindestens
einen Kern in Form einer monoton fallender Funktion
auf. Dies spiegelt das tatsächliche Verhalten des
Schlauches wieder, bei dem ja die Reaktionskraft über
der Zeit abnimmt, wobei die Abnahme bei konstantem In
nendruck auf die Kriechneigung oder das Ermüdungsver
halten, mit anderen Worten auf die Relaxation, zurück
zuführen ist. Dadurch, daß man Kerne identifiziert und
fest vorgibt, erleichtert man dem späteren Verwender
des Schlauches die Ermittlung der Relaxationsfunktion.
Bei einem Wechsel von einer Schlauchart zur anderen muß
dann unter Umständen nicht mehr eine komplette Neupro
grammierung vorgenommen werden. Es reicht aus, einzelne
Kerne der Funktionsarten auszutauschen.
Vorzugsweise werden die Kerne aus einer Menge ausge
wählt, für die gilt:
wobei K(t) ein Kern ist und c, d, α, β, ci, αi Materi
alparameter sind, die während der Ermittlung der Re
laxationsfunktion bestimmt werden.
Vorzugsweise liegt der Zeitraum zur Ermittlung der Re
laxationsfunktion im Bereich von unter 10 Minuten. Die
ser Bereich ist kurz genug, um von einem Benutzer ak
zeptiert zu werden. Dennoch erlaubt er eine ausreichen
de Anzahl von Meßergebnissen, d. h. Meßwerten zur Er
mittlung der Relaxationsfunktion. Erstaunlicherweise
lassen sich auch in derart kurzen Zeiten genügend Aus
sagen über das Verhalten des Schlauches gewinnen, so
daß entsprechend zuverlässige Aussagen für das künftige
Verhalten des Schlauches ermöglicht werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug
ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich
nung beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meßanord
nung und
Fig. 2 einige Funktionsverläufe zur Erläuterung des
Verfahrens.
Zur nichtinvasiven Schlauchdruckmessung, d. h. zur
nichtinvasiven Permanent-Innendruckbestimmung in ela
stischen Gefäßen, wie Rohren, Schläuchen, etc., wird
eine in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung
verwendet. Hierbei wird die Innendruckbestimmung mit
Hilfe einer Kraft- oder Druckmessung über die Gefäßau
ßenwand bewirkt. Nichtinvasiv bedeutet hier, daß die
Gefäßoberfläche weder verändert werden muß noch eine
Verbindung zwischen dem Gefäßinneren und der Meßsenso
rik erforderlich ist, etwa in Form einer T-Abzweigung.
Zu fördernde Medien können Flüssigkeiten und Gase, all
gemein Fluide, sein. Als Mittel zur Erzeugung des
Drucks können beispielsweise Rollerpumpen, peristalti
sche Pumpen oder Zentrifugalpumpen zum Einsatz kommen.
Das Meßprinzip kann überall dort angewendet werden, wo
eine Verbindung oder ein Kontakt zwischen dem geförder
ten Fluid und der Umgebung unerwünscht oder gefährlich
ist. Besonders bevorzugte Anwendungsgebiete sind sol
che, wo eine Kontaminierung des Fluids bzw. eine Infek
tionsgefahr der Außenwelt (Bedienungspersonal) auszu
schließen ist. Verwendet wird das Meßverfahren bei
spielsweise in der Hämodialyse, Infusionstechnik, bei
Herz-Lungen-Maschinen, in der Lebensmitteltechnologie
oder in der allgemeinen Verfahrenstechnik.
Hierzu wird ein Schlauch 1, der in unverformtem Zustand
gestrichelt und in verformtem Zustand dick ausgezogen
dargestellt ist, auf eine Auflage 2 aufgelegt, die im
Bereich des Kontakts mit dem Schlauch 1 einen Kraftsen
sor 3 aufweist. Die dargestellte Verformung des Schlau
ches 1 wird bewirkt über einen Stempel 4, der über eine
Strecke Δd in Richtung auf die Auflage 2 bewegt wird.
Ausgangspunkt für die Strecke Δd ist der Außendurchmes
ser d des Schlauches 1 in unverformtem Zustand.
Im Schlauch herrscht ein Druck pi.
Die Kombination des Innendrucks mit der Verformung des
Schlauchs 1 durch den Stempel 4 führt zu einer Reakti
onskraft, die man am Kraftsensor 3 ermitteln kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich, den Kraftsensor
in der Stirnfläche des Stempels 4 unterzubringen.
Auch bei einer konstanten Zustellung Δd und einem kon
stanten Innendruck pi ändert sich die Reaktionskraft
Fs, die der Kraftsensor 3 ermittelt. Die Erläuterung
der Vorgänge soll im folgenden mit Hilfe der in Fig. 2
dargestellten Funktionsverläufe vorgenommen werden.
Um eine Unabhängigkeit von den Durchmessern der verwen
deten Schläuche 1 zu erzielen, wird zunächst eine Größe
ε0 = Δd/d eingeführt, d. h. die relative Zustellung des
Stempels 4.
Zu einem Zeitpunkt t0 wird der Stempel hier um die
Strecke Δd verfahren, bis die relative Zustellung ε0
zum Zeitpunkt t1 erreicht ist. Wenn der Stempel 4 da
nach nicht mehr bewegt wird, wovon für die künftige
Messung auszugehen ist, dann bleibt die Schlauchdefor
mation, die in Fig. 2a dargestellt ist, auf dem Wert ε0
praktisch konstant.
Der Innendruck pi im Schlauch 1 wird bis zu einem Zeit
punkt t2 konstant gehalten (Fig. 2b). Der Innendruck pi
ist bis zu diesem Zeitpunkt der statische Druck, der
sich ohne Verwendung einer Pumpe ergibt. Wie aus Fig.
2c ersichtlich ist, sinkt trotz einer konstanten rela
tiven Zustellung ε0 und eines konstanten Innendrucks pi
die Reaktionskraft Fs ab. Zwischen den Zeitpunkten t1,
t2 werden eine Vielzahl von Kraftwerten Fsi ermittelt,
die für die spätere Ermittlung einer Relaxationsfunkti
on erforderlich sind. Der Zeitabschnitt zwischen t1 und
t2 beträgt im vorliegenden Fall etwa 10 Minuten oder
etwas weniger.
Zum Zeitpunkt t2 wird nun eine nicht näher dargestellte
Pumpe in Betrieb genommen. Im vorliegenden Fall handelt
es sich um eine Rollerpumpe oder eine peristaltische
Pumpe, die einen pulsierenden Druckverlauf erzeugt.
Dieser ist in Fig. 2b dargestellt. Da gleichzeitig auch
das Niveau des Drucks pi angehoben wird, ergibt sich
ein entsprechend größeres Drucksignal Fs, das aufgrund
der Relaxationserscheinungen des Schlauches 1 aber
ebenfalls tendenziell abnimmt. Die Meßzeit kann hierbei
mehrere Stunden betragen. Dargestellt ist ein Zeitraum
von 4,5 h.
Um das Kraftsignal Fs in einen Druck pi umrechnen zu
können, muß man zunächst eine Relaxationsfunktion er
mitteln. Hierbei verwendet man folgendes Modell:
Zunächst geht man davon aus, daß der Innendruck pi(t)
dadurch ermittelt werden kann, daß man von der ermit
telten Reaktionskraft Fs(t) die Relaxationsfunktion ab
zieht. Damit ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwi
schen dem Druck pi und der genannten Differenz nach
folgendem Ausdruck:
pi(t) = k0 + k1 [Fs(t) - R(t)]
mit
k0, k1 Polynomkoeffizienten
R(t) Relaxationsfunktion des Schlauches.
k0, k1 Polynomkoeffizienten
R(t) Relaxationsfunktion des Schlauches.
Die Differenz
Ds(t) = Fs(t) - R(t)
kann als stationäres Stempelsignal aufgefaßt werden.
Man kann pi(t) also zu jedem Zeitpunkt t ermitteln.
Erforderlich ist es hierzu lediglich, vor Beginn der
Messung (zweckmäßigerweise auch vor dem Ermitteln der
Relaxationsfunktion) eine Kalibrierung vorzunehmen, bei
der man die Polynomkoeffizienten k0, k1 ermittelt.
Hierzu wird an relativ kurz aufeinanderfolgenden Zeit
punkten die Reaktionskraft Fs ermittelt, indem zwei
verschiedene Druckwerte vorgegeben werden. Diese Druck
werte kann man beispielsweise dadurch vorgeben, daß man
ein Flüssigkeits-Vorratsgefäß in unterschiedlichen Hö
hen anordnet. Da lediglich die Druckdifferenz bekannt
sein muß, um die Polynomkoeffizienten zu ermitteln,
spielt die genaue Kenntnis des Innendrucks pi für die
Kalibrierung keine Rolle.
Die Relaxationsfunktion R(t) kann man mit guter Nährung
vereinfacht wie folgt darstellen:
R(t) = Δd - S(t).
S(t) = 1/d . A(t) . T(t)
K(t) = A(t) . T(t).
Damit ergibt sich
R = ε0 . K(t).
Hierbei fließt die Erkenntnis mit ein, daß sich die
Querschnittsfläche A(t) des Schlauches mit der Zeit
ebenfalls ändert.
Für K(t) sind nun geeignete Kerne in Form monoton fal
lender Funktionen einzusetzen, so daß gilt
Die Materialparameter c, α, β, ci, αi, d, etc. müssen
experimentell während der ersten statischen Phase be
stimmt werden. Diese Phase wird auch als Identifikati
onsphase bezeichnet und liegt zwischen t1 und t2.
Die durch den jeweiligen Kern bestimmte Funktionsart
wird zusammen mit dem Schlauch vorgegeben. Die Funkti
onsart hängt nämlich im wesentlichen von den Materia
leigenschaften des Schlauches ab. Der Hersteller kann
dem Verwender die Ermittlung der Relaxationsfunktion
erheblich erleichtern, indem er eine Funktionsart vor
gibt, die den Relaxationsverlauf am besten annähert.
Der Benutzer muß dann für die Funktionsart nur noch die
entsprechenden Parameter bestimmen, um die Relaxations
funktion mit einer so hohen Genauigkeit ermitteln zu
können, daß später die Ermittlung der Drücke möglich
wird.
Claims (8)
1. Verfahren zur nichtinvasiven Innendruckmessung in
elastischen Gefäßen, bei dem ein Gefäß von außen
durch Aufbringen einer Kraft verformt und eine Re
aktionskraft gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innendruck p(t) aus folgender Beziehung er
mittelt wird:
P(t) = k0 + k1 [Fs(t) - R(t)]
wobei
k0, k1 Polynomkoeffizienten
Fs(t) die gemessene Reaktionskraft und
R(t) eine Relaxationsfunktion des Gefäßes sind.
P(t) = k0 + k1 [Fs(t) - R(t)]
wobei
k0, k1 Polynomkoeffizienten
Fs(t) die gemessene Reaktionskraft und
R(t) eine Relaxationsfunktion des Gefäßes sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Polynomkoeffizienten k0, k1 vor der Messung
durch Kalibrierung mit mindestens zwei Druck-Reak
tionskraft-Paaren ermittelt werden, wobei die
Druck-Reaktionskraft-Paare in einem zeitlich kurzen
Abstand ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Relaxationsfunktion vor der Mes
sung ermittelt wird, indem über einen vorbestimmten
Zeitraum bei einem statischen Innendruck und kon
stanten Verformungsbedingungen die Reaktionskraft
gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verformungskraft durch Zustellung eines
Stempels über eine Strecke Δd aufgebracht wird und
Δd zur Ermittlung der Relaxationsfunktion konstant
gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Ermittlung der Relaxationsfunkti
on eine vorgegebene Funktionsart verwendet wird,
deren Parameter aus den gemessenen Reaktionskräften
errechnet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Funktionsart mindestens einen Kern in Form
einer monoton fallender Funktion aufweist.
7. Verfahren nach, Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kerne aus einer Menge ausgewählt werden,
für die gilt:
wobei K(t) ein Kern ist, c, d, α, β, ci, αi Materi alparameter sind, die während der Ermittlung der Relaxationsfunktion bestimmt werden.
wobei K(t) ein Kern ist, c, d, α, β, ci, αi Materi alparameter sind, die während der Ermittlung der Relaxationsfunktion bestimmt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zeitraum zur Ermittlung der
Relaxationsfunktion im Bereich von weniger als 10
Minuten liegt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997147254 DE19747254C2 (de) | 1997-10-25 | 1997-10-25 | Verfahren zur nichtinvasiven Innendruckmessung in elastischen Gefäßen |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997147254 DE19747254C2 (de) | 1997-10-25 | 1997-10-25 | Verfahren zur nichtinvasiven Innendruckmessung in elastischen Gefäßen |
Publications (2)
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DE19747254A1 DE19747254A1 (de) | 1999-05-06 |
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ID=7846655
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1997147254 Expired - Fee Related DE19747254C2 (de) | 1997-10-25 | 1997-10-25 | Verfahren zur nichtinvasiven Innendruckmessung in elastischen Gefäßen |
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