DE2114064A1 - Fotometer zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes von Blut - Google Patents

Fotometer zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes von Blut

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DE2114064A1 DE19712114064 DE2114064A DE2114064A1 DE 2114064 A1 DE2114064 A1 DE 2114064A1 DE 19712114064 DE19712114064 DE 19712114064 DE 2114064 A DE2114064 A DE 2114064A DE 2114064 A1 DE2114064 A1 DE 2114064A1
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Description

Fotometer zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes von Blut
Die Erfindung bezieht sich auf ein Fotometer zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes von Blut, bei dem die sich bei Durchs'trahlung des Blutes oder Reflektion am Blut ergebenden Austrittsintensitäten von Licht der Wellenlänge 805 nm (isosbestischer Punkt) und einer dazu unterschiedlichen Wellenlänge, vorzugsweise 650 nm, gemessen und als entsprechende elektrische Signale über eine Logarithmiereinrichtung einem Differenzbildner zugeführt werden.
Fotometer der genannten Art müssen vor Inbetriebnahme bezüglich ihrer Nullpunkt- sowie ihrer Maximalwerteinstellung (0 $ Op;
100 io O2) geeicht werden. Die Nullpunkteinstellung geschieht
dabei in bekannter Weise unter Verwendung von reduziertem (sauerstoffarmem) Blut als Bezugsmedium derart, daß das aus dem Licht mit der von 805 nm abweichenden Wellenlänge gewonnene elektrisr-he Signal in seiner Amplitude so lange geändert wird, z.B.
durch Änderung des Verstärkungsgrades eines der Logarithmier-
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einrichtung vorgeschalteten Verstärkers oder durch Einschieben von entsprechend gefärbten Glaskeilen in den Lichtgang der entsprechenden Welle, bis das Ausgangssignal des Differenzbildners Null ist. Die Maximalwerteinstellung geschieht unter Verwendung von sauerstoffgesättigtem Blut als Bezugsmedium mittels eines dem Differenzbildner nachge schal ta ten Widerstandspotentiometers.
Zur Durchführung der eigentlichen Messung wird nunmehr anstelle des reduzierten bzw. sauerstoffgesättigten Blutes das zu vermessende Blut in den jeweiligen Strahlengang gebracht. Die Amplitude des aus der 805 nm-Welle abgeleiteten elektrischen Signals bleibt weiterhin konstant (isosbestischer Punkt). Die Amplitude der aus der zweiten Welle abgeleiteten Signale ändert sich Jedoch entsprechend dem Sauerstoffgehalt des Blutes. Das sich dabei am Ausgang des Differenzbildners ergebende Differenzsignal ist ein unmittelbares Maß für die relative Sauerstoffsättigung des Blutes.
Nachteilig bei.solchen, nach dem beschriebenen Verfahren zu eichenden Fotometern ist, daß - weil die Differenz der anfallenden elektrischen Signale nicht nur lediglich vom Sauerstoffgehalt des Blutes, sondern auch noch im starken Maße von dessen Hämoglobingehalt (Hb-Wert) abhängig ist - das Fotometer für jedes neu verwendete oder sich in seiner Zusammensetzung z.B. durch eine Infusion geänderte Blut entsprechend nachgeeicht werden muß. Dies bedeutet einen erheblichen Aufwand an Vorbereitungsarbeit (insbes. deswegen, weil vor jedem neuen Eichvorgang das neu verwendete Blut reduziert bzw. mit Sauerstoff angereichert werden muß), der die Durchführung des beschriebenen fotometrischen Sauerstoffmeßverfahrens insgesamt erschwert und verteuert und insbesondere den vorteilhaften Einsatz solcher Fotometer bei Reihenuntersuchungen nicht zuläßt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fotometer der obengenannten Art anzugeben, welches bei einem Auswechseln des Blutes nicht nachgeeicht zu werden braucht, d.h. bei dem die Vorbereitungsarbeit vor der eigentlichen Messung auf ein Minimum reduziert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Mittel für die Verschiebung der Ausgangskennlinie A (Hb; 0 $ O2) der Logari theatereinrichtung für die von 805 um abweichende Wellenlänge im Sinne einer deckungsgleichen Überführung dieser Kennlinie in die Ausgangskennlinie &qqc nm (Hb; 0 fo Op) der Logarithm!ereinrichtung für die Wellenlänge 805 nm.
Bei dem erfindungsgemäßen Fotometer wird also die einmalige, vom Gerätehersteller vorzunehmende Eichung in der Weise durchgeführt, daß unter Verwendung von reduziertem Blut die Ausgangskennlinie der Logarithmiereinrichtung für die*805 nm abweichende Wellenlänge mit der 805 nm-Kennlinie in Deckung gebracht wird. Dadurch ist erreicht, daß bei reduziertem Blut unabhängig von dessen Hb-Wert die Differenz zwischen den elektrischen Signalen immer Null ist. Bei dem erfindungsgemäßen Fotometer ist also keine Nacheichung erforderlich, wenn neues Blut verwendet wird, sondern es braucht nur ein einziges Mal geeicht werden und ist dann immer sofort ohne Vorbereitungsarbeit für eine Vielzahl von Messungen einsatzbereit.
Die Überführung der Kennlinie für die von 805 nm abweichende Wellenlänge in die 805 nm-Kennlinie läßt sich ohne großen schaltungstechnischen Aufwand durchführen, weil die Kennlinien jeweils linear sind. Die Mittel für die Verschiebung sind dabei im wesentlichen gebildet aus einem Schwenkglied zum Einschwenken der Kennlinie für die von 805 nm abweichende Wellenlänge in eine zur 805 nm-Kennlinie parallele Lage sowie einem Ver-
* von 209841/029S ~4"
BAD
schiebeglied für die ParallelTerschlebung dieser Kennlinie. Als Schwenkglied Ist dabei vorzugsxireise ein Verstärker mit veränderbarem Verstärkungsgrad und als Yerschiebeglied zweckmäßig ein Widerstandspotentiometer für die Änderung des Verstärker-Bezugspotentials verwendet. Das Einschwenken und die Parallelverschiebung geschieht vorzugsweise in abwechselnd aufeinanderfolgenden Schritten in der Weise, daß bei abwechseln-* der Verwendung zweier unterschiedlicher Hb-Werte für das reduzierte Blut eine Gleichstellung der Verstärker-Ausgangssignale für die beiden Wellenlängen anhand einer Verstärkungsgradänderung .jeweils bei Verwendung des einen und anhand einer Potentiometeränderung jeweils bei Verwendung des anderen erfolgt. Für die Einstellung der unterschiedlichen Hb-Werte werden vorzugsweise entsprechend unterschiedlich gefärbte Glasfilter für die von 805· nm abweichende Wellenlänge verwendet.
Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung, welche ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Prinzipschaltbild zeigt, Im folgenden näher erläutert.
In Fig. 1 \d_rd eine Küvette 1 für die Aufnahme des zu vermessenden Blutes vom Licht einer Lichtquelle 2 durchstrahlt. Das Licht verläßt die Küvette 1 im wesentlichen in zwei Strahlenbündeln. Im Lichtgang des ersten Strahlenbündels befindet sich dabei ein erstes Glasfilter 3, welches lediglich Licht der Wellenlänge 805 nm und im Lichtgang des zweiten Strahlenbündels ein zweites Glasfilter 4, welches lediglich Licht der Wellenlänge 650 nm hindurchläßt. Für die Bestimmung der Intensität des jeweils von den Filtern 3 und 4 hindurchgelassenen
Lichtes sind zwei Selenzellen. 4' und 5 vorgesehen, welche zwischen den Eingängen je eines Differenzverstärkers 6 bzw. 7 eingeschaltet sind. Wegen der hochohmigen Eingangsv/iderstände der .Verstärker 6 und 7 fließt der aufgrund des Lichteinfalles von
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«AD
den Selenzellen 4' und 5 jeweils erzeugte Fotostrom praktisch ungeschwächt durch die an den nicht invertierenden Eingängen der Verstärker 6 und 7 angeschalteten ohmschen Widerstände und 9- Der sich dabei über den Widerständen ergebende jeweilige Spannungsabfall ist unmittelbar proportional der Intensität des durch die Filter 3 bzw. 4 gelangenden Lichtes.
In Fig. 1 ist ferner ein dritter von der Lichtquelle 2 ausgehender Lichtstrahl gestrichelt angedeutet, welcher nach Durchlaufen einer Luftstrecke oder einer Küvette mit Blutplasma sowie eines weiteren Filters 11 für die 805 nm-Wellenlänge zu der Selenzelle 12 gelangt, welche wiederum an einem Verstärker mit einem ohmschen Widerstand 14 für die Abnahme einer der Intensität dieses Lichtstrahles entsprechenden elektrischen Spannung angeschaltet ist.
Die Spannungen über den Widerständen 8, 9 und 14 werden an entsprechenden Kontakten 16, 17 und 18 mittels eines schematisch dargestellten Umschalters 19 (in der Praxis als Serienschalter arbeitende Feldeffekttransistoren) abgetastet. Die Umschaltung des Schalters 19 geschieht dabei im Takt eines (nicht gezeichneten) Taktgenerators in der Weise, daß die Kontakte 16, 17 und 18 zeitlich nacheinander, jedoch unter jeweiliger Zwischenanschaltung eines Bezugswiderstandes 10 (Null-Potential) über den Kontakt 15,abgetastet werden. Aufgrund dieses Abtastschemas wird am Ausgang I eines auf den Schalter 19 folgenden Differenz-· Verstärkers 20 mit den Beschaltungswiderständen 21 und 22 eine Folge von Impulsen erzeugt, deren zeitlicher Verlauf z.B. der in Fig. 1 dargestellten Folge U^(t) entspricht. Der Impuls ist dabei ein Maß für die Intensität des 805 nm-Lichtstrahls nach Durchlaufen des Blutes (Schalter 19 am Schaltkontakt 16). Der Impuls 24 gibt entsprechend die Intensität des 650 nm-Lichtstrahles (Schalter 19 am Schaltkontakt 17) und der Impuls 25 di« Intensität des 805 nm-Lichtstrahles nach Durchlaufen der Luftstrocke oder des Blutplasmas (Schalter 19 am Schaltkontakt 18) wieder. 209841/0295 ' . - 6 -
Die am Ausgang I des Differenzverstärkers 20 anfallende Impulsfolge U (t) wird gemäß Fig. 2 über einen Kondensator 26 sowie einen ohmschen Widerstand 27 sum Zwecke der Linearisierung dem invertierenden Eingang eines logarithmischen Verstärkers 28, 23 zugeführt. Die Diode 30 dient zur Nullpunktstabilisierung des logarithmischen Verstärkers 28, 29. Die am Ausgang II des logarithmischen Verstärkers anfallenden linearisierten Impulse entsprechen in»ihrem zeitlichen Verlauf z.B. der. Impulsfolge U2(t) in Fig. 2.
Der logarithmische Verstärker 28, 29 weist an seinem Ausgang II einen weiteren Umschalter 31 (z.B. als Serienschalter arbeitende Feldeffekttransistoren) auf für die Verbindung des Verstärkerausganges II mit dem Invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 35 mit e,inem Rückkopplungswiderstand 36 wechselweise über einen ohmschen Festwiderstand 32 bzw. ein erstes oder zweites Widerstandspotentiometer 33 bzw. 34. Die Steuerung des Schalters 31 geschieht synchron mit dem Schalter 19 am Eingang des Verstärkers 20 in der Weise, daß in den Schaltstellungen 15 und 16 des Schalters 19 der Ausgang II des logarithmischen Verstärkers 28, 29 durch den Schalter 31 jeweils an den Widerstand 32 und in den Schaltstellungen 17 bzw. 18 des Schalters 19 jeweils an das Potentiometer 33 bzw. 34 angeschaltet ist.
Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 35 kann mittels eines dritten Umschalters 37 (Feldeffekttransistor) in einer ersten Schaltstellung dieses Schalters (Kontakt 38) unmittelbar und in einer zweiten Schaltstellung (Kontakt 39) über ein Widerstandspotentiometer 40 mit Masse verbunden werden. Die Steuerung des Schalters 37 geschieht wiederum entsprechend der Steuerung des Schalters 19 so, daß in den Schaltstellungen 15, 16 und 18 des Schalters 19 der Schalter 37 jeweils am Kontakt 38 und lediglich in der ,,Schaltstellung 17 des Schalters 19 am Kontakt 39 anliegt. Der ohmsche Widerstand 41 sowie das Widerstands-
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potentiometer 42 dienen zur Einstellung einer konstanten Vorspannung über dem Potentiometer 40.
Die am Ausgang III des Verstärkers 35 anfallenden Impulse werden gleichzeitig zwei Differenzbildnern 43, 44 zugeführt, von denen der Differenzbildner 43 jeweils die Differenz zwischen den Amplituden des 805 nm- und des 650 nm-Impulses bei Blut und der zweite Differenzbildner 44 jeweils die Differenz zwischen dem 805 nm-Impuls bei Luft und dem 805 nm-Impuls bei Blut bilden soll. Den Differenzbildnern 43 und 44 ist ferner eine Dividierstufe 45 nachgeschaltet für die Berechnung des Quotienten aus den Differenznignalen des tifferenzbildners 43 und des Differenzbildners 44. Der so berechnete Quotient wird mitteis eines geeigneten Anzeigegerätes, z.B. Voltmeter, angezeigt.
Der Differenzbildner 43 besteht im wesentlichen aus einem Differenzverstärker 51 mit den Beschaltungswiderständen 52, 53, dessen invertierender Eingang über einen Kondensator 47 sowie einen hochohmigen Widerstand 48 und desse.n nicht invertierender Eingang über einen weiteren Kondensator 49 und einen ofcmschen Widerstand 50 mit dem Ausgang des Verstärkers 35 verbunden ist, sowie aus zwei Kurzschlußschaltern 54 und 55 (Feldeffekttransistoren) für die Anschaltung der mit den Widerständen 48 bzw. verbundenen Elektroden der Kondensatoren 47 und 49 an Massepotential. Der Differenzbildner 44 besteht entsprechend dem Differenzbildner 43 aus einem Differenzverstärker 60 mit den Beschaltungswiderständen 61 und 62, den Kondensatoren 56 und mit den nachgeschalteten Widerständen 57 und 59 sowie den Kurzschlußschal tern 63 und 64.
Die unterschiedliche Arbeitsweise der Dif feren:3bildner 43 und 44 bezüglich der Differenzbildung ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Steuerung ihrer Schalter 54, 55 sowie 63 und 64· Die Steuerung dieser Schalter geschieht dabei in Abhängigkeit
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von der Steuerung des Schalters 19 so, daß jeweils beim Auftreten eines 805 nm-Impulses für Blut am Eingang der Differenzbildner 43, 44 die Schalter 55 und 63, beim Auftreten eines 650 nm-Impulses lediglich der Schalter 54 und beim Auftreten eines 805 nm-Impulses für Luft der Schalter 64 kurzzeitig geschlossen werden» Aufgrund dieser Steuerung der Schalter 54» 55, 63 und 64 ergeben sich dann automatisch die gewünschten Differenzsignale an den Ausgängen der Differenzbildner 43 und 44.
Gemäß Fig. 2 ist ferner zwischen der Dividierstufe 45 und dem Anzeigegerät 46 ein Widerstandspotentiometer 65 vorgesehen für die Einstellung der für das Gerät 46 maximal zulässigen E ingang s s paimung.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Fotometers ergibt sich gemäß Fig. 1 und 2 wie folgt:
Vor Inbetriebnahme muß das Fotometer geeicht, d.h. auf seinen Nullpunkt sowie seinen Maximalwert eingestellt werden. Diese Eichung geschieht einmalig - sofern nicht aufgrund von Alterung oder Auswechslung von.Bauelementen eine weitere Nacheichung erforderlich ist - und wird deshalb im allgemeinen vom Hersteller vorgenommen.
Die Eichung des Nullpunktes geschieht prinzipiell in der weise, daß bei abwechselnder Verwendung von reduziertem Blut mit zwei unterschiedlichen Hb-Werten in der Küvette 1 in abwechselnd aufeinanderfolgenden Schritten jeweils bei Durchstrahlung des Blutes mit dem ersten Hb-Wert der Verstärkungsgrad des Verstärkers 35 mittels des Potentiometers 33 und bei Durchstrahlung de"- Blutes mit dem zweiten Hb-VJert jeweils die Einstellung des Potentiometers 40 so lange verändert wird, bis die Differenysi^male ar< Ausgan.fr "des Differenzbildners 43 Null sind. Die A'nde-
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•AD QRiGiNAL
rung des Verstärkungsgrades des Verstärkers 35 bewirkt dabei in Schritten eine Parallelstellung der linearen Ausgangskennlinie Afic-Q (Hb; O ia O2) des logarithmischen Verstärkers 28, 29 für die 650 nm-Lichtwelle zur Ausgangskennlinie Ag0,-(Hb; 0 $> O2) des logarithmischen Verstärkers für die 850 nm-Lichtwelle sowie die Änderung der Potentiometereinstellung des Potentiometers 40 in Schritten eine Parallelverschiebung*65O nm-Ausgangskennlinie in die Lage der 805 nm-Kennlinie. Durch das abwechselnde schrittweise Einschwenken sowie Parallelverschieben der 650 nm-Kennlinie wird bewirkt, daß nach einer entsprechenden Anzahl von Eichschritten die 650 nm-Kennlinie mit der 805 nm-Kennlinie in Deckung gebracht ist. Das sich in dieser Lage der beiden Kennlinien jeweils ergebende Ausgangssignal am Differenzbildner 43 ist dann unabhängig vom Hb-Wert des jeweils verwendeten Blutes immer Null.
Die Eichung des Maximalwertes geschieht unter Verwendung von sauerstoffgesättigtem Blut anhand des Potentiometers 65 in der bereits eingangs beschriebenen Weise.
Die wechselweise Verwendung von reduziertem Blut unterschiedlicher Hb-Werte ist rein prinzipiell. In der Praxis wird man selbstverständlich anstelle von unterschiedlichem Blut entsprechend unterschiedlich gefärbte G-lasfilter für die 650 nm-Lichtwelle verwenden. Entsprechend kann auf eine Eichung mit Blut überhaupt verzichtet werden, wenn auch für die 805 nm-Lichtwelle ein entsprechend gefärbtes G-lasfilter 3 verwendet wi rd.
Die Eichung des Impulses für die 805 nm-Lichtwelle in Luft geschieht durch Nullstellung des Ausgangssignales am Differenzbildner 44 mittels des Potentiometers 34 bei Verwendung von reduziertem Blut oder entsprechend gefärbte· Filter 3 und 11.
* der
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Nach Eichung in der beschriebenen Weise kann das Fotometer nach der Erfindung für eine Vielzahl von Messungen in Betrieb genommen werden. Die Durchführung einer Messung geschieht dabei in der Weise, daß in der Küvette 1 das zu vermessende Blut eingefüllt wird. Je nach dem Sauerstoffgehalt dieses Blutes ergibt sich am Ausgang des Differenzbildners 43 ein in seiner Amplitude mehr oder weniger großes Differenzsignal, welches ein unmittelbares Maß für den absoluten Sauerstoffgehalt des Blutes darstellt. Am Ausgang des Differenzbildners 44"fällt demgegenüber ein Differenzsignal an, dessen Amplitude unmittelbar dem Hb-Wert des verwendeten Blutes proportional ist. Am k Anzeigegerät 46 kann somit unmittelbar der Wert der relativen Sauerstoffsättigung ($ Qp) des verwendeten Blutes abgelesen v/erden.
Die Erfindung beschräikt sich nicht nur auf das beschriebene Ausführungsbeispiel. Werden anstelle eines einzigen logarithmischen Verstärkers insgesamt drei getrennte entsprechend dimensionierte Verstärker verwendet, so kann das Fotometer z.B. rein gleichstrommäßig betrieben \^erden. Auf die Vielzahl der für den Impulsbetrieb erförderlichen Schalter (Feldeffekttransistoren) kann dann verzichtet v/erden. Ebenso ist es z.B. möglich, anstelle des aus dem Verstärker 35 mit den vorgeschalteten Widei*- ständen 32, 33 und 34 sowie des Schalters 31 gebildeten Netz-Werkes ein sogenanntes "TEE-Network" zu verwenden.
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Claims (8)

  1. 21UQ64
    - 11 Patentansprüche
    .,J/ Fotometer zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes von Blut, bei dem die s.ich bei Durchstrahlung des Blutes oder Reflektion am Blut ergebenden Austrittsintenaitäten von licht der Wellenlänge 805 nm (isosbestischer Punkt) und einer dazu unterschiedlichen Wellenlänge, vorzugsweise 650 nm, gemessen und als entsprechende elektrische Signale über eine Logarithmiereinrichtung einem Differenzbildner zugeführt werden, gekennzeichnet durch- Mittel (35, 40) für die Verschiebung der Ausgangskennlinie A (Hb; 0 % 0?) der Logarithmiereinrichtung (28, 29) für die von 805 nm abweichende Wellenlänge im Sinne einer deckungsgleichen Überführung dieser Kennlinie in die Ausgangskennlinie Ag0,- ^ (Hb; 0 % O2) der Logarithmiereinrichtung (28, 29) für die Wellenlänge 805 nm.
  2. 2. Fotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß· die Mittel für die Verschiebung im wesentlichen gebildet sind aus einem Schwenkglied (35) zum Einschwenken der Kennlinie für die von 805 nm abweichende Wellenlänge in eine zur 805 nm-Kenr>~ linie parallele Lage sowie einem Verschiebeglied (40) für die Parallelverschiebung dieser Kennlinie.
  3. 3. Fotometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwenkglied (35) ein Verstärker mit veränderbarem Verstärkungsgrad und als Verschiebeglied (40) ein Widerstandspotentiometer für die Änderung des Verstärkex"-Bezugspotentials verwendet ist.
  4. 4. Fotometer nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschwenken und die Parallelverschiebung in abwechselnd aufeinanderfolgenden Schritten geschieht in der Weise, daß bei
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    abwechselnder Verwendung zweier unterschiedlicher Hb-Werte für das reduzierte Blut (O $ 0o) eine G-I eich stellung der Verstärkex"-Ausgangssignale für die beiden Wellenlängen anhand einer Verstärkungsgradänderung jeweils bei Verwendung des einen und anhand einer Potentiometeräniorung jeweils bei Verwendung des anderen erfolgt.
  5. 5- Fotometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellung der unterschiedlichen Hb-Werte entsprechend unterschiedlich, gefärbte Glasfilter für die von 805 nm abweichende Wellenlänge verwendet sind.
  6. 6. Fotometer nach Anspruch 1 bis 5» gekennzeichnet durch eine dem Bifferenzbildner (43) nachgeschaltete Bividierstufe (45) für die Berechnung des Quotienten aus dem jeweiligen Differenzsignal und dem ITb-Wert des verwendeten Blutes (relative Sauers to ff Sättigung des Blutes).
  7. 7· Fotometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Hb-Wert-Bestimmung des jeweils verwendeten Blutes ein weiteres der Intensität von Licht der Wellenlänge 805 nm in z.B. Luft oder Blutplasma als Bezugsmedium entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird und daß ein weiterer Differotizbildner (44) vorgesehen ist für die Bildung der Differenz zwischen diesem Signal und dem aus der 80'3 nm-Welle für Blut abgeleiteten Signal.
  8. 8. Fotometer nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrichtung für die Anzeige des jeweils gemessenen Hb-Wertes.
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    BAD ORIGINAL
    Leerseite
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