DE2142211C3

DE2142211C3 - Elektromagnetischer Blut-Strömungsmesser

Info

Publication number: DE2142211C3
Application number: DE2142211A
Authority: DE
Inventors: H J Broner; H G Doll
Original assignee: DOLL RESEARCH
Current assignee: DOLL RESEARCH
Priority date: 1970-08-24
Filing date: 1971-08-23
Publication date: 1980-05-22
Also published as: GB1365129A; BE771669A; JPS5516659B1; SU528853A3; DE2142211A1; IL37407A; CH530786A; DE2142211B2; NL171016C; DK138578B; IL37407A0; AT321452B; NO133573B; NL7111063A; NL171016B; US3759247A; NO133573C; FR2105939A5; SE373278B; CA980869A

Description

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur transkutanen Strömungsmessung.

Im allgemeinen sind als elektromagnetische Strömungsmesser zur Messung der Blutströmung evasive Strömungsmesser verwendet worden, d. h. sie haben die operative Freilegung des in der Messung befindlichen

Blutgefäßes und die Einbettung von wenigstens einem Teil der Abtasteinrichtung um ein solches Blutgefäß herum erfordert. Derartige Meßgeräte sind in ihrer Anwendung streng begrenzt und sind für klinische Verwendung nicht geeignet, und zwar aufgrund solcher operativer Verfahren und der damit verbundenen Slerilitätsprobleme. Darüber hinaus können nicht alle Blutgefäße in dieser Weise freigelegt werden, da von Arterisklerose befallene Blutgefäße spröde sind und durch das Verfahren der Einbettung beschädigt werden könnten. Auch die durch den operativen Eingriff verursachten häßlichen Narben sprechen gegen die Verwendung von invasiven Meßgeräten, abgesehen von höchst kritischen Fällen. Aus diesen Gründen werden die invasiven Strömungsmesser bei Menschen kaum verwendet und finden nur bei Experimenten an anästesierten Tieren Anwendung.

Außer diesen körperlichen Beschränkungen bei bekannten elektromagnetischen Strömungsmessern haben derartige Meßgeräte auch empfindliche Nachteile bei der elektronischen Abtastung und Messung. Da das gewünschte Blutströmungssignal mit unerwünschten Rauschsignalen vermischt ist, welche im Körper und im elektronischen System selbst erzeugt werden, hat sich herausgestellt, daß es sehr schwierig ist, das Rauschen zu eliminieren, um ein genaues Blutströmungsmeßsignal zu erhallen. Solches Rauschen umfaßt äußere Signale, welche durch eine mangelhafte Anordnung des Strömungsmessers um das in der Messung befindliche Gefäß verursacht werden, umfaßt weiterhin Rauschen, welches durch elektrische Wechselwirkung der Elemente des Strömungsmesser-Sensors und zwischen dem Sensor und dem Gewebe, mit welchem dieser in Berührung steht, verursacht werden und umfaßt schließlich Quadratur-Effekte in Sinuswellen-Strömungsmessern und Transformatoren-Spitzen in Rechteckwellen-Strömungsmessern.

Es ist erwünscht, daß die Blutströmungsmessung durch den Strömungsmesser während einer Periode von konstantem Magnetfeld durchgeführt wird und daß der Strömungsmesser einfach zu bedienen ist und darüber hinaus in der Lage ist, die Blutströmung in einer Anzahl von Gefäßen an demselben Individuum zu überwachen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen nichtinvasiven elektromagnetischen Strömungsmesser zu schaffen, welcher die Blutströmung in den Gefäßen an Lebewesen mißt, ohne daß ein operatives Einsetzen von Sensoren in das Lebewesen erforderlich wäre.

Der Strömungsmesser liefert eine gemittelte Messung der Blutströmungspulse über eine Anzahl von Herzzyklen. Dabei wird das Rauschen, welches durch das hiektrokardiagramm-.Signai zwischen den Biutströmungs-Meßelektroden während der Herzzyklen erzeugt wird, durch Mittelwertbildung der Impulse eliminiert. Auf diese Weise wird auch der Einfluß des Zufallsrauschens augeschaltet. Das Magnetfeld ist während des Messens der durch die Strömung induzierten Signale konstant, so daß definierte Meßwerte erhalten werden. Während der Umkehr des Magnetfeldes wird das Meßsystem abgeschaltet

Ein weiterer Vorteil liegt in der einfachen Bedienung des Gerätes und in der Möglichkeit, die Blutströmung in einer Vielzahl von Gefäßen gleichzeitig oder nacheinander zu überwachen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ausführungsbeispielen und in den Unleransprüchen beschrieben.

Es ist zu bemerken, daß der hier verwendete Ausdruck »nicht invasiver elektromagnetischer Strömungsmesser« einen Strömungsmesser bezeichnen soll, bei welchem keine operative Freilegung des in der Messung befindlichen Blutgefäßes erforderlich ist und bei welchem kein operatives Einsetzen von Teilen der Abtasteinrichtung um das Blutgefäß herum notwendig ist. Jedoch schließt der Ausdruck »nicht invasiver elektromagnetischer Strömungsmesser« einen solchen Strömungsmesser ein, bei welchem die Abtastelektroden entweder auf die Oberfläche der Haut aufgelegt werden oder in das Gewebe eingesetzt werden, ohne daß ein operativer oder chirurgischer Eingriff erforderlich ist, wie bei der Injektion mit einer Injektionsspritze. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und la schematische Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Strömungsmessers, welche die Messung der Blutströmung jeweils in den Oberschenkel- und Hals-Arterien eines menschlichen Wesens veranschaulichen,

F i g. 2 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Meß- und Steuereinrichtung des Strömungsmessers der F i g. 1,

Fig.3a und 3b Blockdiagramme zur Veranschaulichung der Steuerlogikschaltung der F i g. 2,

F i g. 4 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung des Trapez-Funktionsgenera tors der F i g. 2,
F i g. 5 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung der Stromquelle der F i g. 2,

F i g. 6 ein Wellenformdiagramm von einem der in der Schaltung der F i g. 4 erzeugten Signale,

F i g. 7 ein Wellenformdiagramm von verschiedenen in der Steuerlogikschaltung der Fig.3a erzeugten Signalen,

F i g. 8 ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung des PQRST-Elektrokardiogramm-Signals des menschlichen Herzens,

F i g. 9 ein Wellenformdiagramm von verschiedenen in der Schaltung der F i g. 2 erzeugten Signalen,

Fig. 10(a) ein Wellenformdiagramm eines tatsächlichen Elektrokardiogramm-Signals eines menschlichen Herzens, welches zwischen zwei Elektroden an der Oberschenkelarterie gemessen wurde,

Fig. 10(b) ein Beispiel für das Restrauschsignal, nachdem eine Welle von tatsächlichen Elektrokardiogramm-Signalen umgekehrt und gemittelt wurde sowie für andere Rauschsignale über eine Periode von etwa 10 so Minuten in dem Strömungsmesser der Fig. 1, jedoch ohne Anwendung des Magnetfeldes und folglich ohne Blutströmungssignaie.

F i g. 10(c)—(h) Wellenformdiagramme von gemittelten Blutströmungsimpulsen, wie sie an der Oberschenkelarterie eines menschlichen Wesens gemessen wurden,

F i g. 11 einen Aufriß einer Hautelektrode im Schnitt, welche gemäß der Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 12 eine schematische Darstellung, welche die elektromagnetischen Eigenschaften der Blutströmung in einer Arterie veranschaulicht,

Fig. 13 ein schematisches Diagramm einer elektrischen Schaltung, welche dazu verwendet werden kann, die Bewegung eines Patienten während der erfindungsgemäßen Blutströmungsmessung zu korrigieren,

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines elektrisch reversiblen Permanentmagneten, welcher verwendet wird, um das homogene Magnetfeld im Bereich der

untersuchten Arterie aufzubauen, wodurch eine weitere Ausführungsform der Erfindungveranschaulicht wird und Fig. 15 eine schematische Ansicht eines Permanentmagneten, welcher drehbar angeordnet ist, um ein mechanisch reversibles Magnetfeld im Bereich der untersuchten Arterie aufzubauen, wodurch eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht wird.

Gemäß der Darstellung in der Zeichnung ist in der Fig. 1 eine allgemeine Diagrammübersicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Blutströmungsmessers wiedergegeben, welcher dazu verwendet wird, den Blut-Durchfluß durch die Halsschalgader eines Patienten zu messen. Gemäß der Darstellung liegt ein Patient 10 flach auf einem Untersuchungstisch 12. Da der Blut-Durchfluß durch die rechte Halsschlagader 14 des Patienten gemessen werden soll, wird im Bereich der Arterie 14 ein homogenes Magnetfeld erzeugt, und zwar mittels des Elektromagneten 18. Die Stärke dieses Magnetfeldes muß ausreichend groß sein, so daß ein meßbares elektrisches Signal, welches durch den Durchgang des Blutes durch die Halsschlagader durch das magnetische Feld induziert wird, an der Hautoberfläche des Halses vorhanden ist.

Der Elektromagnet 18 umfaßt somit eine Spule aus Draht mit großem Durchmesser, welcher so ausgebildet ist, daß starke Ströme fließen können, um ein Magnetfeld großer Stärke zu erzeugen. Es hat sich gezeigt, daß ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld im Bereich der zu untersuchenden Arterie erzeugt wird, wenn eine Elektromagnetspule verwendet wird, welche einen Durchmesser besitzt, der wenigstens der doppelten Entfernung der Spule von der Arterie entspricht. Ein homogenes Magnetfeld ist wünschenswert, um falsche Messungen zu verhindern, weiche auftreten können, wenn der Patient seinen Kopf bewegt und dadurch die Lage oder Richtung der Arterie im Feld verändert. Weiterhin ist es wünschenswert, daß das Magnetfeld etwa senkrecht zur Haut und zur Arterie verläuft.

Um Messungen der Blutströmung in verschiedenen Arterien des Patienten vorzunehmen, kann es erwünscht sein, daß mehr als ein Elektromagnet wie 18 vorgesehen ist, beispielsweise einer für den Oberschenkel-Arterienbereich und ein weiterer für den Hals-Arterienbereich.

Der Elektromagnet 18 wird über elektrische Leiter 20 von einem Meßsteuersystem 24 versorgt. Ein Paar von Elektroden 26 wird auf den Hals des Patienten 10 auf jeder Seite der rechten Halsschlagader aufgelegt. Elektroden 26 ermitteln ein elektrisches Signal, welches durch die Blutströmung in der Halsschlagader durch das homogene Magnetfeld induziert wurde, welches im Bereich dieser Arterie vorhanden ist. Dieses durch die Strömung induzierte Signal wird dem Syblem 24 durch ein abgeschirmtes verdrilltes Leitungspaar 28 zugeführt, welches zwischen den Elektroden 26 und den Klemmen 30 des Systems 24 angeschlossen ist.

Ein zweites Elektrodenpaar 26a wird auf die Brust des Patienten 10 aufgelegt und ermittelt die starken Elektrokardiogramm-Signale, welche durch das Herz an dieser Stelle erzeugt werden.

Ein abgeschirmtes verdrilltes Leitungspaar 32, welches zwischen den Brustelektroden 26a und den Klemmen 34 des Systems 24 angeschlossen ist. Führt diese Signale zum System 24.

Da es wünschenswert ist. daß sich das System 24 auf demselben Erdpotential befindet wie der Patient 10, ist eine Erdelektrode 266 auf den Arm oder das Bein des Patienten 10 aufgelegt und mit einer Erdklemme 36 des Systems 24 über einen Leiter 38 verbunden. Eine Elektrode 26£> ist vorzugsweise auf einen Teil des Körpers aufgelegt, welcher von den Elektroden 26 und 26a entfernt ist.

Das durch das System 24 erzeugte Blulströmungsdiagramm kann auf einem Streifenblattschreiber 40 registriert werden, kann auf einer visuellen Anzeigeeinrichtung wie einem (nicht dargestellten) Oszilloskop dargestellt sein oder kann auf einem geeigneten Registriermediuni wie einem Magnetband gespeichert werden, und zwar entweder direkt oder nach Umwandlung in digitale Daten zur Verwendung in einem Digitalrechner, und zwar durch an sich bekannte Analog-Digital-Wandler.

Die Fig. la zeigt die relative Anordnung des Elektromagneten 18 zur Messung der Blutströmung durch die rechte Oberschenkel-Arterie 42 des Patienten 10 und ebenso die relative Anordnung der Elektroden 26 zur Ermittlung des durch die Strömung induzierten Signals.

Im allgemeinen wird das durch die Blutströmung induzierte Signal, welches durch die Elektroden 26 abgelastet wird, 3ine Anzahl von Rauschkomponenten zusätzlich zu derjenigen Komponente enthalten, weiche eine Funktion der Blutströmung in der Arterie ist. Die Hauptrauschkomponente ist das Elektrokardiogramm-Signal, welches durch das Herz erzeugt wird, das eine vielfache Stärke des durch die Blutströmung induzierten Signals aufweisen kann, insbesondere bei einer Arterie, welche nah an dem Herzen verläuft, wie es beispielsweise bei der Halsschlagader der Fall ist.
Da es nicht erforderlich ist, jeden einzelnen Blutströmungsimpuls darzustellen, hat sich gezeigt, daß diese Impulse mit einer geeigneten Synchronisierung, welche auf dem Bezugskardiogramm basiert, über eine längere Periode gemittelt werden können, beispielsweise über einige Minuten, um beispielsweise einen Durchschnittsimpuls bei der Wellenform aufzubauen, welche von Rauschen gereinigt ist. Das Kardiogrammrauschen mittelt sich heraus, da die Kardiogramminipulse identisch sind und in der Einrichtung zur Mittelwertbildung synchronisiert werden, jedoch ihre eine Hälfte mit einer Polarität und die andere Hälfte mit der entgegengesetzten Polarität. Das Zufallsrauschen baut sich in der Mittelwertbildungseinrichtung nicht auf, da es nicht synchronisiert ist, und seine Wirkung wird praktisch vernachlässigbar, wenn die Mittelwertbildung ausreichend lange durchgeführt wird.

In der Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Meß- und Steuerschaltung 24 dargestellt. Da durch die Blutströmung induzierte und durch die Elektrode 26 abgetastete Signal wird über das Leitungspaar 28 den Eingangsklemmen 30 eines Vorverstärkers 44 zugeführt. Gemäß der obigen Beschreibung wird ein gemeinsames Erdpotenlial zwischen dem Patienten und der Schaltung 24 mitteis der auf die Haut des Patienten aufgelegten Elektrode 28Zj aufrechterhalten, wobei der Erdleiter 38 und die Erdklemme 36 des Vorverstärkers 44 verwendet werden. Nachdem das durch die Strömung induzierte Signal durch den Vorverstärker 44 verstärkt ist, wird es weiterhin durch den Gleichstromverstärker 46 verstärkt Dieses Signal wird dann durch das Tiefpaßfilter 48 gefiltert, welches alle Rauschkomponenten mit hoher Frequenz ausfiliert, einschließlich beliebiger Rauschkomponenten, welche durch die Netzfrequenzleitung erzeugt werden könnten.

Das durch die Elektroden 26a abgetastete Elektrokardiogramm-Signal wird den Klemmen 34 des Vorverstärkers 50 über das verdrillte Leitungspaar 32 zugeführt. Nachdem das Kardiogramm-Signal durch den Vorverstärker 50 verstärkt ist, wird es der Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung zugeführt und von dort der Steuerlogikschaltung 54, um dazu verwendet zu werden, um den Betrieb der verschiedenen Funktionen des Systems 24 zu synchronisieren.

Ein reversibler stetiger Gleichstrom wird der Feldspule 56 des Elektromagneten 18 über einen Trapez-Funktionsgenerator oder einen Rampengenerator 58 zugeführt, welcher mit der Stromquelle 60 verbunden ist, die ihrerseits Strom an die Spule 56 liefert. Der Generator 58 ist mit der Steuerlogikschaltung 54 verbunden, welche dessen Arbeitsweise steuert. Nachdem das Blutströmungssignal durch das Filter 48 gefiltert ist, wird es über ein Verzögerungsrelais 62 und ein zweipoliges Umschaltrelais (DPDT) 64 einem Differentialverstärker 66 zugeführt, wo es verstärkt und dann der Mittelwert-Meßschaltung 52 zugeführt wird. Relais 62 und 64 sind ebenfalls mit der Steuerlogikschaltung 54 verbunden und werden durch diese gesteuert.

In einem bekannten Typ einer analogen Einrichtung der Mittelwertbildung zu Meßzwecken wird mit dem von der Firma »Princeton Applied Research Corporation of Princeton, New Jersey,« hergestellten Gerät mit der Bezeichnung »Waveform Eductor, Model T DH-9« eine zu messende Wiederhol-Eingangswellenform in 100 Inkremente von gleicher Dauer unterteilt und in einem Kondensatorspeicher mit 100 Kanälen registriert. Nach einer ausreichenden Anzahl von Wiederholungen wird der Spannungspegel auf jedem Kondensator dem Durchschnittswert für das entsprechende Segment der Wellenform proportional sein. Zufallsrauschen und nicht synchronisierte Signale sind eliminiert, und das gewünschte Signal kann auf einem Streifenblattschreiber oder einem Oszilloskop abgelesen werden. Die Arbeitsweise des elektromagnetischen Strömungsmessers gemäß der Darstellung in den F i g. 1 und 2 wird unter Bezugnahme auf die Wellenformdiagramme der Fig. 9 verständlich. Die Fig. 9a zeigt eine Reihe von Bezugs-Elektrokardiogramm-Signalen, welche die allgemeine Form der in der Fig. 8 dargestellten PQRST-Wcllenform aufweisen. Das Elektrokardiogranm-Signal ist durch eine scharfe Spitze bei R gekennzeichnet, welche dazu verwendet wird, das Meß- und Steuersystem 24 zu triggern und die Arbeitsweise dessen verschiedener Komponenten zu synchronisieren. Diese Synchronisation auf die Linie R ist deshalb erwünscht, weil das Her/ in unregelmäßigen Abständen schlägt. Im allgemeinen wird die Arbeitsfolge des Strömungsrnessers dazu veranlaßt, nach einer vorgegebenen Anzahl von Herzzyklen wiederholt zu werden. In dem in der Fig.9 dargestellten Beispiel erfolgt diese Wiederholung jeweils nach 16 Herzschlägen.

Bei R # 0 bewirkt die Sleuerlogikschaltung 54, daß der Strom in der Feldspule 56 durch Umkehr des Trapez-Funktionsgenerators 58 umgekehrt wird und bewirkt weiterhin, daß die Polarität der Meßschailung durch Aktivierung des Relais 64 umgekehrt wird. Die Steuerlogikschaltung 54 bewirkt weiter, daß das Relais von R U 0 bis R # 2 geöffnet bleibt, so daß während dieser Zeitperiode der Einrichtung /ur Mittelwertbildung 52 keine Signale zugeführt werden. Dies dient da/u, um /u verhindern, daß unerwünschte Rauschsignale der Einrichtung /ur Mittelwertbildung 52 zugeführt werden, welche durch die Feldumkehr erzeugt werden und um dem System die Rückkehr in einen stetigen Zustand zu ermöglichen, bevor die Messung der Blutströmungssignale wieder aufgenommen wird. Gemäß der Darstellung in der Fig.9d wird der Strom bei R # 0 umgekehrt, und dem System wird ermöglicht, sich zwischen R # 1 und R# 2 zu stabilisieren.

Bei R# 2 bewirkt die Steuerlogikschaltung 54, daß das Relais 62 schließt (siehe Fig.9d), so daß dadurch ίο ermöglicht wird, daß die Blutströmungssignale der Einrichtung zur Mittelwertbildung 52 zugeführt werden. Die F i g. 9(c) und 9(e) zeigen die zwei Hauptkomponenten des Signals, und zwar 9(c) die Elektrokardiogramm-Rauschkomponente, welche ausgelöscht werden soll und 9(e) die gewünschte induzierte Blutströmungskomponente, welche gemessen werden soll.

Während des Intervalls von R# 2 bis R# 8 wird ein stetiger Gleichstrom der Spule 56 des Elektromagneten 18 zugeführt, welcher seinerseits ein stabiles und homogenes gleichförmiges Magnetfeld im Bereich der Arterie (oder der Arterien) erzeugt, welche der Messung unterzogen werden. Da die Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung synchron zu den durch die Strömung induzierten Signalen betrieben wird, und zwar mittels der Elektrokardiogramm-Bezugssignale, welche durch die Elektroden 26a abgetastet werden, werden während dieses Zeitintervalls 6 durch die Strömung induzierte Impulse der Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung zugeführt.

Gemäß der Darstellung in der Zeichnung verursachen die Richtung des Magnetfeldes und die Polarität des Relais 64, daß 6 Impulse, welche 6 negative Kardiogramm-Komponenten (siehe Fig.9(a)) und 6 positive Blutströmungs-Komponenten aufweisen, auf die Kondensatoren der Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung geladen werden.

Bei /?# ti bewirkt die Steuerlogikschaltung 54, daß der Generator 58 umgekehrt wird, so daß auf diese Weise weiterhin bewirkt wird, daß der Strom durch die

■to Spule 56 ebenfalls umgekehrt wird und daß das Magnetfeld ebenfalls umgekehrt wird. Die Umkehr der Polarität des Magnetfeldes verursacht eine Umkehr der Polarität der durch das Magnetfeld induzierten Blutströmungs-Komponenten, beeinflußt jedoch die Polarität der Elektrokardiogramm-Komponenten nicht. Die Schaltung 54 bewirkt außerdem, daß das Relais 64 arbeitet, um die Polarität derjenige Signale umzukehren, welche der Einrichtung zur Mittelwertbildung 52 zugeführt werden und bewirkt weiterhin, daß das Relais 62 zwischen R # 8 und R# 10 geöffnet wird, um zu verhindern, daß Blutströmungssignale der Einrichtung zur Mittelwertbildung 52 zugeführt werden. Die Relaisarbeitszeiten sind derart gewählt, daß das Verzögerungsrelais vor den anderen arbeitet.

Bei R # 9 (siehe F i g. 9(d) ist der Feldstrom umgekehrt und hat sich bei R# 10 vollständig stabilisiert.

Bei R # 10 bewirkt die Steuerlogikschaltung 54, daß das Relais 62 schließt, um zu ermöglichen, daß wieder

bo Blutströmungsimpulse der Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung zugeführt werden. Während des Intervalls von RU 10 bis R ft 16 werden 6 Signale an die Einrichtung zur Mittelwertbildung 54 geführt. Da jedoch das magnetische Feld ebenso wie die Polarität der elektrischen Signale umgekehrt wurde, welche der Einrichtung 52 /ur Mittelwertbildung zugeführt werden, weisen die 6 Signale 6 positive Elektrokardiogramm-Komponenten und b positive BIutströmungs-Kompo-

nenten auf. Dies rührt daher, daß die positiven Blutströmungskomponenten in ihrer Polarität insgesamt zweimal umgekehrt wurden. Die erste Umkehr erfolgte aufgrund einer Umkehr in der Polarität des Magnetfeldes und die zweite aufgrund der elektrischen Schaltung der Polarität der elektrischen Signale, welche der Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung zugeführt wurden. Die positiven Elektrokardiogramm-Komponenten wurden in ihrer Polarität insgesamt nur einmal umgekehrt, wobei diese Umkehr durch die elektrische Schaltung der Polarität derjenigen Signale erfolgte, welche der Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung zugeführt wurden. Diese 6 positiven Kardiogramm-Signale löschen die 6 negativen Kardiogramm-Signale aus, welche während des Intervalls von /?# 2 bis /?# 8 zugeführt wurden, so daß auf diese Weise die Kardiogramm-Rauschkomponente aus dem gewünschten Strömungsimpuls ausgelöscht ist. Die 6 positiven Blutströmungs-Komponenten werden zu den vorher erhaltenen 6 positiven Blutströmungs-Komponenten addiert, um 12 Blutströmungsimpulse zu erhalten, welche auf die Kondensatoren der Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung geladen werden, und zwar frei von Elektrokardiogramm-Rauschen.

Bei /?# 16 bewirkt die Steuerlogikschaltung 54 eine Wiederholung der Ereignisse, welche bei R # 0 stattgefunden haben.

Somit wurden während eines Zyklus von 16 Herzschlägen 12 Impulse in der Einrichtung 52 zur Mittelwertbildung gespeichert, und die Signale während 4 der 16 Herzschläge wurden ignoriert. Eine Messung hat nur dann stattgefunden, wenn das Magnetfeld konstant war, und es hat keine Messung während solcher Perioden der Stromumkehr stattgefunden, während instabile Bedingungen vorlagen. Auf diese Weise wird eine genaue Messung der Blutströmungsimpulse erreicht, und die Zuverlässigkeit der Meßschaltung ist gewährleistet.

Der Zyklus wird über eine ausreichend lange Zeitperiode wiederholt, um eine gute Mittelwertbildung der Blutströmungsimpulse in der gemessenen Arterie zu erreichen. Da das durchschnittliche Herz in der Größenordnung von 60 bis 100 Schläge pro Minute ausführt (unter 2 Hertz), sollte eine Messung über eine Periode von 1 bis 10 Minuten eine gemittelte Blutströmungs-Wellenform liefern, welche eine Funktion der tatsächlichen Blutströmung in der gemessenen Arterie darstellt.

Beispielsweise zeigt die Fig. 10, in welcher der Signalmaßstab 0.1 Mikrovolt pro Skalenteil für alle Kurven ist, die Ergebnisse einer Anzahl von tatsächlichen Messungen der Blutströmung in der rechten Oberschenkelarterie eines Menschen. Die Fig. 10(a) ist die Wellenform der gemittelten Elektrokardiogramme, welche zwischen den Elektroden an der Oberschenkelarterie ohne Magnetfeld aufgenommen wurden. Die Fig. 10(b) stellt das restliche Kardiogramm-Rauschsignal dar, und zwar nach Umkehr und Mittelwertbildung gleicher Anzahlen von positiven und negativen Kardiogramm-Impulsen und anderen Rauschens über eine Periode von etwa 10 Minuten, und zwar ebenfalls ohne Magnetfeld.

Die Fig. 10(c)-(e) sind resultierende Blutströmungs-Wellenformen von J verschiedenen Meßperioden von etwa 10 Minuten Dauer. Die Fig 10(f) und (g) stellen resultierende Wellenformen von 560 gemittelten Impulsen dar, und die Fig. 10(h) stellt die resultierende Wellenform von 280 gemilieltcn Impulsen dar. Es ist ersichtlich, daß die 6 Wellenformen im wesentlichen ähnlich sind und daß somit festgestellt werden kann, daß eine gute Anzeige, bzw. ein guter Meßwert der Blutströmungsimpulse in der Arterie gemessen ist.

Wenn Messungen in periodischen Intervallen durchgeführt werden, würde eine Abnahme der Amplitude von Spitze zu Spitze zwischen den positiven und negativen Spitzen andeuten, daß die Blutströmung in der Arterie abnimmt, so daß auf diese Weise dem Arzt eine bedeutende Warnung gegeben ist.

Gemäß der Darstellung in den F i g. 10(c) —(e) sind die Blutströmungsimpulse in der Einrichtung zur Mittelwertbildung für ein festes Zeitintervall, beispielsweise 10 Minuten, und unter diesen Bedingungen besitzen die Auslenkungen der Kurven die Tendenz, der Gesamtströmung während der entsprechenden Periode der Mittelwertbildung von 10 Minuten proportional zu sein. Dies bedeutet, daß eine beliebige Veränderung der Amplitude der Kurvenauslenkungen von einer bestimmten Registrierung zu einer späteren Registrierung die Tendenz besitzt, die Veränderung des Strömungsvolumens pro Minute von der Zeit der ersten Registrierung bis zu der Zeit der zweiten Registrierung darzustellen.

Hingegen sind in den Fig. 10(f) —(h) die Blutströmungsimpulse in der Einrichtung zur Mittelwertbildung für eine feste Anzahl von Impulsen addiert worden, und zwar 560 Impulse für die Fig. 10(f) und die Fig. 10(g), und unter diesen Bedingungen besitzen die Auslenkungen der Kurve die Tendenz, der Gesamtströmung für die entsprechende feste Anzahl von Impulsen proportional zu sein. Dies bedeutet, daß eine beliebige Veränderung der Amplitude der Kurve von einer Aufzeichnung zu einer weiteren Kurve, welche nachfolgend aufgezeichnet wurde, die Tendenz besitzt, die Veränderung des Strömungsvolumens pro Impuls darzustellen, was im allgemeinen als Schlagvolumen bezeichnet wird, und zwar von der Zeit der ersten Aufzeichnung bis zu der Zeit der zweiten Aufzeichnung.

Da es im allgemeinen praktischer ist, für die Vereinfachung des Steuersystems, über eine feste Anzahl von Impulsen zu mitteln, anstatt über eine feste Zeit, wird die erste Alternative normalerweise angewandt. Es ist jedoch möglich, daß sogar in diesem Falle eine Kurve erreicht wird, welche mit derjenigen identisch ist, die erreicht worden wäre, wenn Impulse über eine feste Zeitperiode addiert worden wären, wobei die Auslenkungen dieser Kurve dann dem Strömungsvolumen pro Minute proportional wären.

Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Aufzeichnungsmaßstab der durchschnittlichen Herzrate proportional gewählt wird, d. hu der Anzahl von Herzschlägen pro Minute, und zwar während des Zeitintervalls, über welches gemittelt wird, indem eine geeignete Verstärkung in der Registrierschaltung gewählt wird. In einigen Fällen könnte es sogar vorteilhaft sein, um eine schnelle Diagnose zu erleichtern, die Blutströmungsimpulse auf beiden Skalen aufzuzeichnen, die oben beschrieben wurden, wobei in diesem Fall eine Aufzeichnung die

bo Tendenz besitzt, die Strömung pro Minute anzugeben, während die andere die Tendenz aufweist, das Schlagvolumen darzustellen.

Wo Blockierkondensatoren in den Vorverstärkern und in den Verstärkern verwendet werden, welche das

hi Blutströmungssignal verstärken, wird die .Steuerlogikschaltung 54 bewirken, daß der Vorverstärker 44 während der Stromumkehr lahmgelegt wird, um ein Aufladen der Kondensatoren durch die IJhersanu«: /u

vermeiden, welche während der Umkehr erzeugt werden und um deren Restentladung zu vermeiden, während die Meßintervalle ablaufen.

Nachfolgend wird auf die F i g. 3a bezug genommen, in welcher in größeren Einzelheiten eine Schaltung dargestellt ist, welche als Steuerlogikschaltung 54 verwendet werden kann, um die Arbeitsweise des Systems 24 über den 16-Herzschiag-Zyklus zu steuern, weicher oben beschrieben wurde, und es wird auf die Fig. 7 bezug genommen, weiche Wellenformen verschiedener Signale darstellt, die in der Schaltung der F i g. 3a erzeugt werden. Gemäß der Darstellung in der Fig. 3a sind 4 Flip-Flops 66a, 66b, 66cund 66din Reihe geschaltet und erzeugen die in der F i g. 7 dargestellten Spannungssignale.

Die Fig.7a zeigt die Spannung ΛΌ, welche dem Eingang des Flip-Flops 66a zugeführt wird, wobei diese Spannung eine Reihe von Rechteckimpulsen aufweist, welche dieselbe Frequenz besitzen wie die durch die Elektrode 26a abgetasteten Spitzen R der Elektrokardiogrammsignale und welche von diesen Spitzen abgeleitet sind.

Wie hinreichend bekannt ist, besitzt jedes Spannungssignal, welches durch jedes nachfolgende Flip-Flop in einer Kette erzeugt wird, eine Frequenz, weiche der halben Frequenz der Triggerspannung entspricht, welche an den Eingang des Flip-Flops gelegt ist. Somit beträgt die Spannung X\ (siehe F i g. 7b), welche durch das Flip-Flop 66a erzeugt wird, die Hälfte der Frequenz der Triggerspannung ΑΌ- Die Spannung X2 (siehe Fig.7c), welche durch das Flip-Flop 666 erzeugt wird, besitzt die halbe Frequenz der Triggerspannung X\. Die Spannung Aj (siehe F i g. 7d), welche durch das Flip-Flop 66c erzeugt wird, besitzt die halbe Frequenz der durch die Triggerspannung X2 erzeugten Frequenz. Schließlieh besitzt die Spannung Xi (siehe Fig. 7e), welche durch das Flip-Flop 66d erzeugt wird, die halbe Frequenz der Triggerspannung Λ3.

Das Spannungssignal Xa, wird an den Relais-Verstärker/Treiber 68 geführt, welcher das DPDT-Relais 64 triggert und an den Treiber 70, welcher den Generator 58 triggert.

Das Spannungssignal X^ (siehe F i g. 7b) wird von dem Flip-Flop 66£> und dem Flip-Flop 66cabgeleitet und wird an den Relais-Treiber 72 geführt, welcher das Verzögerungsrelais 62 treibt.

Die Fig. 7(g) zeigt die Stromwellenform, welche an die Spule 56 geführt wird, und zwar durch die Stromquelle 60.

Die Fig. 3(b) zeigt eine weitere Schaltung im Detail, welche als Steuerlogikschaltung 54 verwendet werden kann, um einen Meßzyklus zu erzeugen, welcher sich über 64 Herzschläge erstreckt, worin während jedes Halbzyklus 4 Schläge dazu verwendet werden, um die Stabilisierung des Stromes während der Umkehr zu ermöglichen und 28 Schläge dazu verwendet werden, um das Blutströmungssignal während stetiger Stromzuslände zu messen. Somit werden während jedes Meßzyklus 28 negative und 28 positive Elektrokardiogramm-Komponenten in der Einrichtung zur Mittelwertbildung 52 ausgelöscht, und es werden 56 positive Blulströmungsimpulse auf die Kondensatoren der Einrichtung zur Mittelwertbildung 52 geladen.

Gemäß der Darstellung umfaßt die Steuerlogikschaltung eine Kette von Flip-Flops 78a, 78ö, 78c, 78d, 78e, 78£ weiche in Reihe zusammengeschaltet sind. Das Spannungssignal, welches am Ausgang des Flip-Flops 78/Orzeugt wird, wird dazu verwendet, um das Relais 62 und den Generator 58 mittels der Treiber 80 und 82 zu triggern. Das Spannungssignal, um das Verzögerungsrelais 62 zu triggern, wird von den Flip-Flops 78c, 78c?und 78e abgeleitet, welches über das NAND-Gatter 84 und dem Treiber 88 an das Relais 82 geführt ist.

Die Fig.4 zeigt in schematischer Darstellung eine Schaltung, weiche dazu verwendet werden kann, um als Trapezfunktions- oder Rampengenerator 58 zu dienen. Eine Gleichspannungsquelle wie eine Batterie 90 ist an den DPDT-Schalter 92 geführt, welcher mit dem Operationsverstärker 94 mittels eines einstellbaren Widerstandes 96 verbunden ist, der seinerseits mit der negativen Eingangsklemme des Verstärkers 94 verbunden ist und welcher über Erde an die positive Eingangsklemme desselben geführt ist Ein Kondensator 98 ist zwischen der negativen Eingangs- und Ausgangsklemme des Verstärkers 94 angeordnet Eine Begrenzerschaltung 100 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 94 verbunden.

Im Betrieb wird dann, wenn ein Triggersignal von der Logikschaltung 54 empfangen wird, um den DPDT-Schalter 92 umzukehren, die von der Batterie 90 an den Verstärker 94 geführte Spannung ebenfalls umgekehrt Wenn angenonmen wird, daß die Verstärkung des Verstärkers 94 hoch ist daß seine Eingangsimpedanz hoch ist und daß seine Ausgangsimpedanz gering ist, dann wird die Form der Ausgangsspannung durch die Werte des Widerstandes 96 und des Kondensators 98 nach der folgenden Formel bestimmt:

^aus RC

£c,„ dl-

In dieser Gleichung bedeuten:

R der Wert des Widerstandes 96,

C der Wert des Kondensators 98,

E_c\„ der Wert der Spannung der Batterie 90,

£_aus weist eine Neigung auf, welche durch den Wert

von bestimmt ist.

RC

Wenn somit der Wert des veränderlichen Widerstandes 96 verändert wird, so kann damit die Neigung von F_aus ebenfalls verändert werden.

Die Begrenzerschaltung 100 bestimmt die Spannung, an welcher die Rampe angehalten wird und stellt die stetige Spannung ein, welche an die Stromquelle 60 geführt wird.

Die Fig.5 zeigt in schematischer Darstellung eine Schaltung, welche als Stromquelle 60 verwendet werden kann. Die Funktion der Stromquelle 60 besteht darin, einen konstanten Gleichstrom an die Spule 56 zu liefern, um während derjenigen Periode ein konstantes Magnetfeld zu erzeugen, während welcher die Blutströmung gemessen werden soll. Es ist auch wünschenswert, daß der Strom durch die Spule 56 stabilisiert wird, bevor das Meßintervall beginnt.

Die Stromquelle 60 weist im wesentlichen einen Operationsverstärker 102 in Kaskade mit dem Leistungsverstärker 104 auf, dessen Ausgang mit der Spule 56 verbunden ist. Geeignete Eingangswiderstände 106, 108 und 110 sowie Rückführwiderslände 112 und 114, welche dem Fachmann wohl bekannt sind, sind ebenfalls vorgesehen und werden hier nicht im Detail beschrieben. Gemäß der Darstellung in der Zeichnung ist der

Ausgang des Rampengenerators 58 mit der positiven Eingangsklemme des Verstärkers 102 über den Widerstand 106 verbunden.

Um die Zeit zu beschleunigen, in welcher der Strom durch die Spule 56 einen skiigen Wert erreicht, ist der Widerstand 116 im Ausgangskreis des Verstärkers 104 vorgesehen. Da der Strom, welcher durch die Spule 56 fließt, auch durch den Widerstand 116 fließt, fällt am Widerstand 106 eine negative Spannung ab, welche an den Eingang zurückgeführt ist, um die natürliche Zeitkonstante der Spule 56 wirksam zu vermindern. Somit erreicht der Strom bei der Umkehr seinen stetigen Zustand schneller als der Fall wäre, wenn der Widerstand 116 nicht vorhanden wäre. Die Fig.6 veranschaulicht die Wellenformen der Treiberspannung und des Stromes bei der Umkehr.

Die F i g. 11 zeigt eine Elektrode, welche als Sensorelektrode 26 gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Der Zweck der Elektrode besteht darin, einen maximalen elektrischen Kontakt mit der Haut herzustellen, auf welche sie aufgelegt wird. Die Elektrode 118 umfaßt ein napfförmiges Plastikgehäuse 120, welches auf seiner Innenseite einen metallischen Elektrodenfilm 122 aufweist, welcher mit einer leitenden Paste 124 bedeckt ist. Der Elektrodenfilm 122 ist nichtpolarisierbarer Art, und er kann beispielsweise aus einem Silber-Silber-Chlorid-Gitter bestehen. Der Verbindungsdraht 126 ist an dem Elektrodenfilm 122 angelötet und ist durch das Gehäuse 120 herausgeführt. Die Elektrode kann an der Haut des Patienten durch einen geeigneten Klebstoff 128 befestigt sein, welcher auf den Boden des Gehäuses 120 aufgetragen werden kann.

Die leitende Paste 124 schmilzt in Unregelmäßigkeiten der Haut hinein und liefert einen maximalen Kontakt zwischen der Haut und dem Elektrodenfilm 122.

Die Fig. 12 veranschaulicht in schematischer Weise die optimale Anordnung der Elektroden 26 in bezug auf die in der Messung befindliche Arterie. Im Idealfall verläuft das Magnetfeld Bsenkrecht zur Haut und ist im Bereich der Arterie homogen. Die ideale Stelle P, an welcher eine der Elektroden angeordnet sein sollte, ist der Punkt oberhalb der Arterie, wo die induzierte elektrische Spannung ein Maximum oder ein Minimum ist. Dieser Punkt kann in folgender Weise abgeleitet werden: Die Spannung V» am Punkt P auf der Hautoberfläche ist durch die folgende Formel gegeben:

2A'

In dieser Formel bedeuten:

B die magnetische Feldstärke in Weber pro Quadratmeter,

V_x die Spannung am Punkt Pm Volt,

Q die Blutströmung in der Arterie in Kubikmetern pro Sekunde,

σ 1 die elektrische Leitfähigkeit des Blutes,

ο 2 die elektrische Leitfähigkeit des Gewebes,

Vj die Strömungsgeschwindigkeit an der Arterienwand in Meiern pro Sekunde, welche aufgrund der laminaren Strömungsbedingungen bekanntlich sehr nahe bei Null liegt,

X die Entfernung auf der Haut vom Punkt P zu einer Linie, welche durch die Mitte der Arterie geht, und zwar in Metern.

Die Formel zeigt, daß maximale und minimale Spannungen an zwei Punkten auf jeder Seite der Arterie auftreten, und zwar dort, wo X=SgWt. Somit können in optimaler Weise die Elektroden 26 an diesen Punkten angeordnet sein, um das größte Blutströmungssignal zu erreichen.

Obwohl es wünschenswert ist, daß der Patient während der Blutströmungsmessung in einer bestimmten Stellung bleibt, kann dies nicht immer erreicht

ίο werden, und es besteht besonders bei der Messung der Blutströmung in den Halsschlagadern eine Wahrscheinlichkeit, daß der Patient während des Meßzyklus seinen Kopf bewegt. Diese Bewegung ändert die Orientierung des Blutgefäßes im Magnetfeld, so daß die Stärke des von den Elektroden aufgenommenen Signals sich ändert.

Die Fig. 13 zeigt in vereinfachter Form einer Schaltung, welche dazu verwendet werden kann, um die Verstärkung des Meßsystems in Reaktion auf geringe Stellungsänderungen des Patienten zu verändern. Eine Aufnahmespule 130 ist zwischen den Elektroden 26 auf die Haut aufgelegt.

Um zu gewährleisten, daß das durch die Einrichtung zur Mittelwertbildung 132 gelieferte Blutströmungssignal auf einem konstanten Pegel gehalten wird, und zwar auch dann, wenn Stellungsänderungen der Arterie und der Haut im Magnetfeld auftreten, ist ein Spannungsteilernetzwerk vorgesehen, welches eine Fotozelle 134 und einen Widerstand 536 aufweist und mit dem Eingang der Einrichtung zur Mittelwertbildung verbunden ist. Die Zelle 134 ist innerhalb des Gehäuses 138 mit einem Kolben 140 umgeben. Die Spule 130 ist mit dem Faden des Kolbens 140 mittels des Verstärkers 142 und des Integrators 144 verbunden.

Ein Blutströmungssignalpfad ist von den Elektroden 26 zu der Einrichtung zur Mittelwertbildung 132 über den Verstärker 146 und den variablen Widerstand der Zelle 134 gebildet.

Wenn im Betrieb eine Änderung der Stellung des Patienten auftritt, wird die Spule 130 im Magnetfeld

bewegt und es wird eine EMK -p in der Spule 130 induziert. Diese EMK wird durch den Verstärker 142 verstärkt und im Integrator 144 integriert, um eine zur Stellung proportionale Spannung zu erzeugen. Diese Spannung wird an den Faden der Röhre 140 geführt und steuert deren Helligkeit, welche ihrerseits den Widerstand der Fotozelle in dem Spannungsteilernetzwerk bestimmt. Auf diese Art wird dann, wenn das von der

so Strömung induzierte Signal, welches durch die Elektroden 26 aufgenommen wird, schwach ist, die Verstärkung der Schaltung angehoben und dann, wenn dieses Signal stark ist, wird die Verstärkung vermindert, so daß das an die Einrichtung zur Mittelwertbildung 132 geführte Signal eine konstante Stärke behält.

Da es im allgemeinen nur erforderlich ist, die Blutströmung in einer beliebigen vorgegebenen Arterie alle 20 bis 30 Minuten zu überwachen und da das Meßintervall des oben beschriebenen Slrömungsmeßgerätes nur 5 oder 10 Minuten betragen kann und reduziert werden kann, wenn das magnetische Feld angehoben wird, ist es möglich, dieselbe Einrichtung zur Mittelwertbildung und dasselbe Anzeigesystem für die sequentielle Überwachung des Blutstromes in verschiedenen Gefäßen einzusetzen. In einem solchen Fall muß ein Elektrodenpaar für jede zu untersuchende Arterie vorgesehen sein und es muß eine Einrichtung vorhanden sein, um den Eingang des Verstärkers 44 von einem

Elektrodenpaar zum nächsten weiterzuschalten, zwar nach einem Meßprogramm.

Der oben beschriebene Elektromagnet 18 zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes im Bereich der gemessenen Arterie umfaßt eine elektrische Spule, worin ein stabiler Strom während aller Meßperioden aufrechterhalten wird. Es können jedoch auch andere Einrichtungen zur Erzeugung eines stabilen und homogenen Magnetfeldes verwendet werden, um in dem System in ähnlicher Weise zu arbeiten wie der Elektromagnet 18.

Insbesondere kann gemäß der Darstellung in der F i g. 14 ein elektrisch reversibler Permanentmagnet 148 verwendet werden, welcher eine Spule aus Drahtwin-

gebotener Vorteil ist die Verminderung des Spulenleistungsverbrauchs und folglich ein verminderter Wärmeverbrauch, welcher daher rührt, daß nur während eines geringen Teils des Meßzyklus ein Erregerstrom angewandt wird, beispielsweise während 4 Sekunden in 1 Minute. Außerdem wird durch den Elektromagneten 148 ein stabiles Magnetfeld erzeugt, nachdem der Erregerstrom abgeschaltet ist Deshalb sind keine Stabilisationsschaltungen erforderlich, wie sie anderenfalls verwendet wurden, wenn ein Elektromagnet verwendet würde, der einen Weicheisenkern aufweist, an weichen während des gesamten Meßzyklus ein Erregerstrom geführt ist
Gemäß der Darstellung in der Fig. 15 kann ein

düngen 150 auf einem permanentmagnetisierbaren 15 weiterer Typ einer Permanentmagneteneinrichtung 162

Kern 152 aus magnetischem Material aufweist. Der magnetische Kern 152 kann aus einer beliebigen Legierung hergestellt sein, weLhe dazu in der Lage ist, eine ausreichende permanente Magnetisierung zu halten und bei welcher die Umkehrung der Magnetisierung nicht zu schwierig ist Eine solche Legierung ist beispielsweise Alnico No. 5.

Ein durch die Messung und das Steuersystem 154 erzeugter Gleichstromimpuls wird an die Spule 150 über

verwendet werden, welche dazu benutzt werden kann, ein stabiles und homogenes Magnetfeld im Bereich der in der Messung befindlichen Arterie zu erzeugen. Hier wird ein Permanentmagnet 164 verwendet, welcher 20 mechanisch verlagert wird, nachdem eine feste Anzahl von Blutströmungsimpulsen gemessen und gemittelt ist, um ein magnetisches Feld entgegengesetzter Polarität im Bereich der Arterie zu liefern, wobei ein solches Magnetfeld angewandt wird, während eine gleiche die Leitung 156 geführt, um den Kern 152 mit einer 25 Anzahl von Impulsen gemessen und in der Einrichtung Magnetisierung vorgegebener Polarität zu sättigen. Der zur Mittelwertbildung addiert werden. Der Permanent-

Strom muß nicht von langer Dauer sein, wobei eine oder zwei Sekunden ausreichend sind, jedoch ist es vorzuziehen, den Wert des Stromes langsam genug ansteigen zu lassen, um die Erzeugung unerwünschter Wellen von Wirbelströmen in dem menschlichen Körper zu vermeiden.

Nachdem der Magnetisierungsstrom abgeschaltet ist, behält der Kern 152 eine stabile Magnetisierung, und die gewünschte Anzahl von Blutströmungszyklen kann gemessen werden. Wenn dies ausgeführt ist, wird die Meßschaltung lahmgelegt, und es wird ein neuer Gleichstromimpuls mit entgegengesetzter Polarität zu der vorher verwendeten an di« Spule 150 angelegt, um den Kern 152 zu entmagnetisieren und um ihn mit entgegengesetzter Polarität erneut zu magnetisieren, wonach die Meßschaltung umgepolt wird und reaktiviert wird und eine neue Reihe von Blutströmungszyklen gemessen werden. Auf diese Weise bildet der reversible Permanentmagnet 152 ein stabiles und ausreichend homogenes Magnetfeld im Bereich der in der Messung befindlichen Arterie. Die Polarität dieses Magnetfeldes wird periodisch umgeschaltet, nachdem eine vorgegebene Anzahl von Blutströmungszyklen gemessen sind.

Der Elektromagnet 148 weist ein Paar von Polteilen auf, welche-in der Form von Weicheisenplatten 158 und 160 an den jeweiligen Enden des Magnetkernes 152 angebracht sind. Die Platten 158 und 160 bewirken eine magnet 164 ist drehbar auf einer Welle 166 angebracht welche auf Lagern 168 und 170 getragen ist Die Welle 166 wird nach Bedarf durch den Motor 172 über ein Untersetzungsgetriebesystem 174 angetrieben. Der Motor 172 wird durch Schaltungen innerhalb des Meß- und Steuersystems 176 aktiviert Der Magnet 164 und seine Antriebsteile sind auf einem starren Rahmen 178 angebracht, welcher in einer festen Stellung in bezug auf die Arterie befestigt ist, in welcher die Blutströmung zu messen ist.

Ein Hilfspolteil wie die Weicheisenplatte 180, welche in der Fig. 15 dargestellt ist, liefert eine erwünschte Magnetfeldverteilung im Bereich der in der Messung befindlichen Arterie. Die Platte 180 ist starr in bezug auf die Drehachse des Magneten 164 angeordnet, während ein schmaler Spalt 181 zwischen der Platte 180 und dem Magneten 164 gelassen ist. Die Platte 180 ist neben dem menschlichen Körper angeordnet, wo sich die in der Untersuchung befindliche Arterie befindet, so daß dadurch in stabiler Weise der Magnet 164 in bezug auf den Körper angeordnet ist und ein im wesentlichen konstantes Magnetfeld im Bereich der Arterie aufrechterhält, indem die Bewegung des Körpers in bezug auf die Magneteinrichtung 162 auf einem Minimum gehalten wird.

Nachdem eine Anzahl von Zyklen mit dem Magneten 164 in der in der Fig. 15 dargestellten Stellung gemessen sind, wobei der Nordpol 182 nach oben und

Magnetfeldverteilung, welche derjenigen sehr ähnlich 55 der Südpol 184 nach unten weisen, wird der Magnet um

ist, die durch die Spulen erzeugt wird, welche etwa denselben Durchmesser besitzen wie die Endplatten.

Der Erregerstrom kann von einer Speicherbatterie erhalten werden, und zwar mittels eines geeigneten Relaissystems. In alternativer Weise kann die Polarität der Magnetisierung umgekehrt werden, indem die Spule 150 aus einer (nicht dargestellten) Batterie von Kondensatoren gespeist wird, welche während der Zeit aufgeladen werden, während der kein Strom an die Spule 150 geführt ist und in der Spule während kurzer Zeitdauern entladen werden, wenn das Magnetfeld umgekehrt wird.

Ein durch den reversiblen Permanentmagneten 148 180 Grad gedreht, und zwar durch die Welle 166, indem der Motor 172 und das System 176 in Funktion treten. Wie bei der Verwendung des Elektromagneten 148, welcher in der Fig. 14 dargestellt ist, ist es wünschenswert, das Magnetfeld nicht zu schnell zu ändern, um die Erzeugung von Wirbelströmen im Körper zu vermeiden. Deshalb dauert eine halbe Umdrehung des Magneten 164 zwischen einigen Sekunden oder etwa 10 Sekunden, was von den Bedingungen abhängt.

b^r> Nachdem der Magnet 162 umgekehrt ist, während die Mcßschnttung lahmgelegt wurde, wird eine gleiche Anzahl von Zyklen mit der neuen Polarität gemessen, um die kiiinulicrle Wirkung des lokalen Kardiogramms

auszulöschen, während das Blutströmungssignal in der Einrichtung zur Mittelwertbildung 52 addiert wird.

Es kann bei Meßsituationen, in welchen die in der Untersuchung befindliche Arterie nahe an einer verhältnismäßig größeren Arterie gelegen ist, welche einen wesentlich größeren Durchfluß besitzt, die durch die Blutströmung in der größeren Arterie erzeugte Spannung eine unerwünschte Komponente zu dem Signal beitragen, welches zwischen den Meßelektroden erzeugt wird. Eine solche unerwünsschte Blutströmungskomponente wird durch den Mittelwertbildungsprozeß nicht eliminiert, da sie zu den gewünschten Blutströrnungssignalen synchron ist Diese Situation läßt sich verbessern, wenn die zwei Meßelektroden, welche nicht dargeste>It sind, in der Nähe und auf gegenüberliegenden Seiten der Arterie eingefügt werden, anstatt auf die Hautoberfläche und weiter entfernt aufgelegt werden, wie es oben in Verbindung mit den F i g. 11 und 12 beschrieben ist Da die über die Arterie von der Blutströmung erzeugte Spannung im allgemeinen 5- oder sogar lOmal größer ist als diejenige Spannung, welche durch die Hautelektroden aufgenommen werden kann, wird die Abtasteinrichtung verhältnismäßig empfindlicher für die Blutströmung. Außerdem werden die eingesetzten Elektroden, welche sehr nahe an der gemessenen Arterie angeordnet werden können, auf einem geringeren Abstand voneinander gehalten, als es bei ordnungsgemäß angeordneten Hautelektroden der Fall sein würde, so daß die Abtasteinrichtung gegen unerwünschte Signale weniger empfindlich wird. Die eingesetzten Elektroden können Injektionselek.roden sein, wie sie beispielsweise die subkutanen Elektroden darstellen, die von der Siemens AG unter der Bezeichnung »Subtroden« vertrieben werden, welche keinen chirurgischen Eingriff erfordern, sondern statt dessen einfach in Form einer Injektionsspritze eingeführt werden.

Eine andere Technik zur Verminderung des Beitrages unerwünschter Blutströmungssignale von einer größeren Arterie, welche in der Nähe der in der Messung befindlichen Arterie angeordnet ist, besteht darin, eine Kombination von Elektromagneten oder von reversiblen Permanentmagneten zu verwenden, welche so ausgebildet sind, daß an der größeren Arterie ein Magnetfeld erzeugt wird, welches wesentlich schwächer ist als dasjenige, welches an der in der Messung befindlichen Arterie erzeugt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß, obwohl der in bezug auf die Erfindung beschriebene elektromagnetische Strömungsmesser insbesondere zur Verwendung in nichtinvasiven Blutströmungsmessungen besonders vorteilhaft ist, ein solcher elektromagnetischer Strömungsmesser auch zur Anwendung in solchen Fällen ausgebildet sein kann, in welchen es erforderlich ist, die Elektroden durch Operation einzusetzen, beispielsweise dann, wenn die Blutströmung in tieferen Gefäßen gemessen werden soll. In solchen Fällen sind die Vorteile des beschriebenen Verfahrens noch beträchtlich, wobei einer der Vorteile darin besteht, daß das Magnetfeld durch äußere Einrichtungen erzeugt wird und folglich keine Wärme in den Geweben um das Gefäß herum erzeugt wird.

Obwohl der erfindungsgemäße Strömungsmesser insbesondere in Verbindung mit einer analogen Einrichtung zur Mittelwertbildung beschrieben wurde, kann auch ein Analog-Digital-Wandler in Verbindung iiiit einer digitalen Einrichtung zur Mittelwertbildung oder einem digitalen Rechner verwendet werden, welcher durch das Bezugs-Elektrokardiogramm in geeigneter Weise synchronisiert ist. Weiterhin ist zu bemerken, daß, obwohl gemäß der obigen Beschreibung der erfindungsgemäße elektromagnetische Strömungsmesser ein stabiles und homogenes Magnetfeld erzeugt, welches in seiner Polarität umgekehrt wird, nachdem eine vorgegebene Anzahl von Herzzyklen abgelaufen ist, eine alternative Lösung darin besteht, das Magnetfeld zu unterdrücken, anstatt umzukehren, wenn die Polarität der elektrischen Meßschaltung umgekehrt wird. Wenn die Technik der Unterdrückung des Magnetfeldes angewandt wird, kann ein größerer Magnet verwendet werden, welcher beispielsweise die doppelte Magnetfeldstärke liefert, wobei im wesentlichen derselbe Rauschabstand geliefert wird, wie in dem Fall, in welchem die Magnetfeldpolarität umgekehrt wird. Anstatt die Magnetfeldstärke zu verdoppeln, kann die Einrichtung zur Mittelwertbildung die Blutströmungsimpulse über eine größere Anzahl von Impulsen mitteln, beispielsweise für die vierfache Anzahl, bevor das Magnetfeld unterdrückt wird. Auf diese Weise erzeugt der Betrieb der Unterdrückung des Magnetfeldes und der Vervierfachung der Aufnahmezeit im wesentlichen denselben Rauschabstand, wie er anderenfalls vorhanden wäre, und zwar in demjenigen Falle, in welchem die Magnetfeldpolarität umgekehrt wird, anstatt sie zu unterdrücken. Im allgemeinen ist die Technik der Umkehr des Magnetfeldes den obenbeschriebenen Verfahren vorzuziehen, bei weichen das Magnetfeld unterdrückt wird, da die letzteren Verfahren entweder eine Quelle größerer Magnetfeldstärke erfordern oder in alternativer Weise eine längere so Zeitperiode zur Mittelwertbildung benötigen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Elektromagnetischer Strömungsmesser zur Messung des Blutströmungspulses in einem Blutge- '■> faß eines Lebewesens, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Abtasteinrichtung vorgesehen ist, welche auf die Haut des Wesens an einer Stelle aufgebracht werden kann, an welcher ein starker und scharfer Kardiogramm-Impuls reproduzierbar erhalten werden kann, welcher als Synchronisiersignal und als Takt verwendet werden kann, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, um ein starkes und homogenes Magnetfeld im Bereich des Gefäßes zu erzeugen, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen isi, um das Magnetfeld nach einer vorgegebenen Anzahl von Herz^yklen gemäß einem durch das Synchronisiersigna! gesteuerten Programm umzukehren, daß weiterhin eine zweite Abtasteinrichtung vorgesehen ist, welche so ausgebildet ist, daß sie auf die Haut oder in das Gewebe des Wesens an einer Stelle neben dem Gefäß angeordnet werden kann, daß weiterhin eine Verstärkereinrichtung vorgesehen ist, um das von der zweiten Abtasteinrichtung abgetastete Signal zu verstärken, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Verstärkereinrichtung lahmzulegen und deren Ausgang während der Umkehr des Magnetfeldes ebenfalls umzukehren und daß eine Einrichtung vorhanden ist, welche durch das Synchronisiersignal synchronisiert ist, um das durch die zweite Abtasteinrichtung während aufeinander folgender Herzzyklen abgetastete pulsierende Signal derart zu mitteln, daß die Wiederholungswellenform der Blutströmungsimpulse von dem Zufallsrauschen abgetrennt wird, in welchem es anderenfalls eingebettet ist.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abtasteinrichtung ein Paar von Elektroden aufweist.
3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Feldes einen Elektromagneten aufweist, welcher wenigstens eine Spule von ausreichender Größe besitzt, welche genügend Drahlwindungen hat, um ein starkes und homogenes Magnetfeld zu erzeugen.
4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichstromquelle vorgesehen ist, um der einen wenigstens vorhandenen w Spule Gleichstrom zuzuführen.
5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Umkehr des Magnetfeldes eine Einrichtung aufweist, um die Polarität des Gleichstromes umzukehren, welcher der einen wenigstens vorhandenen Spule zugeführt wird, und zwar in wiederholter Weise nach einer gegebenen Anzahl von Herzfcyklen gemäß dem durch das Synchronisiersignal gesteuerten Programm.
6. Strömungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Lahmlegen die Verslärkereinrichlung lahmlegt und ihren Ausgang umkehrt, während der Gleichstrom umgekehrt wird, welcher der einen wenigstens Vorhände- b5 nen Spule zugeführt wird.
7. Strömungsmesser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filiereinrichtung vorgesehen ist, um die Gleichstrom-Ungleichgewichtskomponente der zweiten Abtasteinrichtung zu eliminieren und um das Hochfrequenzrauschen aus dem dadurch abgetasteten Signal zu eliminieren.
8. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abtasteinrichtung ein zweites Paar von Elektroden aufweist, welches so ausgebildet ist, daß es auf die Haut neben dem untersuchten Blutgefäß aufgelegt werden kann.
9. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Mittelwertbildung eine analoge Einrichtung ist.
10. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Mittelwertbildung eine digitale Einrichtung ist.
11. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erdelektrodeneinrichtung vorhanden ist, welche so ausgebildet ist, daß sie auf die Haut des Wesens von den ersten und zweiten Abtasteinrichtungen entfernt aufgebracht werden kann und mit der Verstärkereinrichtung verbunden ist.
12. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um das an die Einrichtung zur Mittelwertbildung gelieferte Signal auch dann im wesentlichen konstant zu halten, wenn mäßige Vtränderungen der S'ellung des Wesens in dem Magnetfeld auftreten.
13. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Abtasteinrichtungen in die Gewebe auf gegenüberliegenden Seiten und in der Nähe von dem Gefäß eingesetzt sind.
14. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Paar von Elektroden in die Gewebe eingesetzt ist, wobei die Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten von und in der Nähe von dem Gefäß angeordnet sind.
15. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines stabilen und homogenen Magnetfeldes im Bereich des Gefäßes so angeordnet ist, daß im Bereich des größeren Gefäßes ein wesentlich schwächeres Magnetfeld erzeugt wird, welches anderenfalls eine unerwünschte Komponente zu dem Blutströmungssignal liefern könnte.
16. Strömungsmesser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes einen Permanentmagneten aufweist, welcher das homogene Magnetfeld im Bereich des Gefäßes erzeugt, daß der Permanentmagnet mit einer Magnetisierungsspule ausgestattet ist, durch welche ein Gleichstromimpuls kurzer Dauer hindurchgeführt wird, welcher dazu angewandt wird, um die Polarität des Permanentmagneten umzupolen, wodurch die Polarität des Magnetfeldes nach einer vorgegebenen Anzahl von Herzzyklen umgekehrt wird, und zwar in Übereinstimmung mit dem Synchronisiersignal.
17. Strömungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichstrom-Impulsquelle zur Umkehr der Magnetisierung der Spule vorgesehen ist.
18. Strömungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Polteilen vorgesehen ist, welche an den jeweiligen Enden des Permanentmagneten angeordnet sind.
19. Strömungsmesser nach Anspruch I, dadurch

gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes einen Permanentmagneten aufweist, welcher neben dem menschlichen Körper angebracht ist und daß die Einrichtung zur Umkehr des Magnetfeldes eine Einrichtung aufweist, um den Permanentmagneten von einer ersten Stellung im Raum in eine zweite Stellung zu bewegen.
20. Strömungsmesser nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet durch einen Motor angetrieben ist, welcher gernäß dem Synchronisiersignal gesteuert ist.
21. Strömungsmesser nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polteil vorgesehen ist, welches aus einem hochpermeablen Material besteht und in einer festen Stellung in der Nähe des in der Untersuchung befindlichen Gefäßes angeordnet ist und daß dieses Polteil neben dem Permanentmagneten in einer Stellung angeordnet ist, welche während der Meßperioden einen schmalen Spalt zwischen dem Ende des Polteils und dem Permanentmagneten läßt
22. Strömungsmesser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Polteil aus Weicheisen hergestellt ist.
23. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche auf die Einrichtung zur Mittelwertbildung anspricht, um die Aufzeichnung der gemittelten Blutströmungsimpulse in einem Maßstab zu ermöglichen, welcher die Auslenkung zu einer Funktion des Schlagvolumens werden läßt.
24. Strömungsmesser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche auf die Einrichtung zur Mittelwertbildung anspricht, um den Aufzeichnungsmaßstab automatisch zu ändern, und zwar als Funktion der durchschnittlichen Herzrate während der Mittelwertbildungsperiode, um die Auslenkung der Blutströmungsirr.pulse nicht nur eine Funktion des Schlagvolumens werden zu lassen, sondern auch der Herzrate, so daß dadurch das Volumen der Strömung pro Minute wiedergegeben wird.
25. Strömungsmesser zur Messung des Blutslrömungspulses in einem Blutgefäß eines Lebewesens, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Paar von Elektroden vorgesehen ist, welche so angeordnet sind, daß sie auf die Haut des Wesens an einer Stelle angeordnet werden, an welcher ein starker und scharfer Kardiogramm-Impuls wiederholt erhalten werden kann, um als Synchronisiersignal und als Takt verwendet zu werden, daß ein Elektromagnet wenigstens eine Spule von ausreichender Größe besitzt, welche eine ausreichende Anzahl von Drahtwindungen aufweist, um für die Erzeugung eines stabilen und homogenen Magnetfeldes im Bereich des in der Untersuchung befindlichen Blutgefäßes geeignet zu sein, daß weiterhin eine Gleichstromquelle vorgesehen ist, um der einen wenigstens vorhandenen Spule des Elektromagneten Gleichstrom zuzuführen, daß weiterhin eine bO Einrichtung vorgesehen ' . .im die Polarität des Gleichstromes nach einer vorgegebenen Anzahl von Herzzyklen in Übereinstimmung mit einem durch das Synchronisiersignal gesteuerten Programm umzukehren, daß weiterhin ein zweites Paar von e>i Elektroden vorgesehen ist, welche so ausgebildet sind, daß sie auf die Haut oder in das Gewebe des Wesens neben dem Blutgefäß angeordnet werden können, daß weiterhin ein Verstärker vorgesehen ist, um das Signal zu verstärken, welches zwischen dem zweiten Paar von Elektroden auftritt, daß weiterhin eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, um die Gleichstrom-Ungleichgewichtskomponente des zweiten Paares von Elektroden zu eliminieren und um das Hochfrequenzrauschen von dem dadurch abgetasteten Signal zu eliminieren, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, um den Verstärker lahmzulegen und um seinen Ausgang während der Stromumkehr ebenfalls umzukehren und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, weiche durch das Synchronisiersignal synchronisiert wird, um das zwischen dem zweiten Paar von Elektroden während aufeinander folgender Herzzyklen gemessene pulsierende Signal derart zu mitteln, daß die Wiederholungswellenform der Blutströmungsimpulse aus dem starken Zufallsrauschen extrahiert wird, in welchem sie andernfalls eingebettet wäre.
?6. Strömungsmesser nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Mittelwertbildung eine analoge Einrichtung ist.
27. Strömungsmesser nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Mittelwertbildung eine digitale Einrichtung ist.
28. Strömungsmesser zur Messung des Blutströmungspulses in einem Blutgefäß eines Lebewesens, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Abtasteinrichtung vorgesehen ist, welche so angeordnet ist, daß sie elektrische Kardiogramm-Impulse zur Verwendung als Synchronisiersignal und als Taktsignal liefert, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, um ein stabiles und homogenes Magnetfeld im Bereich des Blutgefäßes zu erzeugen, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, welche auf die erste Abtasteinrichtung anspricht, um die Polarität des Magnetfeldes nach einer vorgegebenen Anzahl von Kardiogramm-Impulsen umzukehren,

daß weiterhin eine zweite Einrichtung vorgesehen ist, weiche so ausgebildet ist, um neben dem Blutgefäß zur Abtastung der Blutströmung durch dieses Gefäß angeordnet zu werden und um elektrische Signale zu erzeugen, welche die Blutströmung zur Messung in einem Meßkreis anzeigen, daß weiterhin eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Polarität der Meßschaltung umzukehren, welche an die zweite Abtasteinrichtung angeschlossen ist, wenn die Polarität des Magnetfeldes umgekehrt wird und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche durch das Synchronisiersignal synchronisiert ist, um eine gleiche Anzahl von Impulsen zu mitteln, welche durch die zweite Abtasteinrichtung bei jeder Polarität des Magnetfeldes und der Meßschallung abgetastet wurde, wodurch die Wiederholungswellenform des Blutströmungspulses aus dem Zufallsrauschen extrahiert wird und die Herzsignale durch die zweite Abtasteinrichtung aufgenommen werden.