DE2145401A1

DE2145401A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Strömung

Info

Publication number: DE2145401A1
Application number: DE19712145401
Authority: DE
Inventors: Charles Dean Prof Dr Bottmingen Ray (Schweiz) GOlfll 18
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 1970-10-01
Filing date: 1971-09-10
Publication date: 1972-04-06
Also published as: CH530004A; NL7112619A; FR2110905A5; GB1290130A; DD94917A5

Description

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F. Hoffinann-La Roche & Co. Aktiengesellschaft, Basel/Schweiz Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Strömung

uj⁽- Erfindung betrifft ein Nachweis- und Messverfahren mitteln Markiorungssubstanzen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, für zahlreiche Nachweis- oder Messzwecke Markierungssubstanzen einzusetzen. Eine Markierung eines Stoffes mit einer normalerweise nicht in ihm enthaltenen Substanz ist immer dann von Vorteil, wenn der Stoff selbst nicht oder nur vergleichsweise schwer nachweisbar oder messbar ist, oder wenn ein bestimmter Volumenteil eines Stoffes individualisiert werden soll. Zur Markierung werden in der Regel Substanzen verwendet, die zuverlässig und eindeutig nachweisbar sind. Weiter 1st es günstig, wenn der Nachweis mit geringem apparativem Aufwand möglich ist und wenn die Einbringung der Markierungssubstanz keine Störung bewirkt.

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Diese Voraussetzungen sind aber bei bekannten Markierungsmethoden meist nur unvollständig erfüllt. Radioaktive Indikatoren beispielsweise, die wegen der Zuverlässigkeit des Nachweises häufig eingesetzt werden, erfordern relativ aufwendige Messapparaturen und umfangreiche oicherheitsvorkehrun^en gegen Strahlenschäden. In der Biologie, in deren Bereich Messverfahren mit Markierungssubstanzen häufig angewendet werden, ist der Einsatz von radioaktiven Isotopen zur Markierung wegen des Strahlenrisikos besonders problematisch. Dazu kommt, dass die Einbringung dieser , wie auch der

meisten anderen bekannten Markierungssubstanzen, für Messungen im Bereich des Blutkreislaufsystems durch Injektion erfolgt; auch damit ist, besonders bei direkten arteriellen Injektionen, eine gewisse Gefahr verbunden.

Solche und ähnliche Nachteile mussten bisher häufig in Kauf genommen werden, wenn auf Nachweis- und Messverfahren mittels Markierungssubstanzen nicht ganz verzichtet werden sollte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren bereitzustellen, dem die genannten und weitere Nachteile nicht anhaften, das also vor allem geringen apparativen Aufwand erfordert und im Falle von biologischen Messungen risikofrei ist.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in einen durch eine Wand begrenzten Stoff eine Markierungssubsta:i.': eingebracht wird, für welche die Wand durchlässig ist, dass von aussen eine auf einem bestimmten Potential liegende Elektrode an die Wand angelegt wird und dass ein von der Markierungssubstanz an der Elektrodenoberfläche hervorgerufener Strom erfasst wird. Dabei ermöglicht die Wahl des Elektrodenpotentials eine Selektivität bezüglich der Markierungssubstanz.

Die Vorrichtung sur Durchführung dieses Verfahrens enthält eine Einrichtung zum Einbringen einer Markierungssubstanz in einen Stoff und eine mit einer Messeinrichtung und einer Spannungsquelle verbundene Elektrode, an deren Oberfläche die ·

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Markierungccubntanz einen i>trom hervorruft.

Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen AusführungsbeLspiele der Erfindung erläutert. Es zeigen
Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Anordnung zum

Nachweis einer Markierungssubstanz nach der Erfindung. Fig. 2 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anordnung zur Messung der Strömung einer Flüssigkeit

in einem Gefäss.
Fig. 3 Eine schematische Darstellung einer Anordnung zur erfindungsgemässen Messung der Strömung im menschlichen

Blutkreislauf.
Fig. 4 Eine mit einer erfindungsgemässen Anordnung aufgenommene Kurve des Verlaufs des Elektrodenstromes.

Für ein erstes Ausführungsbeispiel wurde der Einfachheithalber für den zu markierenden Stoff 10 Wasser und für die Flur- Y i erun^ssubstanz 11 Wasserstoff (H₀) gewählt. Der Stoff 10 befindet sich zunächst allein auf der einen Seite einer Wand ]?, bei spieleweise in einem Behälter. Die Wand 12 besteht mindestens an der Stelle, an der die Messung vorgenommen werden soll aus einer Membran, die für Wasser undurchlässig, für H₂ jedoch durchlässig ist, beispielsweise aus Teflon. Auf der anderen Seite wird die Wand 12 von einer Platinelektrode 13 berührt, rl ie über einer Spannungsquelle 14 auf einem bestimmten Potential gegenüber einer Referenzelektrode (= indifferente Gegenelektrode) 20 liegt. Zwischen die Elektrode 13 und die Spannungsquelle 14 ist ein Strommessgerät 15 eingeschaltet, das zunächst keinen Strom anzeigt. Wird nun in den Stoff 10 eine Markierungssubstanz 13, d.h. in das Wasser Hp, eingebracht, so zeigt nach einer bestimmten Transport- bzw. Diffusionszeit das Messgerät 15 einen Strom an. Die Transport- bzw. Diffusionszeit hängt einerseits von der Entfernung zwischen dem Ort an dem TL in duo Wasser eingebracht wird und dem Messort,sowie von den im Wasser vorhandenen Konvektions- oder Ströraungsbedingungen und andererseits von der

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Dicke der Membran ab. Diese Abhängigkeit kann, wie Mn der Fig. 2 gezeigt wird, zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ausgenützt werden.

In einer Rohrleitung 16 strömt Wässer 10 mit einer Geschwindigkeit, die nach dem erfindungsgernässen Verfahren bestimmt werden soll. Die Rohrleitung 16 weist im Abstand voneinander zwei Fenster 17, 19 auf, die mit einer Teflon-Membran 18, 21 verschlossen sind. Das erste Fenster 17 dient zur Einbringung der Markierungssubstanz 11 (Hp), das zweite, stromabwärts vom | ersten gelegene Fenster 19 zur Messung. Eine Leitung ?2 führt von einer Wasserstoff-Flasche über ein Ventil 25 zur Oberfläche der Membran 18. Auf der äusseren Oberfläche der Membran 21 liegt eine Platinelektrode 13 auf, die mit einer Spannungsquelle 14 verbunden ist. Ausserdem ist die Elektrode 13 über einen Verstärker 24 mit einem Schreiber 25 verbunden. Der Papiervortrieb des Schreibers 25 ist mit der Ventilsteuerung 26 verbunden, die ihrerseits die Stellung des Ventils 23 betätigt.

Zur Messung wird, beispielsweise manuell, über die Ventilsteuerung 26 das Ventil 23 geöffnet, so dass Wasserstoff 11 z,ur Membran 18 gelangt. Gleichzeitig mit der Oeffnung des Ventils ψ 26 wird der Papiervorschub im Schreiber 25 eingeschaltet. IXarch die Membran hindurch diffundiert der Wasserstoff in den Innenraum des Rohrs 16 und wird von strömendem Wasser 10 mitgeführt. Ein Teil des in der Strömung an der Membran 21 ankommenden Hp diffundiert durch diese wieder aus dem strömenden Wasser nach aussen. Beim Auftreffen des Wasserstoffs auf der Elektrode 13 wird in einer Elektrodenreaktion ein Strom erzeugt, der nach Verstärkung im Verstärker 24 vom Schreiber 25 registriert wird.

Vom Schreiber 25 wird die in Fig. 4 gezeigte Kurve aufgezeichnet. Für diese Kurve ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate der Strom i aufgetragen. Die Strora-

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stärke ist der Wasserstoffkonzentration im Bereich der Elektrodenoberfläche proportional. Zum Zeitpunkt T wurde der Schreiber gleichzeitig mit dem Beginn des Wasserstoffeinlasses gestartet, während im Zeitpunkt T-, der erste Wasserstoff an der Elektrode 13 anlangt. Die Zeit T₁ - T setzt sich

aus den Diffusionszeiten durch die Membranen 18 und ?J und der Transportzeit von Fenster 17 zum Fenster 19. Tn vielen Fällen, in denen die Diffusionszeiten gegenüber den Transportzeiten sehr klein sind, kann die Strömungsgeschwindigkeit uus der Entfernung zwischen den Fenstern 17 und 19 und der

Zeit T_n-T leicht berechnet werden.
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Entsprechend können auch die Strömungsbedingungen in verzweigten Flüssigkeitsleitungen untersucht werden. Ein Vergleich der Strömungsbedingungen in zwei Leitungsstücken hinter einer Verzweigung ist beispielsweise dadurch möglich, dass stromaufwärts der Verzweigung eine Markierungssubstanz eingebracht wird und an zwei geeigneten Punkten der beiden Zweige gemessen wird. Durch Vergleiche der an den beiden Zweigen gemessenen Werte untereinander oder mit Sollwerten können Aussagen über Unterschiede in den Leitungsquerschnitten, strömungsbehindernde Ablagerungen und andere Eigenschaften der Leitungen gemacht werden. Für Verzweigungen in mehr als zwei Arme und für· mehrere aufeinanderfolgende Verzweigungen gilt irn Prinzip das gleiche, wobei jedoch die Auswertung sehr komplex sein kann.

Eine weitere aufschlussreiche Messung betrifft die Erfassung von Leckstellen. Wenn die Leitungswand zwischen den Fenstern 17 und V) für die Markierungssubstanz durchlässig int, wird dio Konzentration im Bereich der Messelektrode geringer sein als bei undurchlässiger Wand. In diesem Fall wird die Amplitude des gemessenen Stromimpulses mit einem Standardwert verglichen um eine Information Über die Durchlässigkeit bzw.

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die Verluste zu erhalten.

Das erfindungsgemasse Messverfahren ist auch für im Bereich des menschlichen oder tierischen Blutkreislaufs sehr gut geeignet. Gerade für solche Messungen ist es besonders vorteilhaft, dass keinerlei Eingriff in das Kreislaufsystem nötig ist, dass eine Markierungssubstanz eingesetzt werden kann, die, wie z.B. Wasserstoffgas, in der verwendeten Konzentration für den Organismus völlig unschädlich ist und dass die Messung ψ kaum subjektive Unannehmlichkeit für den Patienten mit sich bringt.

Die nachfolgend beschriebene Messanordnung ist beispielsweise dazu geeignet, die Transportzeit durch die entsprechenden Arterien von der Lunge zu einem geeigneten Punkt des Körpers zu messen. Die Einbringung der Markierun^ssabstanz Hp in den Blutatrom erfolgt rlurch die Lun^e. /vug den Blutbahnen diffundiert der Wasserstoff durch das Gewebe wieder nach aussen. Für die Messung geeignet sind Stellen der Körperoberfläche, die gut durchblutet sind, bzw. in denen schlecht durchblutetes Gewebe, z.B. Fettgewebe, von geringer Dicke ist. P Demnach eignen sich beispielsweise die Innenseiten der Handgelenke oder Fussgelenke. Ganz besonders geeignet zur Messung der Strömung in den inneren Karotiden, sind die inneren Oanthi der Augen", da deren Gefasse direkt mit den Karotideri in Verbindung stehen und das Gewebe gut durchblutet ist.

Eine Messelektrode 31 dient zum Anlegen an die gewünschte Stelle der Hautoberfläche. Von der Elektrode 31 führt eine Leitung 32 zu einem Verstärker 33, äev über einen Filter 34 mit einem Schreiber 35 verbunden ist.

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In einem Zeitpunkt T₀ inhaliert die Testperson für einen Atemzug im (Jasgemiuoh aus W/- IL. und 10$ IL,. Der Wasserstoff wird in der Lunge resorbiert und mit dem arteriellen Rlutstrom durch das Kreislaufsystem transportiert. Unter anderem gelangt er auch an den interessierenden Messort, an dem die Elektrode 31 anliegt. Der an dieser Stelle durch das Gewebe zur Elektrode gelangende Wasserstoff erzeugt einen iltroin, der nach Verstärkung vom Schreiber 35 registriert wird. Die vom Schreiber aufgezeichnete Kurve entspricht im wesentlichen der in Fig. 4 gezeigten. Aus ihr lässt sich also die Transportzeit durch einen Teil des Kreislaufsystems von der Lunge zum Messort, z.B. zu einem inneren Canthus, ermitteln. Ausserdem enthält der Kurvenverlauf, d.h. die Steilheit des Anstieges, die Amplitude, usw., weitere charakteristische Informationen über das Kreislaufsystem der Testperson.

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Claims

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Patentansprüche

Nachweis- und Messverfahren mittels Mark i erunfjssubstanzen,dadurch gekennzeichnet, dass in einen durch eine V/and begrenzten Stoff eine Mark ie rungs sub st an ζ eingebracht wird, für welche die Wand durchlässig ist, dass von ausseri eine auf einem bestimmten Potential liegende Elektrode an die Wand ^ angelegt wird und dass ein von der Markierungssubstanz an der Elektrodenoberfläche hervorgerufener Strom erfasst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand einen Strömungskanal definiert und dass die Markierungssubstanz an einer Stelle strömungsaufwärts von der Stelle, an der dLe Elektrode anliegt, eingebracht wird.

''). Vi.-rf?thron riutih Anspruch '·', <J:i.dur<:h /^okonn/.c i '"line I., dass der !seitliche Verlauf der Konzentration der Mark iorimgusubstanz durch die Elektrode gemessen wird.

^ 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, daso der an der Elektrode erfasste Strom verstärkt und mit einem Schreiber registriert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung der Markierungssubstanz durch Diffusion durch die Wand erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einbringen einer Markierungssubstanz in einen Stoff und durch eine mit einer Messeinrichtung und einer Spannungsquelle verbundene Elektrode an deren Oberfläche die Markierungssubstanz;

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IJtrom norvorrui't.

7. Vorrichtung nach Anspruch (>, dadurch gekermze i ohnet,, dnc,:; Mittel zur Registrierung der seitlichen Relation /,wischen Einbringung und Erfassung dor Markierungssubstanz vorgesehen nind.

H. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Registrierung der zeitlichen Ke] fit ion ein Uchreiber dient, dessen Papierverschub mit der Einrichtung zum Einbringen der Markierungssubstanz so gekoppelt ist, dass durch Betätigung der Einrichtung zum Einbringen der Markierungssubstanz der Papiervorschub gestartet wird, und dessen Messwerk über einen Verstärker mit der Elektrode verbunden ist.

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