DE2210406A1

DE2210406A1 - Measuring blood flow - by the permeability of ferromagnetic suspensions

Info

Publication number: DE2210406A1
Application number: DE19722210406
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr Rer Nat Ganssen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1973-09-06

Abstract

Ferromagnetic particles such as Co/Fe alloys, of dia. less than 300 angstroms are coated with a protective film of polyurethane and suspended in a physiological salt soln. of a Ringers soln. The suspension is injected into the blood stream. Two coils, with known distance between, are connected to circuits sensitive to the magnetic effect of the suspension, and are applied to an appropriate part of the body. The electrical circuitry and distance between the coils translate impulse systems into flow speed.

Description

Verfahren zur quantitativen Messung an Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Messung an Flüssigkeiten durch Bestimmung eines darin enthaltenen Stoffes. Solche Methoden werden bekanntlich angewendet, um die Menge bzw. die Strömung von Flüssigkeiten in Leitungen bzw. verzweigten Leitungssystemen zu bestimmen, die sonst nicht zugänglich sind. Method for the quantitative measurement of liquids The invention relates to a method for the quantitative measurement of liquids by determination of a substance contained therein. Such methods are known to be used the amount or the flow of liquids in pipes or branched pipe systems which are otherwise inaccessible.

Sowohl in der Verfahrenstechnik als auch in der medizinischen Diagnostik sind heute Methoden zur Bestimmung von Durchflußmengen verbreitet und gut ausgearbeitet, bei denen radioaktive Stoffe benutzt werden, um von der unverletzten Oberfläche des Körpers bzw. der Leitung her messen zu konnen. Wegen der unvermeidlichen und für diese Stoffe charakteristischen energiereichen Strahlen sind diese Verfahren aber gefährlich. Sie sind außerdem unbequem zu handhaben, weil immer Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden müssen. Sogar der nach der Messung noch verbleibende Abfall muß unter Einhaltung strenger Sicherheitsvorschriften beseitigt werden.Both in process engineering and in medical diagnostics Today methods for determining flow rates are widespread and well developed, where radioactive substances are used to remove the uninjured surface the body or the line to be able to measure. Because of the inevitable and These processes are the high-energy rays characteristic of these substances but dangerous. They are also inconvenient to use because of the precautionary measures must be observed. Even the waste left after the measurement must be eliminated in compliance with strict safety regulations.

Erfindungsgemäß sind die vorgenannten Nachteile dadurch vermieden, daß in die strömende Flüssigkeit ein ferromagnetischer Stoff eingebracht ist und daß seine Bestimmung durch Messung seiner magnetischen Eigenschaften erfolgt. Dieses Verfahren weist die vorerwähnten Nachteile nicht auf, weil die verwendeten Substanzen keine, den lebenden Organismus beeinträchtigenden energiereichen Strahlen abgeben. Der Nachweis und die quantitative Bestimmung der Konzentration der Markierungssubstanz ist rein physikalisch und beeinflußt den Körper nicht.According to the invention, the aforementioned disadvantages are avoided by that a ferromagnetic substance is introduced into the flowing liquid and that it is determined by measuring its magnetic properties. This The method does not have the aforementioned disadvantages, because the substances used do not emit any high-energy rays that impair the living organism. The detection and quantitative determination of the concentration of the marker substance is purely physical and does not affect the body.

Außerdem ist die Methode schnell und einfach durchführbar.In addition, the method can be carried out quickly and easily.

Man hat überdies keine Schwierigkeiten, Proben und Behälter nach Gebrauch loszuwerden, weil sie keine gefährlichen Produkte enthalten.In addition, there is no difficulty in retrieving samples and containers after use get rid of them because they do not contain dangerous products.

Für die Bestimmung der Konzentration sind nach der Erfindung ferromagnetische Flüssigkeiten, sogenannte Ferroflüssigkeiten, geeignet. Diese können#z.B. für die Anwendung in der medizinischen Diagnostik in einer physiologischen Salzlösung einer Ringerschen Lösung etc. als Grundsubstanz ferromagnetische Teilchen suspendiert enthalten, die einen Durchmesser haben, der kleiner ist als 300 Angström. Zur Vermeidung eines irreversiblen magnetischen Zusammenklebens der Teilchen und zum Schutz des Ferromagnetikums, wie etwa bei Teilchen aus Eisen-Eobalt-(Fe-Co) oder Eisen-Kobalt-Nickel- (Fe-Co-Ni)-Legierungen gegen chemische Reaktionen mit der umgebenden Flüssigkeit, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um schädliche Wirkungen zu verhindern. Eine solche Maßnahme besteht z.B. im Anbringen eines mit der Flüssigkeit verträglichen Überzuges an den Teilchen. Bei Blut kommt als Überzugsmaterial etwa ein Polyurethan-, Silastic- oder Kollagen-Film etc. in Betracht.For the determination of the concentration, ferromagnetic ones are used according to the invention Liquids, so-called ferrofluids, are suitable. These can be # e.g. for the Use in medical diagnostics in a physiological saline solution Ringer's solution etc. suspended ferromagnetic particles as the basic substance that are less than 300 angstroms in diameter. To avoid an irreversible magnetic sticking together of the particles and to protect the Ferromagnetic, such as particles made of iron-cobalt (Fe-Co) or iron-cobalt-nickel (Fe-Co-Ni) alloys against chemical reactions with the surrounding liquid, Precautions must be taken to prevent adverse effects. One such a measure consists, for example, in the attachment of a liquid compatible Coating on the particles. In the case of blood, the coating material used is a polyurethane, Silastic or collagen film etc. into consideration.

Die Konzentration der Elemente kann dann mittels bekannter Methoden zur Messung des am durchflossenen Gefäß auftretenden magnetischen Feldes erfolgen. Eine entsprechend empfindliche Messung der magnetischen Permeabilität /u kann etwa mittels der bekannten Spuleninduktivitätsmessung durchgeführt werden.The concentration of the elements can then be carried out using known methods to measure the magnetic field occurring on the vessel through which it flows. A correspondingly sensitive one Measurement of magnetic permeability / u can be carried out using the known coil inductance measurement.

Bei der medizinischen Bestimmung der Durchblutung oder des Blutflusses brauchen keine Absolutbestimmungen von Konzentrationen durchgeführt zu werden, sondern vielmehr nur relative Änderungen von Konzentrationen der magnetischen Teilchen in dem interessierenden Volumenbereich.In the medical determination of blood flow or blood flow no absolute determinations of concentrations need to be carried out, but rather, only relative changes in concentrations of the magnetic particles in the volume area of interest.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.Further details and features of the invention are provided below explained on the basis of the exemplary embodiments shown in the figures.

In der Fig. 1 ist eine auf den Körper aufgelegte Flachspule im Schnitt gezeichnet, in der Fig. 2 eine Meßkurve, welche die relative Induktivität einer Flachspule in Abhängigkeit von der magnetischen Permeabilität ihrer Umgebung als Funktion der Zeit darstellt, in der Fig. 3 eine Anordnung mit zwei zu einer Einheit integrierten Spulen zur Bestimmung der Blutflußgeschwindigkeit am Arm. In Fig. 1, a flat coil placed on the body is in section drawn, in Fig. 2 is a curve showing the relative inductance of a Flat coil as a function of the magnetic permeability of its environment Is a function of time, in Fig. 3 an arrangement with two to one unit integrated coils for determining the blood flow velocity on the arm.

Die Bestimmung der Permeabilität eines bestimmten Körpervolumens ist z.B. unter Verwendung einer Flachspule möglich, welche auf die Körperoberfläche aufgelegt wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, verlaufen die magnetischen Feldlinien einer solchen Spule 1 zur einen Hälfte durch den interessierenden Körper 2 und zur anderen durch Luft. Die Spuleninduktivität ist daher auch eine Funktion der magnetischen Permeabilität des von den Feldlinien durchsetzten Mediums. Nach Vilbig (F.Vilbig "Lehrbuch der Hochfrequenztechnik", Akad.Verl.Gs Leipzig, 1939) ist die Induktivität einer Flachspule gegeben durch /Ur = die relative Permeabilität des Mediums, W die Windungszahl, ri und ra der innere und der äußere Radius der Spule.The determination of the permeability of a certain body volume is possible, for example, using a flat coil which is placed on the body surface. As can be seen from FIG. 1, the magnetic field lines of such a coil 1 run on the one hand through the body 2 of interest and on the other half through air. The coil inductance is therefore also a function of the magnetic permeability of the medium through which the field lines pass. According to Vilbig (F.Vilbig "Textbook of High Frequency Technology", Akad.Verl.Gs Leipzig, 1939) the inductance of a flat coil is given by / Ur = the relative permeability of the medium, W the number of turns, ri and ra the inner and outer radius of the coil.

Für den speziellen Fall, daß sich das Medium auf der einen Seite der Spule von demjenigen auf# der anderen Seite unterscheidet, muß für /Ur der über den magnetischen Weg gemittelte Wert eingesetzt werden. Ein charakteristischer Wert für eine unverdünnte wässrige Ferroflüssigkeit von /ur = 20 ergibt so ein /Ur eff von etwa 10. Rechnet man mit einer Anfangsverdünnung der Ferroflüssigkeit unmittelbar nach der Injektion von etwa 1 : 100, dann wäre die Anfangspermeabilität der Detektorspule um einen entsprechenden Wert auf etwa /Ur eff = 1.1 reduziert.For the special case that the medium on one side of the coil differs from that on the other side, the value for / Ur must be the value averaged over the magnetic path can be used. A characteristic value for an undiluted aqueous ferrofluid of / ur = 20 results in / Ur eff of about 10.If one calculates with an initial dilution of the ferrofluid immediately after the injection of about 1: 100, then the initial permeability of the detector coil would be around a corresponding value reduced to about / Ur eff = 1.1.

Durch die Gewebedurchblutung findet nun ein entsprechender zeitlicher Abfall der relativen Permeabilität und damit auch der Spüleninduktivität statt, wie es in Fig. 2 dargestellt sein soll. Hier ist die Messung der Induktivität L, die mit einer Impedanzbrücke bis zu einer Verdünnung von DL/L = 10 bestimmt wird, gegen die Zeit aufgetragen (vgl. Fig. 3). Diese Kurve ist mit einer Spule von 30 Windungen, eines Drahtes von 1 mm Durchmesser, einem ri von 30 mm und einem ra von 40 mm gemessen und soll anzeigen, daß sich die zu erwartenden relativen Induktivitätsänderungen in durchaus meßbaren Größenordnungen bewegen.Due to the tissue perfusion there is now a corresponding temporal A decrease in the relative permeability and thus also in the sink inductance takes place, as it should be shown in FIG. Here is the measurement of the inductance L, which is determined with an impedance bridge up to a dilution of DL / L = 10, plotted against time (see. Fig. 3). This curve is with a coil of 30 Turns, a wire 1 mm in diameter, an ri of 30 mm and an ra of 40 mm measured and should indicate that the expected relative changes in inductance move in a perfectly measurable order of magnitude.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwendung eines Schwingkreises, dessen Induktivität durch die Detektorspule dargestellt wird. Die Eigenfrequenz dieses Kreises ist gegeben durch dabei ist fO die Eigenfrequenz, L die Induktivität der Spule und C die Kapazität des Kondensators des Kreises. Die Änderung df = - wird umso größer, je kleiner L und C gewählt werden, d.h. je höher die benutzte Frequenz. Die entsprechenden Bauelemente werden der technischen Einfachheit halber und unter Berücksichtigung der Strahlungscharakteristik der Spule so gewählt, daß der MHz-Bereich nicht überschritten wird. Für einen derartigen Oszillator läßt sich eine Eigenstabilität von einem Teil in 105 leicht erreichen. Bei einer Eigenfrequenz von 1 MHz entspräche dieses 10 Hz. Eine Verdünnung der Ferroflüssigkeit um einen Faktor von 103 entsprechend einer Änderung der Frequenzabweichung von 105 auf 102 läßt sich durch Zählen bzw.Another possibility is to use an oscillating circuit, the inductance of which is represented by the detector coil. The natural frequency of this circle is given by where fO is the natural frequency, L is the inductance of the coil and C is the capacitance of the capacitor of the circuit. The change df = - becomes larger, the smaller L and C are chosen, ie the higher the frequency used. For the sake of technical simplicity and taking into account the radiation characteristics of the coil, the corresponding components are selected so that the MHz range is not exceeded. An inherent stability of one part in 105 can easily be achieved for such an oscillator. With a natural frequency of 1 MHz, this would correspond to 10 Hz. A dilution of the ferro-liquid by a factor of 103 corresponding to a change in the frequency deviation from 105 to 102 can be determined by counting or

mit einem Frequenzmesser leicht bestimmen.easily determined with a frequency meter.

Die Flußgeschwindigkeit in Gefäßen, wie etwa Adern des menschlichen Körpers, kann direkt an den Gefäßen nach lokaler Einspritzung der magnetischen Markierungsflüssigkeit gemessen werden. Dazu werden an dem Einspritzungskatheter in vorgegebenem Abstand zwei induktive Detektorspulen angebracht. Nach der Einspritzung kann die Fließzeit des Markierungsmittels zwischen den zwei Detektorspulen gemessen werden.The velocity of flow in vessels such as human veins Body, can be applied directly to the vessels after local injection of the magnetic marking fluid be measured. For this purpose, on the injection catheter at a predetermined distance two inductive detector coils attached. After the injection, the flow time can be of the marking agent can be measured between the two detector coils.

In einem abgewandelten Verfahren wird die Fließzeit einer Flüssigkeit in einem Gefäß mittels äußerlich angebrachter Detektoren nachgewiesen und elektronisch registriert. In der Fig. 3 sind die beiden einander gegenläufig gewickelten Spulen 3 und 4 zu einer Einheit 5 zusammengefaßt, die gestrichelt angedeutet ist. Diese Einheit 5 ist mit dem Anzeigekasten 6 über die Leitungen 7, 8 und 9 verbunden. Der Kasten selbst enthält den Hochfrequenzerzeuger 10 von 1 MHz, der über den Hochfrequenztransformator mit den Leitungen 7 und 8 in Verbindung steht. Die Sekundärspule 12 des Transformators 11 weist eine Mittenanzapfung 13 auf, die über die Leitung 14 mit dem Verstärker 15 verbunden ist. Der Verstärker 15, der für 500-fais Verstärkung ausgelegt ist, weist gleichzeitig über die Leitung 9 eine Verbindung zu der Verbindungsleitung zwischen den Spulen 3 und 4 auf. Außerdem eine Erdung 16, welche ein ungefährliches Handhaben der Spulen am Körper jederzeit gewährleistet. Am Ausgang des Verstärkers 15 liegt der Trigger 17, mit welchem beim Auftreten eines einen minimalen Sollwert übersteigenden Signals ein Impuls erzeugt wird, welcher den.In a modified method, the flow time of a liquid in a vessel by means of externally attached Detectors detected and electronically registered. In Fig. 3 the two are opposite to each other wound coils 3 and 4 combined to form a unit 5, indicated by dashed lines is. This unit 5 is connected to the display box 6 via lines 7, 8 and 9. The box itself contains the high frequency generator 10 of 1 MHz, which is via the high frequency transformer with the lines 7 and 8 is in communication. The secondary coil 12 of the transformer 11 has a center tap 13, which is connected to the amplifier via line 14 15 is connected. The amplifier 15, which is designed for 500-fold amplification, at the same time has a connection to the connecting line via the line 9 between coils 3 and 4. In addition, a ground 16, which is a harmless Handling of the coils on the body is guaranteed at all times. At the output of the amplifier 15 is the trigger 17, with which a minimum setpoint value when a occurs Exceeding signal a pulse is generated, which the.

Schalter 18 betätigt, so daß von dem an den Leitungen 19 anliegenden Netz zwischen den Impulsen, die von der Spule 3 und der Spule 4 kommen, die Perioden des 50 Hz-Wechselstromes zum Anzeigegerät 20 gelangen und dort wegen des fest vorgegebenen Abstandes der Spulen 3 und 4 in der Form einer Geschwindigkeitsangabe in dem Ziffernanzeigebild 21 erscheinen können.Switch 18 is actuated so that the lines 19 are connected to it Network between the pulses coming from coil 3 and coil 4, the periods of the 50 Hz alternating current reach the display device 20 and there because of the fixed predetermined Distance of the coils 3 and 4 in the form of a speed indication in the numeric display image 21 can appear.

Die Funktion dieser Anordnung ergibt sich daraus, daß eine in die Blutkreisbahn des Patienten eingebrachte magnetische Flüssigkeit sich fortbewegt und in der dargestellten Ausführung im Arm 22 an den Spulen 3 und 4 vorbeigeführt wird. Dabei löst die Front der magnetischen Flüssigkeitsbeimengung zum Blut in der zeitlichen Aufeinanderfolge eines Vorbeifließens an den Spulen 3 und 4 elektrische Impulse aus. Der zeitliche Abstand kann gemessen, wegen des bekannten Abstandes der Spulen 3 und 4 in eine Geschwindigkeit transformiert und angezeigt werden. Eine von vielen elektronischen Realisierungsmöglichkeiten ist die in der oben 1>eschriebenen Fig. 3 dargestellte Anordnung. Dabei sind die Spulen 3 und 4 Teile einer Induktivitätsmeßbrücke, die über den Hochfrequenztransformator 11 vom Generator 10 ihren 1 MHz betragenden Hochfrequenzwechselstrom erhalten. Bei der durch die ferromagnetische Flüssigkeit verursachten Induktivitätsänderung im Arm 22 wird die Brücke momentan verstimmt. Am Eingang des Verstärkers 15 entstehen daher Wechselspannungen, die dann verstärkt den Trigger 17 betätigen. Diese Impulse werden dazu benutzt, mit dem Schalter 18 ein Niederfrequenzsignal, d.h. das aus den Leitungen 19 vom Netz kommenden 50 Hz, zu schalten. Die Niederfrequenzperioden werden im Anzeigeinstrument 20 gezählt und im Tableau 21 als Geschwindigkeit (cm/sec) angezeigt. Als Vergleichsmaß könnte mit etwas mehr Aufwand auch die 1 MHz Schwingung der Hochfrequenz benutzt werden.The function of this arrangement results from the fact that one in the Magnetic fluid introduced into the patient's bloodstream moves and, in the embodiment shown, is guided past the coils 3 and 4 in the arm 22 will. In doing so, the front of the magnetic fluid admixture to the blood in the chronological sequence of a flow past the coils 3 and 4 electrical Impulses. The time interval can be measured because of the known interval of the coils 3 and 4 are transformed into a speed and displayed will. One of the many electronic implementation possibilities is that described in the above 1> Fig. 3 shown arrangement. The coils 3 and 4 are parts of an inductivity measuring bridge, which amount to 1 MHz via the high-frequency transformer 11 from the generator 10 Receive high frequency alternating current. In the case of the ferromagnetic fluid caused inductance change in arm 22, the bridge is momentarily detuned. AC voltages therefore arise at the input of amplifier 15, which are then amplified operate the trigger 17. These pulses are used with switch 18 a low frequency signal, i.e. the 50 Hz coming from the mains via lines 19, to switch. The low frequency periods are counted in the display instrument 20 and displayed in the panel 21 as speed (cm / sec). As a benchmark, you could use a little more effort, the 1 MHz oscillation of the high frequency can also be used.

Wenn die Zeitmessung mit dem Moment der Einspritzung als die Zeit Null beginnt, ist nur eine einzige magnetische Induktivitätsmessung, d.h. nur ein einziger magnetischer Induktiv#-tätsdetektor, erforderlich. Der Moment der Einspritzung gilt dann als Zeit Null und die Ankunft der magnetischen Mittel am Detektor, etwa einer Spule, kann als Laufzeit genommen werden.When timing with the moment of injection as the time Starting zero is just a single magnetic inductance measurement, i.e. just one only magnetic inductive activity detector required. The moment of injection then counts as zero time and the arrival of the magnetic means at the detector, for example a coil, can be taken as the running time.

Claims

Method for the quantitative measurement of liquids by determination of a substance contained therein, which is not indicated that the substance is ferromagnetic and that can be determined by measuring its magnetic Properties takes place.

2. The method according to claim 1, characterized in that the determination a flat coil is used which is attached to the outside of the body containing the liquid is created.

3. The method according to claim 1, characterized in that the determination the flow rate of the liquid on the outside of the flow path in the direction of flow or two coils are placed a certain distance apart.

4. The method according to claim 1, characterized in that the determination the flow velocity one or two detector coils at a certain distance are used by one on the injection tube and the other on the vascular catheter is attached in the direction of flow.

5. The method according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic Substance made from a suspension of small ferromagnetic particles such as Fe, FeCo, Fe Co Ni etc., which have a diameter smaller than 10 4mm.

6. The method according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic Provided particles with a coating of material compatible with the liquid are.

7. The method according to claim 6, characterized in that the coating consists of a body-compatible substance such as polyurethane, silastic or collagen.

8. The method according to claim 1, characterized in that the base the marking substance an aqueous physiological saline solution (or Ringer's Solution).

L e r s e i t e