DE2405348A1

DE2405348A1 - Verfahren und vorrichtung zur direkten messung eines mikrokreislaufsystems

Info

Publication number: DE2405348A1
Application number: DE19742405348
Authority: DE
Inventors: Richard C Gaard; James E Heule
Original assignee: Detection Sciences Inc
Current assignee: Detection Sciences Inc
Priority date: 1973-02-08
Filing date: 1974-02-05
Publication date: 1974-08-15
Also published as: SE7401628L; FR2216972A1; AR200173A1; FR2216972B3; BR7400856D0; JPS49111485A

Description

49- 213' -su

Firma Detection Sciences, Inc., 7731 Country Club Drive, Minneapolis,- Minnesota, (USA)

Verfahren und Vorrichtung zur direkten Messung eines Mikrokreislaufsystems

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung physiologischer Daten eines Kreislaufsystems und speziell ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten, verletzungs- bzw. eingriffsfreien Messung wichtiger physiologischer Parameter des Teils eines allgemeinen Kreislaufsystems, der als Mikrokreislauf bekannt ist.

Die Wichtigkeit einer Parametermessung des allgemeinen Kreislaufsystems zur Indikation des Gesundheitszustandes ist seit langem bekannt. Viele Wege wurden beschritten, um die verschiedenen Parameter und Daten des Kreislaufsystems zu bestimmen. Hierzu gehören die allgemein benutzte Blutdruckmansehette, die Venen= und Arte=- srieneimsetzkatheter, Viberothic-Katheter, die Äagiographie „ die Farbverdünnungstechniken, Glaselektroden auf Muskelgeweben, die

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Netzhautmikroskopie, Elektrokardiogramme, Wandler nach dem Dopplerprinzip, die Blutfarbenmessung, die Mikrochirurgie bei Tieren und vieles mehr. Mit wenigen Ausnahmen arbeiten die meisten sehr genauen Techniken eingreifend bzw. verletzend. Darüberhinaus befassen sich die meisten der genannten Techniken mehr mit den Eigenschaften des allgemeinen Kreislaufs als mit denjenigen des Mikrokreislaufsystems. Die wenigen bekannten Techniken, mit denen tatsächlich einige Charakteristiken des Mikrokreislaufsystems gemessen wurden, dienten lediglich zur Bestimmung von Parametern, die in Abhängigkeit von Parametern des allgemeinen Kreislaufs interpretiert werden konnten, wie beispielsweise von der Pulsrate und dem Blutdruck. Diese früheren Techniken dienten nicht zur Messung der wichtigeren Mikrokreislaufparameter des Gewebedurchflusses und des linken Kammerausstoßes aus der Sicht des Mikrokreislauf s. Diese wesentlichen Charakteristiken werden nach dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung schnell und eingriffsfrei bestimmt.

Das Wohlbefinden des gesamten Organismus wird vom Gesundheitszustand der einzelnen Körperzellen bestimmt. Da die einzelnen Zellen nur auf dem Pegel des Mikrokreislaufs Zugang zum Blut haben, ergibt sich hieraus die Wichtigkeit einer guten Mikrοzirkulation für die allgemeine Gesundheit und für einen GesundungsVorgang. Die Endorgane des Mikrokreislaufsystems sind Kapillaren bzw. Kapil largefäße, deren Funktion in der Blutversorgung der Zellen des Körpergewebes liegt. Die Gesundheit derartiger Gewebe und daher auch diejenige des Körpers selbst hängt stark von der Menge des von den Kapillaren zu den Zellen gelieferten Blutes ab. Diese Blutmenge wird als 'Gewebedurchfluß' ('tissue perfusion') gemessen. Eine nähere Erörterung des Mikrokreislaufs und seiner Bedeutung befinden sich in den Artikeln 'Microcirculation, The Third Force¹, von Geza de Takats, MD, MS, JAMA, Jan. 24, 1966, Vol.195, Nr. 4 und 'The Microcirculation and Shock' von Louise Grove, CR. N.Α., J. Am. A. Nurse Anesthetists, Juni 1972. Im letztgenannten Artikel befindet sich ein Zusammenhang zwischen Mikrokreislaufzustanden (Grad an Gewebedurchfluß} mit entsprechenden Krankheiten, Störungen und Konditionen. Nach dem ersten Artikel sind jedoch

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die Gewebedurchflußdaten schwer zu erhalten, und es wird eine Katheteranwendung in Form einer operativen Einführung in den Patienten als bevorzugtes Verfahren zur Erzielung dieser Daten vorgeschlagen.

Obwohl die Bedeutung des Mikrokreislaufs zur allgemeinen Gesundheit und als Indikation für spezifische Krankheiten, Störungen und Konditionen bekannt ist, wurden bisher keine Vorschläge für eine eingriffsfreie Messung des wesentlichen Mikrokreislaufparameters eines Gewebedurchflusses gemacht. Wie bereits erwähnt wurde dienen die einige Charakteristiken des Mikrokreislaufs bestimmenden bekannten Vorrichtungen nur dem Zweck, eine indirekte Messung von Parametern des allgemeinen Kreislaufsystems, wie des Blutdrucks, der Pulsrate, des Blutvolumens und der Zeit eines Herzschlagauftritts und anderer Charakteristiken der Herzschlagphasen (in Pulsform), vorzunehmen. Diagnostische Methoden, die auf den durch solche bekannte Vorrichtungen erhaltenen Daten beruhen, behandeln diese Daten als Meßergebnisse des allgemeinen Kreislaufsystems und nicht des Mikrokreislaufsystems. Ferner ermöglicht keine der bekannten Vorrichtungen eine eingriffsfreie direkte Messung des Gewebedurchflusses oder des linken Kammerausstoßes, wie sich diese Daten aus dem Mikrokreislauf ergeben.

Obwohl die bekannten Vorrichtungen und diagnostischen Verfahren sehr nützlich sind, leiden sie unter dem Mangel an einer eingriff sfreien Messung des Mikrokreislaufparameters des Gewebedurchflusses. Ferner mangelt es bei den bekannten apparativen und diagnostischen Verfahren an der Erkenntnis, daß das Auftreten bestimmter Konditionen oder Zustände, Krankheiten und Störungen von ©iner vorher auftretenden Änderung im Gewebedurchfluß begleitet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit dem bzw. der die beschriebenen Machteile vermieden werden.

Nach der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vor-

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richtung zur eingriffsfreien Messung des Mikrokreislaufsystems vorgeschlagen. Dabei wird Licht in die Haut eingeführt und nach einer in der Haut erfolgten Reflexion empfangen, wobei ein Teil des reflektierten Lichts vom Blutfluß in der Mikrokreislaufschicht moduliert ist. Das empfangene Signal wird zur Gewinnung einer Information verarbeitet, die repräsentativ für die Puls-Wellenform im Mikrokreislaufsystem ist. Die Amplitude dieser Puls-Wellenform wird über eine vorbestimmte Zeitperiode gemittelt, um einen quantitativen Wert für den Gewebedurchfluß zu erhalten. Ferner kann eine zusätzliche Filterung an der Puls-Wellenform vorgenommen werden, um die Bereiche hervorzuheben, die der linken Kammerausstoßphase des Herzschlages entsprechen.

Ein Meßkopf, der kleine Lichtquellen und einen Eichtfühler bzw. -sensor aufweist, kann auf der Haut eines Patienten angeordnet werden. Beim Erregen der Lichtquellen durchdringt ein Teil des ausgesendeten Lichts die Haut und wird vom Blut im Mikrokreislaufsystem reflektiert. Dieses reflektierte Licht ist entsprechend den Blutflußbedingungen im Prüfbereich Intensitätsveränderungen unterworfen. Die vom Lichtsensor empfangenen Lichtsignale werden dann durch einen elektronischen Kreis zur Gewinnung der verwertbaren Information verarbeitet. Tatsächlich wird nur etwa 1 % des vom Lichtsensor empfangenen Lichts von dem Mikrokreislaufsystem reflektiert. Die anderen 99 % des empfangenen Lichts werden von der Oberfläche der Haut, von den Pigmenten und von den zahlreichen Gewebeschichten unter der Haut reflektiert. Jedoch sind alle diese Reflexionserscheinungen von der Zeit unabhängig, wenn die Anordnung des Meßkopfs unverändert ist, und der elektronische Kreis scheidet alle von der Zeit unabhängigen Signale aus und spricht nur auf das veränderliche Signal an, das das modulierte und vom Mikrokreislaufsystem reflektierte Signal darstellt.

Obwohl im breitesten Sinne der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer kontinuierlichen Lichtquelle zumindest theoretisch möglich ist, hat sich in der Praxis herausgestellt, daß eine pulsierende und im Infrarotbereich arbeitende Lichtquelle die besten Resultate ergibt. Bei Verwendung von Infrarotstrahlung mit einer

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Wellenlänge von etwa 9ooo Angström ergeben sich minimale Reflexionen und Absorptionen durch Pigmente in der Haut, wobei sichergestellt ist, daß das vom Blut reflektierte Licht unempfindlich gegen Änderungen der BlutsauerstoffSättigung ist. Sofern eine kontinuierliche Infrarotquelle benutzt werden soll, wie eine breitbandige Glühbirne mit einem 9ooo-Angström-Filter, besteht die Gefahr, daß die zur Erzeugung eines nützlichen bzw. auswertbaren Reflexionssignals erforderliche Lichtintensität zu viel Wärme erzeugt. Schlimmstenfalls kann diese übermäßige Wärme zu Hautverbrennungen beim Patienten führen; günstigenfalls ist eine ausreichende Wärme zur Störung der Kapillaren vorhanden, wodurch sich fehlerhafte Meßdaten ergeben. Diese Probleme werden mit lichtemittierenden Dioden im Meßkopf überwunden, die eine Wellenlänge von 9ooo Angström aufweisen und mit einem Tastverhältnis von Io % gepulst werden. Diese Lichtimpulse können als Trägersignal angesehen werden, das von den Blutflußbedingungen im Mikrokreislaufsystem moduliert und dann von einem ebenfalls im Meßkopf angeordneten Fototransistor empfangen wird. Da die Änderungen im Blutfluß des Mikrokreislaufs typischerweise mit einer Rate von einigen Hertz auftreten, ist bei Verwendung von Trägerimpulsen mit etwa einem Kilohertz eine ausreichend häufige Probenentnahme möglich, so daß keine wesentlichen Komponenten der Blutstrom-Wellenform zwischen aufeinander folgenden Impulsen verloren gehen.

Nach einer Verstärkung werden die die Information über den Blutfluß enthaltenden Signale durch den elektronischen Kreis vom Träger abgetrennt. Diese Signale werden dann gefiltert und verstärkt sowie zu einem Impulswellenmesser geführt. Die Filterung enthält einen Bandpaß zur Hervorhebung derjenigen Komponenten der zusammengesetzten Blutfluß-Wellenform, die sich für diagnostische Zwecke als besonders nützlich erwiesen haben. Der Impuls-Wellenmesser sorgt für eine optische Anzeige der so gefilterten Impulswelle. Sowohl das Bewegungsausmaß, als auch die Bewegungsdynamik auf dem Impulswellenmesser vermitteln der fachkundigen Bedienungsperson wesentliche diagnostische Daten. Ein Impulsamplitudenkrexs mißt die Amplitude der Impulswelle, die dann an einer Ausgabe oder einem Meßinstrument angezeigt wird. Ein anderer Kreis mittelt die

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Impulsamplitudensignale über eine vorbestimmte Zeitperiode (vorzugsweise 5o Sekunden oder dergleichen), und dieses Signal wird von einem Meßinstrument oder einer Ausgabe angezeigt. Wesentlich ist bei diesem Signal, daß es eine quantitative Messung des Blutdurchflusses in den Geweben eines getesteten Patienten darstellt. Obwohl keine Standardwerte oder Einheitsmaße für die Messung des Gewebedurchflusses bekannt sind, ermöglicht der Kreis nach der vorliegenden Erfindung eine numerische Messung, die bei einer Korrelierung mit ähnlichen Messungen über eine Zeitperiode bei demselben Patienten oder mit Messungen bei einer großen Anzahl von Patienten dem Diagnostiker eine sehr nützliche Information gibt, wie es an anderer Stelle dieser Ausführungen erklärt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - eine schematische Darstellung eines mechanischen Meßkopfes zur Verwendung nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - einen elektrischen Schaltkreis einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 3 - ein Blockschaltbild eines digitalen Ausgabekreises zur Verwendung in Kombination mit den Meßkreisen aus Figur 2 und

Figur 4 - eine Darstellung von Wellenformen, die repräsentativ für eine Blutvolumenwellenform an verschiedenen Punkten im Kreis aus Figur 2 sind.

In Figur 1 ist der mechanische Aufbau eines Meßkopfes 28o für lichtemittierende Dioden 18 und einen Fototransistor 24 dargestellt. Das Gehäuse des Meßkopfes 28o kann aus Kunststoff wie Delrin (Warenzeichen), Bakelit (Warenzeichen) oder aus anderen geeigneten Materialien bestehen. An der Vorderseite des Gehäuses ist eine klare bzw. durchsichtige Kunststoffabdeckung 284 angebracht. Nahe dem Zentrum des Gehäuses ist unter der Abdeckung ein Fototransistor 24 befestigt. Ferner sind im Gehäuse unter symmetrischem Abstand drei lichtemittierende Dioden 18 angeordnet. Bei Benutzung wird der Meßkopf 28o unter Angrenzung an den Hautbe-

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reich positioniert, von dem eine Messung zu machen ist. Zur Befestigung des Meßkopfes am Meßbereich kann ein Streifen oder Band verwendet werden, wenn eine Sicherung gegen eine Verschiebung in der Weise erfolgt, daß für Mikrokreislaufmessungen keine Kompression des Meßbereiches auftritt. Im Meßkopf 280 befindet sich ferner zwischen den lichtemittierenden Dioden 18 und dem Fototransistor 24 eine Lichtzwischenwand 286, die den Fototransistor 24 optisch von den lichtemittierenden Dioden 18 trennt.

In Figur 2 ist mit der Hinweiszahl 12 der Meßkopf oder Fühler und die erste Verstärkungsstufe I80 bezeichnet. Die Lichtquelle 18 und der Fototransistor 24 aus Figur 1 sind ebenfalls in Figur 2 dargestellt. Die Lichtquelle 18 weist im Meßkopf in Reihe geschaltete lichtemittierende Dioden 2o auf. Eine Leitung 186 führt zur Anode der ersten Diode, und die Kathode der letzten Diode ist mit Masse verbunden. Die Leitung 186 und die Leitungen zum Fototransistor befinden sich in abgeschirmten Kabeln, die sich zwischen dem elektronischen Chassis und dem beweglichen Kopf erstrecken. Die Basis des Transistors 24 ist mit einem Widerstand R2oo und einem Kondensator C2oo verbunden. Die entgegengesetzten Seiten dieser Glieder sind zusammen mit einem Widerstand R2o4 verbunden. Der Kollektor des Transistors 24 führt über einen Widerstand R2ol zu einer Spannungsversorgung, während der Emitter mit Masse verbunden ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Impulsgeneratorfunktion von einem astabilen Multivibrator 184 durchgeführt. Dieser kann irgendein geeigneter integrierter Kreis oder eine Transistorkonfiguration darstellen. Wenn es erwünscht ist, die lichtemittierenden Dioden mit einem Tastverhältnis von Io % zu pulsen, werden die Zeitkonstanten des Multivibrators 184 entsprechend ausgewählt, damit sich eine Gesamtfrequenz von etwa 1,2 Kilohertz mit einer Einschaltzeit von etwa l/lo der gesamten Periode ergibt Die Transistoren Q2oo, Q2ol, Q2o2 und die zugeordneten Kreise verstärken die Impulse und führen sie zur Leitung 186.

Mit der Hinweiszahl 188 ist ein hochverstärkender Differentialverstärker bezeichnet, dessen Ausgang mit einer Leitung 184^B verbun-

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den ist. Der Differentialverstärker 188 weist nicht invertierende und invertierende Eingänge auf, die mit den Symbolen '+' und *-' bezeichnet sind. Der nicht invertierende Eingang ist mit dem Kollektor des Transistors 24 verbunden. Zwei Widerstände R2o2 und
R2o3 sind zwischen einer Versorgungsspannung von +12 Volt und
Masse zur Bildung eines Spannungsteilers in Reihe geschaltet. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände ist mit dem invertierenden Eingang verbunden, während Filterkondensatoren C2o3 und C2o4 zwischen der Versorgungsspannung von +12 Volt und Masse parallel zu diesen Widerständen liegen. Der Ausgang des Verstärkers 188
führt über die Parallelschaltung eines Kondensators C2o2 und eines Widerstands R2o5 zum Leitungswiderstand R2o4. An diesen schließt sich ein mit Masse verbundener Kondensator C2ol an.

Im Betrieb werden die erzwungenen 1,2 Kilohertz-Impulse mit einem Tastverhältnis von Io %, die vom Multivibrator 184 erzeugt sind, verstärkt und den Dioden 18 zugeführt. Ein Widerstand R28o sorgt für den gewünschten Betriebsstrom der lichtemittierenden Dioden
während jedes Impulses. Die Widerstände R2o2 und R2o3 bilden einen Spannungsbezugspunkt für den Verstärker 188. Die Kondensatoren
C2o3 und C2o4 dienen zum Ausfiltern jeglicher verbliebener Schwankungen bzw. Störsignale auf der Spannungsversorgung, die dan-Betrieb des Verstärkers 188 stören könnten. Ein Stromrückführungspfad vom Ausgang des Verstärkers über den Transistor 24 zum nicht invertierenden Eingang ist vorgesehen, um einen geeigneten Vorspannungspunkt für den Transistor 24 in der nachfolgend beschriebenen Weise zu schaffen. Abgesehen von der Bedeutung der von dem Transistor 24 empfangenen Lichtimpulse besteht der Effekt der
Rückführungsschleife darin, die Spannungen an den zwei Eingängen des Verstärkers 188 gleich zu machen. Der Transistor 24 ist normalerweise in der Mitte seines leitenden Bereichs vorgespannt.
Wenn daher ein Basisstrom zum Transistor 24 geführt wird, fließt ein Kollektorstrom über den Widerstand R2ol und durch den Transistor 24 zur Masse. Die Größe dieses Stroms bestimmt den Spannungsabfall am Widerstand R2ol und daher die Spannung, die dem
nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 188 zugeführt wird. Wenn zwischen den Spannungen an den beiden Eingängen eine Diffe-

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renz auftritt, wird diese verstärkt und begründet eine Spannungsänderung an der Leitung 184'. Diese Änderung wird über die Stromrückführungsschleife zur Basis des Transistors 24 geleitet, und zwar unter Änderung des Stromflusses mit dem Ergebnis, daß die Spannung am nicht invertierenden Eingang der Referenzspannung folgt.

Wenn die Dioden 18 im Betrieb gepulst werden, emittieren sie einen Lichtimpuls, von dem ein Teil von der Haut des Patienten zurück zum Transistor 24 reflektiert wird. Dieser Lichtimpuls öffnet den Transistor gegenüber seinem Vorspannungspunkt weiter, was zu einem leichten Absenken der Spannung am Aicht invertierenden Eingang führt. Dies wiederum begründet eine Absenkung der Ausgangsspannung an der Leitung 184· , und zwar während der Dauer des Impulses. Die Kondensatoren in der Rückkopplungsschleife verlangsamen das Ansprechen, so daß die 1,2-Kilohertz-Impulse nicht durch die Rückkopplungsschleife aufgehoben, sondern durch den Verstärker 188 verstärkt werden. Für die nachfolgend angegebenen Werte der Referenzspannung und der in der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Komponenten beträgt die Spannung an der Leitung 184' normalerweise ungefähr ein Volt. Während eines Impulsempfangs fällt diese Spannung auf einen Wert von einigen Zehnteln eines Volts oder dergleichen ab. Die tatsächliche Spannung während des Impulses hängt von der Stärke der vom Transistor empfangenen Reflexion ab und kann bei sehr starken Signalen bis zu minus o,5 Volt oder dergleichen abnehmen.

Die Hinweiszahl 14 bezeichnet einen Demodulatorkreis, welcher einen Verstärkerteil 26, einen Gleichrichter 28 und einen Pufferbzw. Trennverstärker 3o aufweist. Der Eingang zum Verstärker 26 führt von der Leitung 184· über einen Kondensator 32 zur Basis eines Transistors 34, die ferner über einen Widerstand 176 mit Masse und über einen Widerstand R3 mit der Spannungsversorgung verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 34 führt zur +12 Volt Spannungsversorgung, und der Emitter ist über einen Widerstand R5 mit Masse sowie mit der Basis eines Transistors 36 verbunden. Dessen Kollektor führt über einen Widerstand 93 zur Spannungsversor-

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gung von +12 Volt, und der Emitter des Transistors 36 ist über einen Widerstand R6 mit Masse verbunden.

Im Gleichrichter 28 ist eine Anode einer Diode 42 an den Kollektor des Transistors 36 angeschlossen, während die Kathode zum nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 189 führt. Der invertierende Eingang dieses Verstärkers 189 ist mit dessen Ausgang verbunden, unfeinen Trennverstärker auf der Leitung 99 mit einem Verstärkungsfaktor von eins zu bilden. Von der Kathode der Diode 42 führt eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 4o und einem Widerstand R2o6 zur Masse.

In Figur 2, Teil B, bildet der Kreis 2o2 in gestrichelten Linien die Hervorhebungs- und Verstärkungsfunktionen. Ein Kondensator 6o führt vom Ausgang des Verstärkers 189 zum nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A2ol. Dessen invertierender Eingang ist mit dem Verstärkerausgang verbunden. Ein Widerstand 117 führt vom nicht invertierenden Eingang an Masse.

Die Verstärker A2o2 und A2o3 bilden zusammen mit ihren negativen Widerstands-Kondensator-Rückkopplungsnetzwerken ein zweistufiges aktives Filter. Die Signale vom Ausgang des Verstärkers A2ol werden verstärkt und gefiltert und erscheinen dann an der Leitung 3o4

Die Funktion des beschriebenen Teils der Schaltung ist wie folgt. Die modulierten Trägerimpulse werden vom Fototransistor 24 empfangen und vom Verstärker I8o verstärkt. Der Kondensator 32 koppelt die modulierten Trägerimpulse unter Unterdrückung ihrer Gleichspannung spegel an die Basis des Transistors 34 an. Die Widerstände R3 und 176 sind so ausgewählt, daß der Vorspannungspunkt des Transistors 34 nahe dem Zentrum seines aktiven Bereichs vorgespannt ist, wodurch die Trägerimpulse den Transistor weder abschalten noch in die Sättigung treiben. Der Transistor 34 ist als Emitterfolger-Verstärker geschaltet und sorgt für eine Stromverstärkung zum Treiben des Transistors 36, der seinerseits für eine Spannungsverstärkung sorgt.

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Die Diode 42, der Kondensator 4o und der Widerstand R2o6 führen die Demodulation durch. Positive Impulse begründen ein Durchschalten der Diode, wodurch der Kondensator 4o geladen wird. In der Zwischenzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen fällt die Spannung am Kondensator 4o durch langsame Entladung über den Wider stand R2o6 ab. Die Zeitkonstante des Kondensators 4o und des Wider stands R2o6 wird im Vergleich zu der Periode des Trägers von etwa 8oo Mikrosekunden groß gewählt, so daß die Spannung am Kondensator nur weit genug fällt, um der größten erwarteten Änderungsrate des modulierten Signals zu folgen. Bei der bevorzugten Ausführungs form weist der Kondensator 4o einen Wert von o,ol Mikrofarad auf, währt
hat.

während der Widerstand R2o6 einen Wert von ein Megohm (Io Ohm)

Der Verstärker 189 fungiert als Trennverstärker mit der Verstärkung eins, um die nachfolgenden Kreise daran zu hindern, den Demodulator zu beeinflussen bzw. aufzuladen. Das Ausgangssignal vom Demodulator gelangt über einen Kondensator 6ο zum Eingang des Verstärkers A2ol. Abgesehen von der hierdurch erfolgenden Gleichspannungsunterdrückung arbeitet der Kondensator 112 mit einem Widerstand R224 zur Bildung eines Hochpaßfilters zusammen, um die Niederfrequenzabhängigkeit des Kreises zu verändern. Der Zweck dieser Filterung ist nachfolgend näher beschrieben» Der Verstärker A2ol bildet ähnlich wie der Verstärker 189 einen Einheits-Trennverstärker.

Der dem Verstärker A2o2 zugeordnete Kreis sorgt für eine Spannungs verstärkung und für eine Tiefpaßfilterung. Die Verstärkung des Kreises wird durch das Verhältnis des Rückkopplungswiderstandes R226 zum Eingangswiderstand R225 bestimmt. Der Widerstand R227 ist der Stabilisierungswiderstand und so gewählt, daß sein Wert gleich demjenigen der Parallelschaltung aus den Widerständen R225 und R226 ist. Der Kondensator C2o8 in der Rückkopplungsschleife sorgt für einen Rückkopplungsdurchlaß für höhere Frequenzen und damit für eine Tiefpaßfunktion. Die Kondensatoren C2o9 und C21© (Wechselstrom) koppeIn das Signal zu dem dem Verstärker ä2o3 zugeordneten Kreis, der dem im Zusammeilhang mit dem Verstärker A2o2

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beschriebenen Kreis genau entspricht. Der Kreis innerhalb der gestrichelten Linie 2o2 stellt funktiOHsmäßig einen Verstärker und ein Bandpaßfilter dar.

Gemäß Figur 4 sind Wellenformen 26o und 262 zur Illustration der Arbeitsweise des Kreises dargestellt. Die Impulse 278 beinhalten übertriebene 1,2 Kilohertz-Trägerimpulse nach dem Empfang vom Fototransistor 24 und nach der Verstärkung, jedoch vor einer Gleichrichtung durch die Diode 42. Die Impulse sind in einem willkürlichen Maßstab gezeichnet und dienen lediglich zur Erläuterung des Arbeitsprinzips. Jeder Impuls weist eine relativ große konstante Gleichspannungskomponente gemäß der Hinweiszahl 276 auf. Ferner tragen die Impulse einen variablen Modulationsanteil, der von der Änderung im Blutvolumen in der Haut unter dem Meßkopf abhängt. Beispielsweise nimmt der dargestellte Modulationsanteil der Impulse graduell von dem Impuls 28o bis zum Impuls 282 zu. Die Wellenform 262 zeigt das in der Modulation auf den Trägerimpulsen enthaltene Signal. Sie stellt das auf der Wellenform 26o enthaltene Modulationssignal nach der Demodulation mit dem Gleichrichterkreis 28 dar. Da die Frequenz auf den Trägerimpulsen viel größer als die sehr niedrige Frequenz eines vollständigen Herzschlagzyklus ist, überstreicht die horizontale Zeitachse in Figur 4 nur einen sehr kleinen Teil eines Herzschlagzyklus.

Die Wellenformen 264 und 266 aus Figur 4 sind bei unterschiedlicher Zeitbasis dargestellt und stellen die sich über mehrere vollständige Herzschlagzyklen erstreckenden Kurven dar. Die Wellenform 264 bildet das Spannungssignal am Ausgang des Verstärkers 189 nach der Demodulation, jedoch vor einer Weiterverarbeitung in den Filter- und Hervorhebungskreisen. Die Wellenform 266 stellt die Spannung an der Leitung 3o4 nach der Filterung dar. Dieses Signal wird als Impulswelle bzw. Pulswelle bezeichnet. Die Wellenformen 264 und 266 weisen zwei Zeitperioden 284 und 286 auf. In der Periode 284 ist eine Kurve dargestellt, die von einer Messung eines Patienten nach eine:mittelmäßigen Bewegung herrührt. Die Wellenform entsprechend der Periode 286 ist während einer Arbeitsbetätigung ohne besondere physische Anstrequng oder Bemühung auf-

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genommen, wobei jedoch die typischen Körperbewegungen eingeschlossen sind, was für eine sich an einer Arbeitsposition während des Sitzens auf einem Stuhl oder einem Arbeitsstand bewegende Person zutrifft. Der Teil der Wellenformen zwischen den Hinweiszahlen 272 und 274 sowie zwischen 288 und 29o entspricht der linken Kammerausstoßphase. Ein Vergleich der Wellenformen 266 und 264 zeigt deutlich die Betonung bzw. Hervorhebung, die sich hinsichtlich der Neigung dieser Phase des Herzschlagzyklus aufgrund der Filterungs- und Hervorhebungskreis ergibt. Die medizinische Bedeutung dieser Betonung bzw. Verdeutlichung wird nachfolgend erklärt.

Die Ausgangswellenform an der Leitung 3o4 wird als Impulswelle bezeichnet und durch einen Impulswellenkreis 5o dargestellt. Dieser Kreis enthält einen Impulswellenmesser 116, der über Widerstände R238 und R239 mit der Leitung 3o4 verbunden ist. Die genannten Widerstände weisen denselben Wert auf, und der Widerstand R239 kann mit einem Schalter SW2oo kurzgeschlossen werden, wobei dieser Schalter Anhebungsschalter genannt wird. Ein Schließen dieses Schalters verdoppelt den Skalenfaktor des Impulswellenmessers 116 und wird benutzt, wenn die Betrachtung sehr kleiner Impulswellen notwendig ist.

Mit der Leitung 3o4 ist ferner der Impulsamplitudenkreis 2o4 verbunden, der einen Präzisions-Wechselstrom-Gleichstrom-Konverter enthält. Konverter der für die vorliegende Erfindung erforderlichen Art sind auf dem Elektronikgebiet bekannt, und es wird auf eine detaillierte Beschreibung des Betriebes verzichtet. Die Aufgabe des Konverters 2o besteht darin, an seinem Ausgang auf einer Leitung 3o2 ein Gleichspannungssignal zu erzeugen, das proportional zur Spitzen-Spitzen-Amplitude der an der Leitung 3o4 erscheinenden Wechselspannung ist, und zwar gemittelt über etwa 1,5 Sekunden. Der Zweck dieser Umwandlung besteht darin, daß die proportionale Gleichspannung an der Leitung 3o2 schließlich am Impulsamplitudenmesser Io2 angezeigt wird, um das Schwingungsausmaß des Impulswellenmessers darzustellen, und zwar von seinem niedrigsten bis zum höchsten Punkt und in denselben Meßeinheiten entsprechend der Eichung des Impulswellenmessers. Dementsprechend

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braucht die Bedienungsperson lediglich flüchtig auf das Meßinstrument Io2 zu schauen, um die Größe der Impulswelle zu erhalten, ohne daß ein Auszählen der Zahlunterteilungen der Skala auf dem Impulswellenmesser 116 notwendig ist, durch die die Nadel schwingt

Das Impulsamplitudensignal auf der Leitung 3o2 wird in der nachfolgend beschriebenen Weise zum Gewebedurchflußkreis 54 geführt. Die Leitung 3o2 führt über einen Widerstand 152 zum nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers A2o6. Ein Kondensator 156 und ein Widerstand 216 sind parallel zueinander zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 182 und Masse geschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 182 ist über ein Widerstands-Kondensator-Netzwerk zum invertierenden Eingang zur Steuerung der Verstärkung zurückgeführt. Der Ausgang des Verstärkers führt ferner über Widerstände R252 und R253 zum Gefrebedurchflußmesser 158. Ein Schalter SW2ol ist für ein momentanes Kurzschließen einer der Widerstände zur Vergrößerung der Empfindlichkeit des Meßgerätes vorgesehen.

Drei veränderbare und Potentiometer 22o, 222, 224 enthaltende Widerstandsnetzwerke sind in spannungssummierender Weise mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers Ä2o6 verbunden. Diese Netzwerke sind mit Plus- und Minusanschlüssen von 15 Volt-Spannungsversorgungen verbunden. Im Betrieb wird das Impulsamplitudensignal auf der Leitung 3o2 über eine Zeitperiode von etwa 5o Sekunden durch die Widerstände 152 und 216 sowie den Kondensator 156 integriert, die zusammen einen Integrator 2lo bilden. Die Ladezeitkonstante wird durch den Kondensator 156 und den Widerstand 152 gesteuert, während die Entladezeitkonstante durch den Widerstand 216 und den Kondensator 156 bestimmt wird. Die am nicht invertierenden Eingang des Verstärkers Ä2o6 erscheinende gemittelte Spannung wird durch manuelles Betätigen der Potentiometer 22o, 222 und 224 angepaßt, um einen Nullausgang am Meßgerät 158 zu erzeugen. In der Ausführungsform gemäß Figur 2, Teil B, sind die Potentiometer 22o, 222 und 224 gräzisions-Drehpotentiometer mit zehn Drehungen, wobei mechanisch anzeigende Skalen bzw. Anzeigescheiben eingebaut sind, die die Anzahl der Drehungen des Potentiometers

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darstellen. In der Praxis wird das Potentiometer 222 eingestellt, um das System bei Abwesenheit irgendeines Signals an der Leitung 3o2 auf Null zu stellen. Danach wird während der Benutzung eine Impulswellenamplitude eines geprüften Patienten zur Leitung 302 geführt. Die Potentiometer 22o und 224 werden dann von Hand verstellt, bis das Meßinstrument 158 wieder auf Null steht. Dabei ergibt die Ablesung der Drehanzeiger der Potentiometer einen numerischen Wert, der der quantitativen Messung des Gewebedurchflusses entspricht.

In der am meisten bevorzugten Ausfuhrungsform wird die Messung des Gewebedurchflusses automatisch ohne die Notwendigkeit einer manuellen Einstellung der Potentiometer vorgenommen. Der Betrieb einer derart bevorzugten Ausführungsform ist nachfolgend näher beschrieben.

Die Komponenten zum Aufbau der bevorzugten Ausführungsform aus Figur 2 sind in der folgenden Aufstellung wiedergegeben.

Figur 2, Teil a Meßkopf:

Folgende Widerstände in Kilo-Ohm: R2oo - looy R2ol - 3,9; R2o2 5,6? R2o3 - 5,6; R2o4 - 4,7; R2o5 - loo. Weitere Glieders 2o lichtemittierende Diode, Monsanto^ MEGO; C2oo - 56 Mikrofarad; C2ol - 68 Mikrofarad, polarisiert, 6 Volt; C2o2 - 189 Pikofarad; C2o3 - o,öl Mikrofarad; C2o4 - 2,2 Mikrofarad; 188 - JEDEC, 741, Operationsverstärker; 24 - Fototransistor, Fairchild FPF13o. Melkopfantrieb 182:

Folgende Widerstände in Kilo-Ohm: R27o - 11; R271 - 1,5; R272 3,o.; R273 - 12; R274 - lo; R275 - 3; R276 - 24; R277 - lo; R278 1; R279 - lo; R28o - o,ll. Weitere Werte: C22o - o,l Mikrofarad; C221 - 12o Pikofarad; Q2oo, Q2ol - NPN Transistor 2N2222A; Q2o2 NPN Transistor 2N29o7A; 184 - Multivibrator NE555V. Demodulator 14:

Folgende Widerstände in Kilo-Ohm: R3 - 3oo; 176 — 2oo, Trimpoti, Spectrol 41; R5 - 1; R6 - o,27; R2o6 - looo; 38 - lo. Weitere Werte: 32 - o,ol Mikrofarad; 4o - o,ol Mikrofarad; 42 - Diode

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1N4154; 34 und 36 - NPN Transistor 2N 3392; 189 - 741 Operationsverstärker.

Figur 2, Teil B

Folgende Widerstände in Kilo-Ohm: R224 - 39o; R225 - 8,2; R226 39; R227 - 7,5; R228 - 8,2; R229 - 7,5; R23o - 82; R54 - lo; R231

- lo; R232 - lo; R233 - lo; R234 - lo; R235 - lo; R236 — lo; R237

- 3,9. Weitere Werte: 6o - l,o Mikrofarad; C2o8 - l,o Mikrofarad; C2o9 - loo Mikrofarad, polarisiert, 16 Volt; C21o - 5o Mikrofarad, polarisiert, 16 Volt; C211 - o,l Mikrofarad; C212 - 94 Mikrofarad, polarisiert, gebildet durch ein Paar von parallelgeschalteten Kondensatoren mit 47 Mikrofarad; A2ol bis A2o5 - Operationsverstärker, JEDEC 741; D2o5 und D2o6 - Dioden, 1N4148.

Meßgerät 5o:

R238 und R239 - loo Kilo-Ohm; SW2oo - Druckschalter; 116 — o-2oo Mikroampere, hochkant, D'arsonval-Bewegungsmesser; Honeywell MCE Meßgerät 48:
R24o - loo Kilo-Ohm.
Meßgerät 54:

Folgende Widerstände in Kilo-Ohm: R241, R242 und R243 - 2,5; R22o, R222 und R224 - 5, Io Windungen, Präzisionstrimpotentiometer mit Drehanzeigescheiben; R247, R248 und R249 - 5o; R216 — 47; R251 25o; R252, R253 und R152 - loo. Weitere Glieder: 156 — 45o Mikrofarad; C213 - o,l Mikrofarad; A2o6 - Operationsverstärker, JEDEC 741; SW2ol - Druckschalter.

Die genaue Meßgeräteausgabe des Impulsamplitudenteils 48, des Impulswellenteils 5o und des Gewebedurchflußteils 54 ist bei der vorliegenden Erfindung unkritisch und kann in irgendeiner bekannten Weise vorgenommen werden, wobei die zuvor beschriebenen Anzeigegeräte nur beispielhaft genannt sind. Als Beispiel einer anderen Ausgabeform wird auf Figur 3 verwiesen, die ein Blockschaltbild einer Digitalausgabe beinhaltet. Ferner ist in Figur 3 so viel vom Meßbereichskreis dargestellt, wie eine Änderung für die Erzielung einer digitalen Ausgabe notwendig ist. Die Eingänge der mit 3oo bezeichneten Digitalausgabe sind Leitungen 3o2 und 3o4, die mit entsprechend bezifferten Leitungen im Kreis aus Figur 2, Teil C, übersteinstimmen. - 17 -

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Mit der Leitung 3o4 ist ein Triggerkreis und Treiber 3o6 verbunden, der zu einer Impulslampe 3o8 führt. Der Kreis 306 läßt die Impulslampe 3o8 beim Auftreten eines jeden Herzschlagimpulses auf der Leitung 3o4 aufblitzen. Ferner ist mit der Leitung 3o4 ein Impulsratenzähler 31o verbunden, der einen elektronischen Digitalzählerkreis aufweist, welcher die Anzahl der auf der Leitung 3o4 auftretenden Impulswellen innerhalb einer vorgegebenen Zeitperiode zählt und eine entsprechende Anzeige auf einer Impulsratenausgabe 312 begründet. Diese stellt eine zweiziffrige Digitalanzeige zum leichten Ablesen durch die den Korrelator benutzende medizinische Person dar. Geeignete Kreise zur Verwendung im Zähler 3Io und in der Ausgabe 312 sind bekannt, und deren genauer Aufbau bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung. In der bevorzugten Ausführungsform zählt der Zähler 3Io über eine Periode von 12 Sekunden, wobei ein Vielfaches von fünf die wirksame Pulsrate pro Minute angibt.

Die Leitung 3o2 verbindet das Pulsamplitudensignal vom Kreis aus Figur 2, Teil C, mit einer modifizierten Art eines Gewebedurchflußmeßgerätes 54. Bei der vorliegenden Digitalausgabe 3oo wird lediglich vom vorherigen Gewebedurchflußmesserbereich 54 der Integrator 2ld benötigt, der notwendigerweise den Widerstand 152, den Kondensator 156 und den Widerstand 216 umfaßt. Ein Operationsverstärker 314 mit einer Verstärkung von eins sorgt für eine große Impedanz zwischen dem Integrator 21o und dem Ausgabekreis. Die Leitung 3o2 führt über den Widerstand 152 zum nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 314. Der Kondensator 156 und der Widerstand 216 liegen parallel zueinander sowie zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 314 und Masse. Der Ausgang des Verstärkers 314 ist über eine Leitung 316 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden. Der Kondensator 156 dient zur Mittelung bzw. Integration des Impulsamplitudensignals. Der Widerstand 152 sorgt für eine Ladezeitkonstante, während der Widerstand 216 eine unterschiedliche Entladezeitkonstante bestimmt. Auf diese Weise ergibt sich am Ausgang des Integrators 2I0 eine Spannung, die der mittleren Impulsamplitude entspricht. Diese Spannung stellt gemäß der obigen Erklärung eine quantitative Messung des Gewebedurchflusses dar. - 18 -

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Wie bereits vorher erläutert wurde, können das Impulsamplitudensignal an der Leitung 3o2 und das Gewebedurchflußsignal bei 316 mit einem Paar kleiner Amperemeter mit geeigneten Skalenfaktoren dargestellt werden. In der bevorzugten Ausführungsform werden jedoch digitale Ausgänge benutzt, und es sind eine Impulsamplitudenausgabe 318 und eine Gewebedurchflußausgabe 32o dargestellt. Diese Ausgaben können irgendwelche leicht erhältlichen Digitalanzeigen sein, beispielsweise unterteilte Anzeigen mit lichtemittierenden Dioden oder Gasentladungsvorrichtungen.

Ein Analog-Digital-Wandler 322 wird zur Umwandlung des Impulsamplitudensignals und des Gewebedurchflußsignals in eine digitale Form für eine Anzeige auf den entsprechenden Ausgaben benutzt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Multiplexanordnung benutzt, so daß nur ein Analog-Digital-Wandler erforderlich ist. Sofern es erwünscht ist, können selbstverständlich auch separate Analog-Digital-Wandler benutzt werden. In der bevorzugten Ausführungsform aus Figur 3 verbindet ein Paar von Schaltern 324 und 326 die Impulsamplituden- und Gewebedurchflußsignale entsprechend mit dem Eingang des Konverters 322. Die beiden Schalter werden von einer Steuerlogik 334 gesteuert. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 322 ist mit den Eingängen von Datenregistern 33o und 332 verbunden, deren Beladung von der Steuerlogik 334 gesteuert wird. Die im Register 33o gespeicherten digitalen Daten werden zur Impulsamplitudenausgabe 318 geführt. Die im Register 332 gespeicherten digitalen Daten werden zu einem anderen Datenregister 336 geleitet, von dem sie zur Gewebedurchflußausgabe 32o geführt werden. Die Datenausgänge der Datenregister 332 und 336 werden entsprechend zu den Eingängen eines Differenzkreises 338 geführt. Der Ausgang des Differenzkreises wird einer Delta-Gewebedurchflußausgabe 34o eingegeben. Der Betrieb des Differenzkreises 338 und die Beladung des Datenregisters 336 werden vom Gewebedurchfluß-Verriegelungskreis 342 gesteuert.

Im Betrieb überwacht die Steuerlogik 334 die abwechselnde Anschaltung der Impulsamplituden- und Gewebedurchflußsignale. Bei einer Durchschaltung eines Impulsamplitudensignals erregt die Steuer-

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logik 334 den Schalter 324, so daß das Impulsamplitudensignal an den Analog-Digital-Wandler 322 gelangt. Die Steuerlogik 334 beeinflußt dann den Wandler 322, der das analoge Impulsamplitudensignal von der Leitung 3o2 in einen Digitalwert umwandelt. Am Ende dieser Umwandlung beeinflußt die Steuerlogik 334 das Datenregister 33o, so daß das Impulsamplitudensignal in das Register 33o in Digitalform eingespeichert wird. Die Inhalte des Registers 33o werden, abgesehen von dem Zeitpunkt einer Umspeicherung, kontinuierlich zur Ausgabe 318 geleitet und dort angezeigt. Wenn eine Wandlung des Gewebedurchflußsignals durchgeführt werden soll, betätigt die Steuerlogik 334 den Schalter 326, so daß ein analoges Gewebedurchflußsignal zum Wandler 322 gelangt. Nach der Umwandlung führt die Steuerlogik 334 das Digitalsignal in das Datenregister 332. Beim normalen Betrieb wird dieses digitale Signal ferner zum Datenregister 336 und von dort zur Gewebedurchflußausgabe 32o geführt.

Wenn die Gewebedurchflußverriegelung 342 arbeitet, und zwar nach Betätigung einss Druckschalters auf der Steuerdatei, wird das Datenregister 336 an einer Annahme weiterer Daten vom Datenregister 332 gehindert. Dementsprechend wird das zuletzt empfangene digitale Gewebedurchflußsignal im Register 336 gehalten und in der Ausgabe 32o so lange angezeigt, wie die Gewebedurchflußverriegelung im Betrieb ist. Bei dieser Betriebsart wird der Differenzkreis 33£ betätigt, der einerseits das verriegelte oder Referenz-Gewebedurchflußsignal vom Datenregister 336 und andererseits das augenblickliche Gewebedurchflußsignal vom Datenregister 332 empfängt, dessen Inhalt kontinuierlich auf den neuesten Stand gebracht wird. Der Differenzkreis 338 bestimmt die Differenz zwischen den beiden Gewebedurchflußangaben, entweder plus oder minus, und stellt die Differenz in der Delta-Gewebedurchflußausgabe 34o dar. Die spezielle Digitaltechnik zur Bildung der Differenzfunktion des Elements 338 ist bekannt und bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann ein Digitalkomparator mit einen voreinstellbaren Vorwärts-Rückwärts-Zähler benutzt werden. Je nacl· dem, ob der neue Gewebedurchflußinhalt größer oder kleiner ist„ wird der Zähler schrittweise vorwärts oder rückwärts gezählt, und

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zwar mit der Schrittanzahl, die erforderlich ist, um die beiden Daten entsprechend der Differenz gleich zu machen. Die Steuerlogik für die Digitalausgaben kann so ausgebildet sein, daß sie in geeigneten Intervallen, beispielsweise jeweils nach einigen Sekunden, zu dem neuesten Stand entsprechenden Daten führt.

Da keine Standardwerte oder Normen für die Messung der Größe des Gewebedurchflusses existieren, sind die nach der vorliegenden Erfindung erhältlichen Meßwerte des Gewebedurchflusses notwendigerweise willkürlich bzw. ohne bekannten Vergleichsmaßstab. Dennoch stellen die Ablesungen nach Einstellung bzw. Feststellung der Verstärkung des Gesamtsystems und des Skalen- bzw. Maßstabsfaktors der Vorrichtung nützliche quantitative Messungen dar, wenn eine Einzelmessung mit einer derartigen Norm verglichen wird, die auf einer Anzahl anderer Ablesungen verschiedener anderer Einzelmessungen beruht. In ähnlicher Weise sind beim Messen des Mikrokreislaufs eines vorgegebenen Individuums über eine Zeitperiode die relativen Änderungen von großer Bedeutung, die in Abhängigkeit von willkürlichen Einheiten ausgedrückt werden können.

Zur Schaffung einer festen Vergleichsbasis für diese Messungen wurden die Eich- und Maßstabsfaktoren der bevorzugten Ausführungsform fixiert, indem die Kreise entsprechend den vorstehenden Angaben der Komponentenwerte ausgelegt wurden. Bei der nachfolgenden medizinischen Erärterung gelten die benutzten numerischen Werte für eine Vorrichtung nach der bevorzugten Ausfuhrungsform der angegebenen Art.

Der Pulswellenmesser 116 kann als linkes Kammerausstoß-Meßgerät bezeichnet werden, da die hierdurch angezeigte Information den Charakter des linken Kammerausstoßes aus der Sicht der Arteriolen, Metarteriolen und weiterer Kanäle wiedergibt. Es kann vorausgesetzt werden, daß der Venenrückdruck und die geringe Größe der Arterien bzw. Pulsadern und der Metarteriolen zu einer Ausfilterung von Kammerausstoßcharakteristxken führen. Dieses Problem wurde vorhergesehen, wobei jedoch der elektronische Hervorhebungsund Filterungskreis eingebaut wurde, um die für die Kammertätig-

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keit repräsentativen Wellenkomponenten größerer Geschwindigkeit hervorzuheben.Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen die Filter- und Anhebungskreise eine gleichförmige Frequenzabhängigkeit von 3,75 bis 6,75 Hertz auf. Typische Wellenformen hinsichtlich des Impulswellenmessers wurden bereits im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben. Diese können auf einem mit der Leitung 3o4 aus Figur 2B verbundenen Oszilloskop beobachtet werden. Da der Herzschlag langsam genug ist, ist auch eine optische Betrachtung durch Beobachtung der Auslenkung des Impulswellenmessers 116 möglich. Die augenfälligste Komponente dieser Wellenform ist die Pulsader-Impulswelle, die die Pumpwirkung des Herzens repräsentiert. Jedoch ist die derart am Impulswellenmesser abgelesene Welle nicht identisch mit der Pulswelle, die mit einem Katheter in einem größeren Gefäß oder einem an einen Finger oder Zeh angeschlossenen Blutfarbenmesser angezeigt werden kann. Sie zeigt den relativen Herzschlagausgang. Da die Welle jedoch am Endorgan des Mikrokreislaufs aufgenommen und abgelesen wird, beinhaltet sie ferner eine Funktion des Gefäßverhaltens unter Einschluß der relativen Elastizität, der Nachgiebigkeit und der Empfindlichkeit der Kapillaren in den Arterien.

Die Stärke der Nadelschwingung und die Größe des Bewegungspfades zeigen die relative Stärke der linken Kammerkontraktion und des relativen Auslaßvoitumens an. Die Ausstoßzeiten und das Zeitverhalten können aus der Anzeige dieses Meßgerätes bestimmt werden. Kammerunregelmäßigkeiten (arrythmias) und PVC-Erscheinungen können dargestellt und aber besser an der Impulslampe 3o8 beobachtet werden. Wenn ein Patient bei einem Versuch einer Messung vor, kurz nach und einige Minuten nach einer Belastungsperiode unterworfen wird, kann die Belastungsfähigkeit des Herzens bestimmt werden. Die Verwendung eines Valsalva-Vorgangs ist besonders nützlich in Verbindung mit einer Impulswellenablesung.

Eine normale Impulswelle führt zu einer Anzeigeschwingung bzw. -auslenkung von 5o oder 6o bis I4o oder 15o. Dabei ist der Ia* pulswellenmesser mit ο bis 2oo bezeichnet, wobei die Mittelposition bei loo die Nullposition darstellt. Eine Kammerhypertrophy - 22 -

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kann eine Schwingung von 5o bis 15o oder 2oo anzeigen. Bei einer Erschütterung kann sich eine Ablesung von nur loo ergeben, wobei sich die Nadel kaum bewegt. Diese Werte beziehen sich auf einen liegenden bzw. zurückgelehnten Patienten bei zuvor angeordnetem Meßkopf.

Der Impuls- bzw. Pulswellenmesser wurde derart beschrieben, daß er eine Information hinsichtlich des linken Kammerausstoßes gibt. Dabei sollte jedoch ein anderer Faktor erwähnt werden. Wenn sich der Meßkopf auf einem Mikrokreislauf-Untergrund bei relativ weiter Entfernung vom Herzen befindet, besonders an den Gliedmaßen, spricht das Meßgerät ferner auf Charakteristiken der größeren intravenösen Blutgefäße an. Dies ermöglicht eine Erfassung auch anderer Zustände und Bedingungen, wie Aneurismen und anderer Angiopathien.

Die Impulsamplitudenausgabe 318 hilft dem Arzt durch digitale Anzeige der Schwingungsamplitude des Impulswellenmessers. Wenn dieser von 5o bis 12o schwingt, ergibt sich eine Impulsamplitudenablesung von 7o. Eine Impulswellenschwingung von 7o bis 2oo führt zu einer Amplitudenablesung von 13o.

Eine normale Pulsamplitude liegt im Bereich von 4o bis loo. Darunterliegende Werte zeigen eine geringe Herztätigkeit bzw. einen niedrigen Herzausgang an. Zusätzlich zu den spezifischen Ablesungen sind die Tendenzen der Pulsamplitudenanzeige höchst bedeutungsvoll. Wenn sich bei einem Patienten eine Ablesung von 4o ergibt, die nachfolgend fällt, fällt auch die Herztätigkeit bzw. die Herzauslaßwirkung. Der Grad des Abfallens und die Zeit des Auftretens zeigen dem Arzt die Schwere des Zustands und die Dringlichkeit einer notwendigen Behandlung.

Die Digitalanzeige der Pulsrate kann in Verbindung mit den Ablesungen von den anderen Anzeigeorganen nützlich sein. Häufige auf den Pulsamplituden- und Gewebedurchflußausgaben festgestellte Tendenzen können vielfach durch Beobachtung von Änderungen in der Pulsrate diagnostisch geklärt werden.

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Die Gewebedurchflußablesungen an der Ausgabe 32o zeigen direkt den Gewebedurchfluß an. Je größer die Anzeige, desto größer auch die Gefäßerweiterung (vasodilation); je kleiner die Anzeige, desto größer die Gefäßverengung (vasoconstriction). Normale Werte oder Ablesungen wurden im Bereich von 3,oo bis 6,oo festgestellt. Eine Erschütterung (shock) kann Werte zwischen ο bis 2,9o ergeben. Ablesungen über 6,oo haben einen Adrenal-Ortical-Mangel und ein Fehlverhalten der rechten Herzkammer angezeigt. Polycytagmia kann zu Werten von 7 bis 8 führen. Eine fortgeschrittene Arterienverkalkung mit einem schlechten und unzureichenden Mikrokreislauf kann Gewebedurchflußablesungen von weniger als 2 ergeben. Diese Beispiele wurden aufgezeigt, um die für eine auf Unterschiede gestützte Diagnostik der Bedienungsperson erforderlichen Vergleichssituationen darzustellen. Eine gegebene Gewebedurchflußanseige muß mit anderen bekannten Zuständen bzw. Bedingungen des Patienten verglichen oder korreliert werden, um eine vollständige Diagnose seines Zustands geben zu können.

Zusätzlich zur quantitativen Messung des Gewebedurchflusses in einem bestimmten Augenblick kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch beim Aufspüren anhängiger bzw. bevorstehender Zustände oder Krankheiten benutzt werden, die sich zuerst in Änderungen des Gewebedurchflusses zeigen.

Obwohl das genaue Phänomen unbekannt ist, da8 eine Änderung des Gewebedurchflusses zu Beginn einer Zustandsänderung, einer Krankheit oder einer Störung begründet, wird davon ausgegangen, daß dieses Phänomen mit dem selbsttätigen Nervensystem zusammenhängt. Der Wert des Gewebedurchflusses hängt unter anderem von der Menge des an die Kapillaren bzw. Kapillargefäße gelieferten Blutes ab. Diese Menge kann durch die Muskelkontraktion und -expansion bestimmter Gefäße des Mikrokreislaufsystems gesteuert werden; wobei die gelieferte Blutmenge reduziert wird, wenn sich die Steuermuskeln (einschließlich der vor- und nachkapillaren Schließmuskeln) zusammenziehen, und beim Ausdehnen der Muskeln vergrößert wird= Es ist bekannt, daß neurogene bzw. Nervenimpulse vom autonomen Nervensystem über chemische Vermittler die Expansion und Kontrak-

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tion der Steuermuskeln steuern können. Wegen dieser Analogie wird angenommen, daß die letzte Quelle der neurogenen Impulse das Gehirn ist. Kurz gesagt verwendet der Steuerzyklus, durch den der Gewebedurchfluß gesteuert wird, das autonome bzw. vegetative Nervensystem zum Anzeigen des Blutbedarfs der verschiedenen Körperteile. Das autonome Nervensystem überträgt die neurogenen Impulse zum Gehirn.entsprechend dem jeweiligen Bedarf. Das Gehirn berechnet den Blutbedarf der verschiedenen Körperteile und Organe und sendet neurogene Impulse zu den Steuermuskeln, um diese in Bereichen mit relativ geringem Blutbedarf zusammenzuziehen und in den Bereichen mit einem relativ großen Blutbedarf zu expandieren. In extremen Fällen, wenn beispielsweise der gesamte Blutbedarf die vorliegende Blutversorgung übertrifft, setzt das Gehirn Prioritäten hinsichtlich der Blutzuteilung. Das Gehirn selbst behält sich die größte Priorität vor, wobei andere Körperteile und Organe entsprechend ihren relativen Bedeutungen Prioritäten erhalten. Beispielsweise wird der Zustand eines Schocks dadurch beantwortet, daß weitgehend die gesamte Blutversorgung zum Gehirn umgeleitet wird. Der frühere Wissensstand wird offensichtlich durch die vorliegende Erfindung dadurch erweitert, daß neurogene und den Beginn eines derartig extremen Falls signalisierende Impulse offenbar vor dem tatsächlichen Auftreten einer Zustandsänderung zum Gehirn geleitet werden, wodurch dieses die anhängige bzw. bevorstehende Zustandsänderung vorwegnehmen und schon vorher Impulse zur Regulierung der Blutströmung zu den Muskeln senden kann. Zur Zeit ist eine direkte Messung des autonomen Mikrokreislauf-Nervensystems mit einer nicht eingreifenden bzw. nicht verletzenden Methode undurchführbar. In dem Maße, wie das Mikuokreislaufsystem von den neurogenen Impulsen stärker als das allgemeine Kreislaufsystem oder andere Teile des physiologischen Systems gesteuert wird, ist der Mikrokreislauf eine bevorzugte Quelle für solche Daten, die eine indirekte Messung des autonomen Nervensystems für eine Diagnose anhängiger Zustandsänderungen darstellen.

Das ideale Mikrokreislaufgefäß für eine Messung ist die Kapillare bzw. das Kapillargefäß, da die darin erfolgende Strömung von einem vorkapillaren Schließmuskel und einem nachkapillaren

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Schließmuskel gesteuert wird. Der vorkapillare Muskel umschließt die die Kapillare speisende Metarteriole, während der nachkapillare Muskel die das Blut von den Kapillaren empfangende Sammelvene (collecting venoule) umschließt. Beide Muskeln sind zur Steuerung des Blutflusses in die Kapillare nervengesteuert. Im praktischen Fall schließt eine Messung auch andere Mikrokreislaufgefäße, wie Metarteriolen, Arteriolen und Venen (venoules) ein. Diese Gefäße sind zumindest teilweise auch nervengesteuert und liefern in ähnlicher Weise der Aktivität des autonomen Nervensystems entsprechende Daten. Eine Messung kann selbstverständlich auch Gefäße des allgemeinen Kreislaufsystems einschließen, vorausgesetzt, daß von den gesamten Daten der Messung die Daten des Mikrokreislaufsystems einen ausreichenden Teil ausmachen, damit Änderungen im Mikrokreislaufbereich erkennbar die Messung ändern.

Nachdem die Vorrichtung hinsichtlich ihrer Eichung fixiert ist und ein Bereich normaler Werte durch Ausmessung einer repräsentativen Probe von Personen aufgenommen wurde, kann in Übereinstimmung mit dem Wissen über die Bedeutung der verschiedenen Durchflußzustände eine Diagnose durchgeführt werden, entweder isoliert oder unter Betrachtung anderer subjektiver Symptome und objektiver Anzeichen der der Diagnose unterworfenen Person. Zu diesem Wissensstand gehören die zuvor erwähnten Artikel von Geza de Takats und Louise Grove sowie das Referenzbuch 'Functional Behavior of the Microcirculation' von Benjamin W. Zweifach, M.D., Ph.D. Natürlich ist im Fall einer Diagnose einer anhängigen bzw. bevorstehenden Zustandsänderung eine Norm bzw. ein Standardwert überflüssig, da hauptsächlich die Änderung des Gewebädurchflusses bedeutungsvoll ist und da der Bezugspunkt, von dem aus die Änderung gemessen wird, nur eine sekundäre Bedeutung hat.

Die folgenden Fälle oder Begebenheitsbeschreibungen werden als spezifische Beispiele für Zusammenhänge angegeben, bei denen Änderungen im Gewebedurchfluß eine anhängige bzw. bevorstehende Zustandsänderung signalisiert haben.

Ein Beispiel für eine Vorhersage einer anhängigen Zustandsände-

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rung bzw. eines bevorstehenden Kranhheitszustandes durch einen Gewebedurchflußmesser trat gemäß einem Fall 331774 während medizinischer Behandlungen auf, die nicht die Anwesenheit eines Arztes erforderten. Dieser Fall betrifft die Durchführung eines Farbverdünnungstests und eines Angiographyvorgangs bei einem Patienten. Vor Beginn des Tests und der Behandlung wurde der Gewebedurchfluß des Patienten nach der Erfindung gemessen, wobei sich eine Ablesung von 3,9 ergab. Nach Errichtung dieser anfänglichen Referenzablesung wurden die Verriegelung 342 gemäß Figur 3 betätigt und der Farbverdünnungstest eingeleitet. Nach Einführung eines Katheters in den Patienten zum Zwecke der Farbeinführung stieg die Anzeige an der Delta-Ausgabe 34o für den Gewebedurchfluß an und blieb bei plus 2,55 stehen, wobei sich eine tatsächliche Gewebedurchflußanzeige von 6,45 einstellte. Danach begann der Gewebedurchfluß zu fallen, und die Gewebedurchfluß-Differenzablesungen von 1,8, l,o und o,2 wurden zu verschiedenen Zeiten festgehalten, wobei allei drei Werte positiv waren. Während der gesamten Testzeit wurde auch ein EKG bzw. Elektrokardiogramm aufgenommen. Das EKG zeigte, daß alles bis etwa fünf bis zehn Minuten nach dem Auftreten des o,2-Wertes in Ordnung war. Zu dieser Zeit ergab sich jedoch aus der EKG-Anzeige der Beginn einer Herzhemmung bzw. eines Herzstillstands und speziell die Anwesenheit einer Kammer- bzw. Ventricular-Tachycardia, wobei zu dieser Zeit auch andere Anzeichen hierfür vorhanden waren. Beispielsweise hatte der Patient dabei eine ungewöhnlich große Pulsrate, nämlich mehr als loo Schläge pro Minute, und einen ungewöhnlich niedrigen Blutdruck. Entsprechend der EKG-Anzeige traten die ungewöhnlichen Werte der Pulsrate und des Blutdrucks erst fünf bis zehn Minuten nach dem Erscheinen des o,2-Wertes des Gewebedurchflusses auf. Die Wiederherstellung des Patienten wurde durch externe Herzkompression und medizinische Herzbehandlung (cardiotonic)medication) bewirkt.

In einem anderen Fall, bei dem die Zustandsänderung nicht steil bzw. plötzlich und demnach anders als der erwähnte Zustand einer Herzhemmung bzw. eines Herzstillstands, aber dennoch zunehmend erfolgten,ermöglichte ein Gewebedurchflußmesser dennoch eine frühe

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Indikation des Zustands. Es erfolgte eine geeipete Behandlung, wodurch das Fortschreiten rückgängig gemacht wurde, um das Erreichen eines solchen Punktes zu verhindern, bei dem der Zustand irreversibel ist. Während eines Operationsfalls Wr. 135249, einer Versuchslaparotomy, wurde der Gewebedurchfluß des Patienten nach einem Verfahren der vorliegenden Erfindung aufgezeichnet, und zwar unter Verwendung eines Gewebedurchflußmessers mit der beschriebenen Betriebsweise. Vor der Operation ergab sich ein Bezugswert von 4,5 für den Gewebedurchfluß. Während der Operation begann der Meßwert zu fallen und erreichte schließlich einen Niedrigwert von minus 1,8. Dem Patienten wurdei Ephedrine und das gesamte Blut verabfolgt, wobei ein irreversibler Beginn eines Schocks vermieden wurde, wie sich aus der Meßgeräteanzeige ergab, die anstieg und schließlich den ursprünglichen Wert von 4,5 wieder erreichte.

Die obigen Fälle zeigen zwei Beispiele, bei denen eine Änderung im Gewebedurchfluß den Beginn einer Zustandsänderung signalisiert haben. Die unterschiedlichen Zusammenhänge bzw. Anlässe in den Fällen ermöglichen eine Unterscheidung. Beispielsweise bestand der Zusammenhang bzw. der Anlaß für die Hershemmung in einem Farbverdünnungstest und einer Angiographybehandlung, was in bekannter Weise zusammen zu einem Stören des Herzens führt und daher eine Herzhemmung bzw. einen Herzstillstand begründen kann. Andererseits war der Zusammenhang bzw. der Anlaß im letzten Fall eine Operationsbehandlung. Dabei tritt ein Schock vergleichsweise häufiger als eine Herzhemmung bzw. ein Herzstillstand auf. Zusätzlich umfaßt der Zusammenhang alle sich dem Diagnostiker ergebenden objektiven Anzeichen und subjektiven Symptome, wie auch die vorherige medizinische Aufzeichnung über den Patienten.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur direkten, eingriffs- bzw. verletzungsfreien Messung wichtiger physiologischer Parameter eines Mikrokreislaufsystems, gekennzeichnet durch ein Aussenden von Licht in die Haut, durch ein Empfangen des in der Haut reflektierten sowie durch die Blutströmung im Mikrokreislaufsystern modulierten Lichtes und durch ein quantitatives Auswerten des reflektierten Lichts.

2J Diagnosevorrichtung oder -instrument zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Zwecke der Überwachung eines Patienten-Mikrokreislaufsystems, gekennzeichnet durch

a) eine lichtemittierende Einrichtung (18) zur Übertragung von Licht in das Mikrokreislaufsystem eines Patienten,

b) eine Lichtempfangseinrichtung (24) zum Empfangen eines vom Blutfluß modulierten Signals vom Mikrokreislaufsystem und

c) durch eine Einrichtung (28) zum Demodulieren des empfangenen Signals und zur Erzeugung eines zweiten Signals, das für den Blutfluß durch das Mikrokreislaufsystem des Patienten bezeichnend ist.

3. Diagnosevorrichtung nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Mittelung des zweiten Signals über eine vorbastimmte Zeitperiode, um ein drittes Signal zur quantitativen Messung des G3webedurchflusses zu bilden.

4. Diagnosevorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

a) eine Meßkopfanordnung (28o) zum Anbringen auf der Haut eines Patienten, wobei die Meßkopfanordnung eine Einrichtung mit lichtemittierenden Dioden (18) zum übertragen von Infrarotstrahlung in das Mikrokreislaufsystem eines Patienten und eine Fototransistoreinrichtung (24) zum Empfangen der vom Mikrokreislaufsystem reflektierten und von den darin vorgefundenen Blutflußbedingungen modulierten Signale aufweist, - 29 -

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b) ferner eine Pulserzeugungseinrichtung (182), die mit der Meßkopfanordnung (28o) verbunden ist und Impulse zur Erregung der lichtemittierenden Dioden (18) bildet,

c) einen die modulierten Signale vom Fototransistor (24)
empfangenden Demodulator zur Demodulierung der modulierten Signale und durch

d) eine Verstärkereinrichtung (2o2) zum Empfangen der vom
Demodulator demodulierten Signale und zum Verstärken und Filtern derselben, um Pulswellensignale zu bilden, die
für die Blutströmung im Mikrokreislaufsystem des Patienten bezeichnend sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch einen Impulswellenmesser (116) zum Empfangen der Pulswellensignale
und zur Bildung einer sichtbaren Anzeige.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch einen Pulsamplituden-Meßkreis zum Empfangen der verstärkten und gefilterten Signale von der Verstärkereinrichtung, der ein Pulsamplitudensignal entsprechend der Spitze-Spitze-Amplitude der
Pulswellensignale erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Pulsamplitudenausgabe (Io2, 318) zum Empfangen der ImpulsampIitudensignale und zur Bildung einer sichtbaren Anzeige derselben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Gewebedurchfluß-Meßkreis ( 54-) , der zum Empfangen der Impulsamplitudensignale angeschlossen ist und diese Signale über eine
vorbestimmte Zeitperiode zum Erzeugen der Gewebedurchflußsignale mitteIt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Gewebedurchflußausgabe (158, 32o), die die Gewebedurchflußsignale
empfängt und eine entsprechende quantitative Messung vornimmt.

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Ιο. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (336) zum Halten bzw. Speichern einer einzelnen Gewebedurchflußmessung in der Gewebedurchflußausgabe (32o) ferner durch eine Meßeinrichtung (338) zur Bestimmung der Differenz zwischen dem laufenden bzw. jeweiligen Gewebedurchflußsignal und der gespeicherten einzelnen Gewebedurchflußmessung, und schließlich durch eine Einrichtung (34o) zur Anzeige der gemessenen Differenz.

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