DE2529117A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der optischen dichte - Google Patents

Description

• Wallace E. Carroll Richatd D. Jackson Alan A. Wilcox Verfahren und Vorrichtung zur Messung der optischen Dichte Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der optischen Dichte, insbesonderte auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Signals, dessen Spannung in linearer Beziehung zur optischen Dichte einer haibtransparenten Probe steht, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Koagulationsgeschwindigkeit oder dergleichen von Fluiden.
• 3ekannte.Vorrichtungen sind in den US-PSen 3 650 698> 3 635 678, 3 607 099, 3 593 568 und 3 587 295 beschrieben.
• Aus der Fotometrie ist es bekannt, daß die Konzentration einer Lösung porportional ist der Differenz zwischen einer Konstanten und der optischen Dichte der Lösung. Damit kann die Konzentration fotometrisch dadurch festgestellt werden, daß das Naß bestimmt wird, in dem die Lösung monochromatisches Licht durchläßt und daß eine geeignete Umwandlung des Durchlaßvermögens zur optischen Dichte vorgenommen wird. Die optische Dichte kann bei VerwenduE von Meßgeräten mit verzerrten Skalen oder mittels Linearisierschaltungen direkt abgelesen werden. Beide Möglichkeiten sind aber unbefriedigend. Bei der ersteren ist die Auflösung schlecht, die zweite ist wegen des komplizierten Aufbaus der Schaltung nachteilig.
• In manchen Fällen ist es notwendig, ein fatometrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das zur optischen Dichte in earer Beziehung steht.
• Hierdurch kann die visuelle oder automatische Deutung zeitlicher Änderungen der optischen Dichte erleichtert werden. Eine solche Deutung ist beispielsweise bei der Messung der Gerimmung von Blut notwendig, wobei die Änderungen d er optischen Dichte einer Blutprobe nach Einleitung eines Reagenzmittels gedeutet werden, um die mangelnde Blutgerinnung (Eoagulopathie) oder die Auswirkumgen eines Antikoagulans zu bestimmen. Diese Bestimmungen werden visuell von einem Karten-oder Streifenschreiber gemacht und müssen dz zeitlichen Änderungen der optischen Dichte genau wiedergeben, so iæß die wesentlichen Eigenschaften der Kennlinie der optischen Dichte (und insbesondere die geraden Linien darin) erkannt und genau interpretiert werden können.
• Die Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der optischen Dichte anzugeben, die extrem einfach, genau und zuverlässig sind und mit denen ein von der optischen Dichte linear abhängiges eiktrisches Ausgangssignal erzeugt werden kann.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine Lichtquelle, die wegen des von ihr ausgesendeten monochromatischen Lichts und ihrer hohen Intensität aus einer Laserlichtquelle besteht, ferner einen Detektor, der den Laserstrahl empfängt, nachdem dieser durch eine halbtransparente Probe hindurchgetreten ist, und eine Schaltung zur Ausführung bestimmter mathematischer Operationen am Ausgangssignal des Detektors.
• Der den Kern der Erfindung darstellende Detektor erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal,das über den gesamten Intensitätsbereich von Null bis zur vollen Intensität der Lichtquelle (anders ausgedrückt über im wesentlichen den gesamten Bereich de'3 Diirchlaßvermögens des Lichts von der Lichtquelle) angenähert prorertional ist der Summe aus einer Konstanten und dem Logarithmus de Durchlaßvermögens der Probe. Der Detektor ist vorzugsweise eine aktive Fotozelle, vorzugsweise aus Selen oder Silizium, da bei diesen ein elektrisches Ausgangssignal mit einer Amplitude erzeugt wird, die angenähert proportional ist der Summe aus einer Konstanten und dem Logarithmus des Durchlaßvermögens des Lichts von der Lichtquelle durch die Probe.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält schließlich eine Schaltung zur Durchführung einer Subtraktion des Ausgangssignals des Detektors von einem ersten Wert und zur Multiplikation des Ergebnisses mit einem zweiten Wert. Die Schaltung wandelt das Ausgangssignal des Detektors in eine Form um, in der es zur optischen Dichte proportional ist, so daß es an einem Voltmeter angezeigt oder auf einem Streifenschreiber aufgezeichnet werden kann. Der Wert, von dem das Ausgangssignal des Detektors abgezogen wird, ist vorzugsweise variabel, da er mit dem Ergebnis der Subtraktion multipliziert wird. Durch Einstellung dieser Werte kann die Vorrichtung unter Bezugnahme auf Proben bekannter optischer Dichte geeicht werden, Darauf kann eine An-Zahl von Proben as ähnlichem Material mit unbekannter optischer Dichte untersucht werden.
• Die Schaltung enthält vorzugsweise eine variable Gleichspannungsquelle mit einer Konstanten Gleichspannungsquelle (Batterie) und einem ersten variablen Widerstand (Potentiometer), der an die konstante Spannungsquelle angeschlossen ist. Die variable Spannung wird von einer Klemme und dem Schleifer des variablen Widerstandes abgegriffen. Die Schaltung enthält weiter vorzugsweise einen zweiten variablen Widerstand mit einem Schleifer. Er ist vorzugsweise so geschaltet, daß der Detektor, die variable Gleichspannungsquelle und der zweite variable Widerstand miteinander in einer geschlossenen Schleife in Reihe geschaltet sind, wobei die Polaritäten des Detektors wieder variablen Gleichspannungsquelle gegeneinander geschaltet sind, so daß die oben erwähnte Subtraktion ausgeführt wird.
• Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das schematische Schaltbild einer Vorrichtung zur Messung der optischen Dichte; und Fig. 2 im Diagramm den zeitlichen Verlauf der optischen Dichte bei einer typischen Blutgerinnungsmessung zurErläuterung eines besonderen Anwendungsgebietes der Erfindung.
• Gemäß Fig. 1 enthält die Vorrichtung eine Lichtquelle 4, die aus einem Gaslaser mit niedriger Leistung besteht, der einen durch eine Probeküvette hindurchtretenden Lichtstrahl 6 erzeugt. Nach dem Durchtritt durch die Küvette 8 fällt der Lichtstrahl 6 auf einen Detektor 10, der vorzugsweise aus einer aktiven Siliziuir oder Selen-Fotozelle (Fotospannungszelle) besteht.
• Eine Batterie 12 dient als konstante Gleichspannungsquelle. Ihre negative Klemme ist über einen Schalter 14 mit einer Klemme eines variablen Widerstandes 16 verbunden. Die positiver Klemme der Batterie 12 ist direkt an die zweite Klemme des variablen Widerstandes 16 angeschlossen. Die Batterie 12 und der variable Widerstand 16 bilden zusammen eine variable Gleichspannungsquelle. Die variable Spannung kann zwischen der Leistung 18 an der ersten Klemme des variablen Widerstandes 16 und dem Schleifer 20 abgegriffem werden. Diese variable Gleichspannungsquelle ist in Reihe mit den Detektor 10 geschaltet, wobei der positive Ausgang des Detektors 10 an den Schleifer 20 des variablen Widerstandes 16 angeschlossen i5t, so daß die von der variablen Gleichspannungsquelle erzeugte Spannung der vom Detektor erzeugten Spannung entgegengesetzt wirkt. Der negative Ausgang des Detektors 10 ist über einen variablen Widerstand 22 an die Leitung 18 angeschlossen. Die Spannung am variablen Widerstand 22 ist somit die Differenz aus der von der variablen Spannwigsquelle erzeugten Spannung und der vom Detektor 10 erzeugten Spannung. Das Ausgangssignal der elektrischen Schaltung wird zwischen der Leitung 18 und dem Schleifer 24 des variablen Widerstandes 22 abgegrifçer.. Der variable Widerstand 22 wirkt somit als Multiplikationsstufe, die die als Ergebnis der Subtraktion erzeugte Spannung mit einer wählbaren Variablen Multipliziert. Diese Variable ist von der Einstellung des variablen Widerstandes 22 abhängig. Das Ausgangssignal zwischen der Leitung 18 und dem Schleifer 24 wird einem Streifenschreiber 26 zugeführt, der vorzugsweise eine lineare Zeitbasis hat. Das Ausgangssignal wird weiter einem Digitalvoltmeter 28 zugeführt. Der Streifenschreiber 26 und das Digitalvoltmeter 28 haben vorzugsweise Eingänge mit hoher Impedanz, so daß die von der variablen Gleichspannungsquelle erzeugte Spannung durch die Einstellung des variablen Widerstandes 22 praktisch nicht beeinflußt wird.
• Die Ausgangsspannung des Detektors 10 ist annsshernd logarithmisch; sie beginnt bei Null, wenn der Detektor abeedwn'-elt ist und reicht bis zu einem Wert E bei voller Belichtung. Die Spannung e d des Detektors kann somit in starker Sinnaherung durch folgende Gleichung wiedergegeben werden: (1) ed = log T + E, worin T das Durchlaßvermögen der Probe bedeutet, das proportional der Intensität des von der Probe durchgelassenen Lichts ist.
• Die Wirkung der Schaltung wird aus der einfachen Anwendung der Kirchhoff'schen Regel verständlich: (2) n(m EB - ed) = eO worin n ein durch die Einstellung des Widerstandes 22 bestimmter Nultiplikator; m ein durch die Einstellung des Widerstandes 16 bestimmter Multiplikator; BB die Batteriespannung; und eO die Eingangs spannung des Streifenschreibers 26 bedeuten.
• Setzt man Gleichung (1) in Gleichung (2) ein, so ergibt sich (3) eo = n(mEB - E - log @).
• Die Gleichung (3) hat die Form des Beer'schen Gesetzes, das sich auf die Abhängigkeit zwischen der Lösungskonzntation und dem Lichtdurchlaßvermögen bezieht. Durch geeignete Wahl der Werte n und in kann somit die Spannung eO am Eingang des Streifenschreibers so eingestellt werden, daß sie die Konzentration der Lösung in einer Probe wiedergibt.
• Bei der Durchführung von Messungen der Lösungskonzentration wird die Vorrichtung zunächst durch Einstellung der Widerstände 16 und 22 geeicht, und zwar mittels zweier Proben bekannter Konzentration, nämlich einer Probe mit verhältnismäßi3 niedriger und einer Probe mit verhältnismäßig hoher Konzentration. Vorzugsweise wird zunächst die Probe mit hoher Konzentration in den Lichtstrahl 6 gebracht und der Widerstand 16 so eingestellt, daß die Anzeige des Digitalvoltmeters mit der bekannten Konzentration übereinstimmt. Dann wird die Probe hoher Konzentration durch die Probe niedriger Konzentration ersetzt und der Widerstand 22 so eingestellt, daß das Digitalvoltmeter den Wert der bekannten niedrigen Konzentration anzeigt. Darauf wird wieder die Probe mit hoher Konzentration in den Lichtstrahl gebracht und der Vorgang ein- oder mehrmals wiederholt, bis nur noch geringfügige oder keine Nachstellungen der variablen Widerstände notwendig sind. Die Vorrichtung ist dann zur Messung der Konzentration einer beliebigen Anzahl aufeinander folgender Proben aus gleichem Material mit unbekannter Konzentration bereit. Sie liefert am Digitalvoltmeter eine direkte Ablesung, beispielsweise in mg-% oder in einer beliebigen anderen Größe.
• Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ist für klinische oder andere chemische Analysen geeignet, insbesondere wenn der zeitliche Verlauf der optischen Dichte interpretiert werden soll. Als Beispiel zeigt Fig. 2 die optische Dichte aufgetragen über einer linearen Zeitbasis.
• Die Kurve zeigt die Auswirkung eines Tfromboplastin-Reagens auf ein citriertes Plasma. Dieser Test dient zur Bestimmung mangelnder Blutkoagulation und der Auswirkung eines Antikoagulans auf einen Patienten. Durch Analyse der Kurve können Informationen über den Plasmafibrinogengehalt, die Erombinaktivität und die Fibrinstabilisierung erhalten werden. Wird dashromboplastinreagens zur Zeit T0 eingeführt, so steigt momentan durch Trübung des Gemischs im Lichtstrahl die optische Dichte. Sie kehrt dann auf einen niedrigeren Wert zurück und bleibt auf diesem Wert bis zum Zeitpunkt 219 , wenn sich das Fibrin zu bilden beginnt. Die Fibrinbildung erfolgt zwischen den Zeitnnkten T1 und 22. Die Menge des bei der Gerinnung gebildeten Fibrinogens wird durch die Änderung der optischen Dichte zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 bestimmt. Die Prothranbinzeit ist die Zeit T2 - 20. Die Änderungsgeschwindigkeit der tischen Dichte zwischen den Zeitpunkten T1 und 22 gibt die Thrombinittivität wieder. Die Kurve verläuft zwischen T1 und T2 etwa geradlinig. Diese Tatsache erlaubt die Erkennung der Zeiten T1 uni T2. Es ist daher wichtig, daß das Diagramm hinsichtlich der optischen Dichte und der Zeit linear ist. Das auf dem Streifenschreiber 26 aufgezeichnete Diagramm kann visuell analysiert werden. Der geradlinig verlaufende Teil der Kurve ist leicht erkennbar, so daß die Zeiten T1 und T2 bestimmt werden können. Alternativ kann das Ausgangssignal zwischen dem Schleifer 24 und der Leitung 18 digitalisiert und ur automatischen Feststellung der Zeiten T1 und T2 mittels des geradlinig verlaufenden Teils der Kurve zwischen diesen Zeiten direkt oder indirekt einem Rechner zugeführt werden. Der Rechner kann aSe Prothrombinzeit, die Thrombinaktivität und das gerinnungsfähige Fibrinogen berechnen und anzeigen.
• Ein typisches Beispiel des Verfahrens, nach dem die Prothrombinzeit zur Bestimmung der Dosierung eines für einen Patienten benötigten Antikoagulans angewendet wird, verläuft folgendermaßen: Will der Arzt die Prothrombinzeit T2 - T0 eines Patienten verdoppeln, so wird eine vorbereitete Plasmaprobe des F2uts des Patienten durch die Vorrichtung geleitet, um die normale Pthrombinzeit zu bestimmen, die 12 Sekunden betragen soll. Darauf wird eine bekannte Dosis eine Antikoagulans (Warfarin oder Dicumarol) eingegeben und nach einer geeigneten Zeitspanne eine zweite PlEsmaprobe des Bluts des Patienten gewonnen. Die zweite Probe wird lurch die Vorrichtung geleitet und die Prothrombinzeit, auf beispielcweise 20 Sekunden, bestimmt. Darauf wird eine erhöhte Dosis des Antikoagulans eingegeben, die Bestimmung der Prothrombinzeit wieder und die Dosierung so lange eingestellt, bis die Prothrombinzeii des Patienten zwischen 24 und 30 Sekunden (das 2- bis 2,5-fache der normalen Zeit) liegt. Dies ist die zur therapeutischen Antikoagulationsbehandlung des Patienten gewünschte Zeit.
• Die Vorrichtung kann auch zur Bestimmung paroteller Thromboplastinzeiten durch Ersatz des Thromboplastinreagens durch ein partielles Thromboplastinreagens, der Thrombinzeiten durch Ersatz des Thromboplastinreagens durch ein Thrombinreagens oder zur Ausführung anderer Untersuchungen verwendet werden, bei denen ie Endpunkte der Gerinnung gesucht werden.
• Die Erfindung kann ebenso auf andere klinisere Analysen angewendet werden, beispielsweise auf die Enzymanalyse, die Plättchenaggregationselektrophorese usw. und kann überall dort benutzt werden, wo eine im wesentlichen lineare elektrische Darstellung der optischen Dichte gewünscht wird.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann leicht tragbar und so ausgeführt werden, daß sie bei einem Ausfall des elektoischen Netzes umgeschaltet oder unabhangig vom Netz betrieben werden kann. Dabei kann die Lichtquelle 4 aus einer Batterie gespeist werde. und es können der Streifenschreiber 26 und das Digitalvoltzleter 28 durch ein einfaches Galvanometer ersetzt werden.
• Innerhalb des Rahmens der Erfindung sind velerlei Änderungen und Abwandlungen möglich, obwohl manche A.b-fians~lngen wegen zusätzlicher Teile zu einem weniger befriedigenden Gerät führen können. Die Laserlichtquelle kann durch eine Wolframlampe oder andere Lichtquellen mit oderÄhne Einrichtungen zur Stahl der Wellenlange ersetzt werden, obwohl dies zu einer Einschränkung des Bereichs und der Bestinm.ungstenauigkeit des Geräts führt. Im wesentlichen gilt, daß, je reiner das Wellenlängenabsorptionsvermögen der gemessenen Lösung ist, die Li¢htbandbreite umso größer und die Intensität der Lichtquelle umso geringer, und umgekehrt, sein kann. Gegenwärtig ermöglicht die Laserlichtquelle den maximalen Bereich und die maximale Genauigkeit.
• Ein Beispiel einer möglichen Änderung ist die Verwendung eines Differenzverstärkers für die elektrische Subtraktion statt der einfachen Widerstandsschaltung der Fig. 1. Ein anderes Beispiel ist die Verwendung eines Detektors, der aus einem lichtenpfindlichen Widerstand besteht, oder eines Fototransistors zusammen mit einer Stromquelle und einer Schaltung für die Erzeugung eines logarithmischen Ausgangs signals, das dem Ausgangssignal der aktiven Siliziu- oder Selenfotozelle ähnelt. Eine weitere Abwandlung kann in der automatischen Einstellung der Widerstände der Schaltung durch elektrische oder elektrowechanische Servomechanismen bestehen.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Messung der Koagulationseigenschaften von Körperfluidproben durch Messung der optischen Dichte der Probe, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Lichtstrahl aus einer Lichtquelle durch die Fluidprobe gerichtet wird, daß das Licht aus der Lichtquelle aufgefangen wird, nachdem es durch die Probe hindurchgetreten ist, daß ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, dessen Amplitude im wesentlichen über den gesamten Bereich des LichtdurchlaAvermögens aus der Quelle angenähert proportional ist der Summe einer Konstanten und des Logarithmus des Durchlaßverögens und daß das Ausgangssignal von einem ersten ert subtrahiert und das Ergebnis zur Gewinnung des Endergebnisses mit einem zweiten Wert multipliziert wird.

K N 2. Vorrichtung zur Messung der optischen Dichte einer Probe, insbesonere bei der Messung der Prothrombinzeit von Blut und dergleichen, g e k e n n z e i c h n e t durch eie Lichtquelle (4), durch einen Detektor (10), der so ausgebildet und angeordnet ist, daß er das Licht von der Lichtquelle empfängt, nachdem es durch die Probe hindurchgetreten ist, und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude im wesentlichen über den gesamten Bereich des Durchlaßvermögens des Lichts aus der Lichtquelle annähernd proportional ist der Summe aus einer Konstanten und dem Logarithmus des Durchlaßvermögens, und durch eine Schaltung (16, 22) zur Subtraktion des vom Detektor erzeugten Ausgangssignals von einem ersten Wert und zur Kultiplikation des irgebnisses init einem zweiten H:ert zur Gewinntiig des Endergebnisses.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Lichtquelle (4) aus einem Laser besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Detektor (10) aus einer aktiven Fotozelle besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Detektor (10) aus einer aktiven Selen- oder Silizium-Fotozelle besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Schaltung eine Einrichtung (16) zur Wahl des ersten Werts und eine Einrichtung (22) zur Wahl des zweiten Werts enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Schaltung eine variable Gleichspannungsquelle mit einer konstanten Gleichspannungsquelle (12) und einem ersten variablen Widerstand (16) enthält, der parallel zur konstanten Gleichspannungsquelle geschaltet ist, wobei die variable Spannung an einer Klemme und am Schleifer (20) des variablen Widerstandes abgreifbar ist, und einen zweiten variablen Widerstand (22) mit einem Schleifer (24), wobei der Detektor (10), die variable Gleichspannungsquelle und der zweite variable Widerstand zusammen in einer geschlossenen Schleife miteinander so in Reihe geschaltet sind, daß die Polaritäten des Detektors und der variablen Gleichspannungsquelle einander entgegengerichtet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 6 e k e n n z e i c h n e t durch eine Anzeigeeinrichtung (28) zur Anzeige des Endergebnisses.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Streifenschreiber (26) zur Erzeugung einer grafischen Aufzeichnung der Änderung des Ausgangssignals auf einer linearen Zeitbasis.