DE2535128A1 - Optisch-elektrische messeinrichtung zur bestimmung des relativen haemoglobingehaltes einer durchleuchteten loesung durch auswertung von deren lichtabsorption - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH Ο —8 MÖNCHEN

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANSnJ SteinsdorfstraBe 10

Dr. rer. not. W. KÖRBER «"⁽⁰⁸⁹⁾ *²⁹⁶⁶⁸⁴ Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE 6. Aug. 1975

CONTRAVES AG

CH-8O52 Zürich/Schweiζ

Schaffhauserstr. 58o

Patentanmeldung

Optisch-elektrische Meßeinrichtung zur Bestimmung des relativen Haemoglobingehaltes einer durchleuchteten Lösung durch Auswertung von deren Lichtabsorption

Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine optisch-elektrische Messeinrichtung zur Bestimmung des relativen Haemoglobingehaltes einer im Lichtweg zwischen einer Lichtquelle und einem fotoelektrischen Wandler eingesetzten und durchleuchteten Haemoglobin-Lösung durch Auswertung von deren Lichtabsorption in einem bestimmten Wellenlängenbereich.

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Derartige Messeinrichtungen sind beispielsweise aus folgenden Literaturstellen bekannt:

a) S.M. LEWIS: "International standard for

hemoglobinometry"

J.elin.path. (1967) 20.791

b) O.W. van ASSENDELFT: "Photometry and the standardized

method for the determination of haemoglobin" Schweiz, med. Wochenschr.101.1649-1652 (1971)

c) O.W. van ASSENDELFT: "Spectrometry of Haemoglobin -

Derivatives"

Verlag: Royal VANGORCUM LTD., Assen NL (1970)

Nach dieser vorbekannten Standard-Methode wird aus dem verfügbaren Lichtspektrum nur ein schmales Wellenlängenband mit

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einem Maximum bei λ = 540 nm (1 nm = 10 m) und einer Halbwertbreite von nicht mehr als 20 nm ausgewertet/ beispielsweise durch spektrale Zerlegung des Lichtes aus einem beleuchteten Spalt oder durch Einsetzen eines entsprechend schmalbandigen Durchlass-Farbfilters in den Lichtweg.

Weil zur Bestimmung des totalen Haemoglobingehaltes mehrere Haemoglobin-Derivate; nämlich Hb, HbO₂ und HbCO zu berücksichtigen sind, deren Transmissions-Kennlinien bei λ = 540 nm voneinander verschieden sind, ist es zur Verwendung der bekannten Standard-Messeinrichtungen notwendig, der Haemolyse-

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Flüssigkeit eine cyanhaitige chemische Reactionslösung zuzusetzen, um alle Haemoglobin-Derivate in eine einheitliche chemische Verbindung zu überführen (Cyanmet-Methode)

Die Verwendung von cyanhaltigen und entsprechend giftigen Reaktionslösungen zur Präparation der zu untersuchenden Haemoglobinlösung ist bei oft nur von Hilfspersonal durchgeführten Blutuntersuchungen mit Gefahren verbunden und verlangt das Abwarten einer Reaktionszeit von einigen Hinuten. Es werden dabei auch die in der Lösung enthaltenen Leukozyten geschädigt, was oft unerwünscht ist. Ausserdem erfordert sine schmalbandige Lichtausnützung in fotometrischen Untersuchungs-Geräten aus Energiegründen das Vorhandensein von relativ aufwendigen Spaltbeleuchtungs- und Abbildungs-Optiken.

Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Haemoglobin-Messeinrichtung, die gemäss einleitend definiertem Erfindungsgegenstand ebenfalls die

bestimmten Lichtabsorption einer Haemoglobinlösung in einem t, Wellenlängenbereich auswertet, aber in einem breitbandigen fatatt in einem schmalbandigen Bereich, nämlich c über den ganzen Wellenlängenbereich von - 500 bis 600 nm, derart, dass ohne üeberführung der verschiedenen Haemoglobin-Derivate in eine einheitliche chemische Verbindung durch

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Zusatz von giftigen Reaktionsstoffen und ohne Verwendung von optischen Hilfsmitteln zur Licht-Bündelung und -Zerlegung eine dem totalen Haemoglobingehalt der Lösung möglichst linear entsprechende Anzeigegrösse erzeugt werden kann.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die wichtigsten in einer Lösung enthaltenen Haemoglobin-Derivate Hb, HbO₂ und HbCO bei gleicher Konzentration eine annähernd gleiche Integral-Absorption bewirken, wenn selektiv der Lichtwellenlängenbereich von 500 bis 600 nm ausgenützt wird. Dadurch wird die Absorption einer Mischung dieser Derivate unabhängig von der relativen Zusammensetzung und ist daher ein direktes Mass für. Total-Haemoglobin-Konzentration.

Erfindungsgemäss ist der einleitend definierte Erfindungsgegenstand dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen . Eigenschaften der Lichtquelle, des Wandlers und der übrigen im Lichtweg angeordneten Bauteile so aufeinander abgestimmt sind, dass bei Abwesenheit der Haemoglobin-Lösung im Lichtweg eine im fotoelektrischen Wandler erzeugte elektrische Grosse eine spektrale Abhängigkeit zeigt, welche im Wellenlängenbereich von 540 bis 560 nm ein Maximum aufweist und beidseitig davon mit einer Halbwertbreite von mindestens 60 nm stetig bis auf weniger als 20 % des Maximalwertes bei 500 bzw. 600 nm abfällt und sich ausserhalb dieser Bandgrenzen asymptotisch dem Wert Null nähert.

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Gegenwärtig sind noch keine fotoelektrischen Wandler bekannt, deren spektrale Empfindlichkeit allein im Zusammenwirken mit dem Emissionsspektrum von gebräuchlichen Lichtquellen die gewünschte spektrale Abhängigkeit zu erzeugen vermöchten. Bis dahin ist es notwendig, dass durch Einsetzen von optischen Filtern in den Lichtweg die gewünschte Abhängigkeit bewirkt wird. Es können dazu Durchlassfarbfilter, z.B. ein Grünfilter oder ein Hochpass-Blaufilter in Kombination mit einem Tiefpass-Gelbfilter und/oder Reflexionsfilter verwendet werden.

Mit besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Messeinrichtung derart ausgebildet, dass ein Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes zur Bildung einer Referenzgrösse einem zweiten fotoelektrischen Wandler zugeführt wird. Dabei können mit Vorteil zwei gleichartige Fotowiderstände als fotoelektrische Wandler zueinander parallele Längszweige einer elektrischen Brückenschaltung bilden, in deren Querzweig ein Anzeigeinstrument zur Anzeige des Haemoglobingehaltes eingeschaltet ist.

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Zum Gebrauch der vorstehend erläuterten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist es vorteilhaft, die Messung in folgenden Stufen durchzuführen:·

a) Einsetzen einer haemoglobinfreien Vergleichslösung und Abgleichen der Brückenschaltung auf den Anzeigewert Null.

b) Einsetzen einer Standard-Haemoglobinlösung und Eichen der dafür angezeigten Messgrösse.

c) Einsetzen von Haemoglobinlösungen mit unbekanntem Haemoglobingehalt.

Anhand der Zeichnung werden nachstehend besondere Ausführungsformen der Erfindung und nützliche. Sondereigenschaften von deren Bauteilen erläutert. In dieser Zeichnung zeigen:

Pig. I ein apparatives Prinzipschema des Erfindungsgegenstandes ,
Fig. 2 eine Darstellung der wichtigsten Kennlinien, nämlich der Wandler-Empfindlichkeit I_f, der aus der kombinierten Wirkung der von Licht beaufschlagten spektral-selektiven Bauteile für eine haemoglobinfreie Vergleichslösung resultierenden Empfindlichkeitskennlinie I und der grundsätzlichen Transmissions-Charakteristik Ί"_Η von gelöstem Oxy-Haemoglobin HbO₃ je in funktioneller Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge λ,

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Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer in der Messeinrichtung verwendbaren Linearisierungs-Messbrücke M,

Fig. 4 eine mögliche Variante zu Fig. 1 mit einem

Reflexionsfilter E im Lichtweg zum fotoelektrischen Wandler F anstelle von Durchlass-Farbfiltern E-, E-,

Fig. 5 eine Ansicht in Richtung der Pfeile V-V von Fig. 6," teilweise geschnitten, auf ein konstruktives Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung der Pfeile VI - VI von Fig. 5, ebenfalls teilweise geschnitten, desselben Ausführungsbeispieles.

In Fig. 1 ist mit L eine Lichtquelle bezeichnet, vorzugsweise eine Wolfrairidraht-Mikroglühlampe von geringer Leistungsaufnahme und hoher Lebensdauer. Auf der rechten Seite der Lampe L ist ein Fotowiderstand F angeordnet. Im Lichtweg¹. zwischen der Lampe L und dem Fotowiderstand F sind hintereinander eine Lochblende B, ein Streuplättchen C, eine auswechselbare Cuvette D für eine Haemoglobinlösung und zwei Durchlassfarbfilter E₁, E₃, vorzugsweise ein Hochpass-Blaufilter E und ein Tiefpass-Gelbfilter E₃ angeordnet. Der Fotowiderstand F wandelt das ihn beaufschlagende Licht in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung in einen entsprechenden Strom i_f um. Auf der linken Seite der Lampe ist

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ein gleichartiger Fotowiderstand F¹ angeordnet, der über eine Lochblende B¹ und ein Streuplättchen C mit einem Teil des von der Lampe L erzeugten Lichtes beaufschlagt wird und einen Referenzstrom i:£ erzeugt.

In Fig. 2 zeigt die Empfxndlichkeitskennlinie I- des Fotowiderstandes F den für eine anliegende Normalspannung bei der Beaufschlagung mit Licht bestimmter Intensität der in Abszissenrichtung aufgetragenen Wellenlängen erzeugten Strom i,.. Diese Kennlinie entspricht der Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges, aber nicht der erfindungsgemäss geforderten, bei der Einsetzung einer Cuvette D mit haemoglobinfreier Vergleichslösung resultierenden Empfxndlichkeitskennlinie I , die ebenfalls in Fig. 2 in vorteilhafter und realisierbarer Form dargestellt ist. Eine derartige Empfindlichkeitskonnlinie ergibt sich hingegen bei passender Auslegung der gemäss Fig. 1 in den Lichtweg zum Fotowiderstand F eingesetzten Durchlassfarbfilter E. und E_ im Zusammenwirken mit dem nicht dargestellten Emissionsspektrum der Lampe L und der gezeichneten Empfindlichkeit I_f des Fotowiderstandes F. Wesentlich ist dabei, dass die resultierende Empfxndlichkeitskennlinie I ein Maximum etwa bei λ = 540 bis 560 nm und eine Halbwertbreite von mindestens 60 nm aufweist, bis zu den beiden Bandgrenzen auf einen Restwert von höchstens 20% des Maximalwertes und ausserhalb der Bandgrenzen asymptotisch gegen Null abfällt. Weiterhin

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ist in Fig. 2 eine für eine Oxy-Haemoglobinlösung bei deren Beaufschlagung mit weissem Licht resultierende Transmissionskennlinie T„ dargestellt, von welcher in einer

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Messeinrichtung nach Fig. 1 der zwischen den Bandgrenzen λ = 500 nm bzw. λ = 600 nm liegende Ausschnitt integral ausgewertet wird.

In Fig. 3 ist schematisch eine Linearisierungsmessbrücke M dargestellt/ in welcher die beiden Fotowiderstände F und F¹ zwei zueinander parallele Längszweige bilden. Im Querzweig dieser Messbrücke M ist eine Vorrichtung H zur Anzeige der gewünschten elektrischen Messgrösse, nämlich einem dem totalen Haemoglobingehalt in der Cuvette ü entsprechendem Strom- oder Spannungswert, eingeschaltet. Durch geeignete Bemessung der Widerstände R und R¹ in den beiden anderen Längszweigen der Messbrücke M kann eine quasilineare Beziehung zwischen dem in der Anzeigevorrichtung H angezeigten Strom- bzw. Spannungswert und der Haemoglobinkonzentration in der Cuvette D im technisch bedeutsamen Bereich des Haemoglobingehaltes ( 8 bis 24 mg/100 ml) erreicht v/erden. Ebenso ist es möglich, gegebenenfalls unter Verwendung von zusätzlichen Schaltelementen, den in der Anzeigevorrichtung H der Linearisierungs-Messbrücke angezeigten elektrischen Grössenwert auch weitgehend von Schwankungen der Lampenhelligkeit unabhängig zu machen, sodass es sich erübrigt, die Lampenhelligkeit, su stabilisieren.

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Fig. 4 zeigt,, als Variante zu Fig. 1, wie die gewünschte resultierende Empfindlichkeitskennlinie, statt wie gemäss Fig. 1 mit Durchlass-Farbfiltern E , E- im Lichtweg von der Lampe L zum Fotowiderstand F über eine Lochblende B und eine Proben-Cuvette D, auch durch ein entsprechend ausgebildetes Reflexionsfilter E erzielbar ist.

R.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Variante des Prinzipschemas nach Fig. 1. Auf einer Basisplatte 1 sind eine Halterungsvorrichtung 10, 11 für die Lampe L, eine Halterung 12 für den Fotowiderstand F, eine Halterung 13 für eine Lochblende φ_ und für zwei Durchlass-Farbfilter E , E , eine auswechselbare Messcuvette D oder eine fest eingebaute Durchfluss-Cuvette, eine Halterung 15 für die Lochblende B- und die Streuscheibe C sowie eine Halterungsvorrichtung 16 für die aktiven Teile F¹, B¹, C¹ der Refertsnzgrössen-Erzeugungsvorrichtung vor dem Fotowiderstand F¹ montiert. Die ganze Haemoglobin-Konzentrations-Messeinrichtung wird von einem mit einem abnehmbaren Deckel 170 zum Auswechseln der Cuvette D «/ersehenen Gehäuse 17 umschlossen.

In Abänderung der in den Fig. 1, 5 und 6 der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen sind die Bauteile C, E-, E und die Messcuvette D grundsätzlich beliebig hinsichtlich ihrer Reihenfolge vertauschbar. Der Lichtverlust durch Streuung in der Messcuvette D kenn dadurch reduziert werden,

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dass der Wandler F möglichst nahe bei dieser Cuvette angeordnet wird und dafür die Filter E und E zwischen der Lichtquelle L und der Cuvette D eingeordnet werden.

Aus den eingangs erwähnten Gründen kann bei der erläuterten breitbandigen Messung auf die Reaktionslösung der Cyanmet-Methode verzichtet werden. Dies eliminiert den Umgang mit einer giftigen Substanz, verkürzt die präparative Phase und verhindert eine Schädigung der Leukozyten, was vor allem bei der gleichzeitigen Zählung und insbesondere der Volumendiskriminierung der Leukozyten in einem Zählautomat von Bedeutung ist.

Prinzipiell eignet sich jedes hämolysierende, nicht zu stark gefärbte Verdünnungsmittel zur Hämoglobinbestimmung, z.B. destilliertes Wasser.

Ein Vorteil technischer Art ergibt sich aus der Tatsache, dass bei der breitbandigen Messung genügend Lichtleistung auf die als Detektoren dienenden fotoelektrischen Wandler F, F¹ fällt, so dass fokussierende optische Elemente überflüssig werden, wodurch auch kritische optische Justierungen entfallen.

Aus den genannten Vorteilen ist unmittelbar ersichtlich, dass sowohl die Probenzubereitung schneller, einfacher und billiger als auch der Materialaufwand im optischen Teil geringer ist.

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Claims (7)

Patentansprüche

1.JOptisch-elektrische Meßeinrichtung zur Bestimmung des ffsemoglobingehaltes einer im Lichtweg zwischen einer Lichtquelle und einem fotoelektrischen Wandler eingesetzten und durchleuchteten Haemoglobin-Lösung durch Auswertung von deren Lichtabsorotion in einem bestimmten Wellenlängenbereich, dadurch gekennzeichnet, daß die spektralen Eigenschaften der Lichtquelle, des Wandlers (F) und der übrigen im Lichtweg angeordneten Bauteile (C, D, E) so aufeinander abgestimmt sind, daß bei Abwesenheit der Haemoglobin-Lösung im Lichtweg eine im fotoelektrischen Wandler (F) erzeugte elektrische Größe (i.p) eine spektrale Abhängigkeit (I_to) zeigt, welche im Wellenlängenbereich von 54o bis 56o nm ein Maximum aufweist und beidseitig davon .mit einer Halbwertbreite von mindestens 60 nm stetig bis auf weniger als 2o % des Maximalwertes bei 5oo bzw. 600 nm abfällt und sich außerhalb dieser Bandgrenzen asymntotisch dem Wert Null nähert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissions-Spektrum der Lichtquelle (L) und die spektrale Empfindlichkeit (1^) des fotoelektrischen Wandlers (F) zusammen die genannte Abhängigkeit (I_to) erzeugen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Abhängigkeit aus der kombinierten Wirkung des Emissionsspektrums der Lichtquelle (L)

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der spektralen Emofindlichkeit (I_f) des fotoelektrischen Wandlers (P) und von im Lichtweg zusätzlich eingesetzten optischen Filtern (E) resultiert.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg ein Reflexionsfilter (E_R)
eingesetzt ist (Fig. 4).

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg mindestens ein Durchlaßfarbfilter (E₁, E₂) eingesetzt ist. (Fig. 1, 5, 6).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des von der Lichtquelle (L) erzeugten Lichtes zur Bildung einer Referenzgröße (i_f) einem zweiten fotoelektrischen Wandler (F¹) zugeführt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fotowiderstände (F, F¹) als fotoelektrische Wandler zueinander parallele Längszweige einer elektrischen Brückenschaltung (M) bilden, in
deren Querzweig ein Anzeigeinstrument (H) zur Anzeige des Haemoglobingehaltes eingeschaltet ist (Fig. 3).

Der Patentanwalt

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