DE2535128B2 - Optisch-elektrische messeinrichtung zur quantitativen bestimmung des gehaltes von haemolysiertem blut an mindestens einem geloesten haemoglobin-derivat - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch-elektrische Meßeinrichtung zur quantitativen Bestimmung des Gehaltes von hämolysiertem Blut an mindestens einem gelösten Hämoglobin-Derivat durch vergleichende Auswertung einer erhaltenen elektrischen Wandler-Ausgangsgröße — zu deren Integralwert alle Lichtwellenlängen innerhalb eines bestimmten Spektralbcreiches unter etwa 620 nm partiell beitragen — einer im Lichtweg zwischen einer Glühdrahtlampe und einem fotoelektrischen Wandlers eingesetzten und durchleuchteten Meßcuvette gegenüber dem Wert dieser Wandler-Ausgangsgröße für eine hämoglobinfreie Vergleichslösung in der Meßcuvette.

Als vorbekannte Meßeinrichtung dieser Art kann der Gegenstand der US-PS 20 51 320 bezeichnet werden. Sie bezieht sich auf das Problem, wie aus dem von einer Glühdrahtlampe unter Durchleuchtung einer Meßcuvette mit nur O.yhämoglobin enthaltendem Bluthämolysat zu einem fotoelektrischen Wandler gelangenden, sich kontinuierlich über ein breites Spektrum erstrekkendem Licht die roten und infraroten Anteile eines Wellenlängenbereiches oberhalb von etwa 620 nm (6200 Angström-Einheiten) durch optische Filtermittel ausgeschieden werden können, um sich als Meßfehler auswirkende, durch Erwärmung bewirkte Ermüdungserscheinungen der verwendeten Fotozelle zu vermeiden.

Es besteht ein besonderes, medizinisch-klinisches Interesse daran, nicht nur den Gehalt des Hämolysates an Oxyhämoglobin (HbCO2) oder anderen besonderen Hämoglobin-Derivaten, sondern den Totalgehalt an allen hauDtsächlich vorkommenden Hämoglobin-Derivaten, also auch von reduziertem Hämoglobin (Hb), von Carboxy-Hämeglobin (HbCO) und von Methämoglobin (Hi) in möglichst einer genauen Messung zu ermitteln.

Eine Methode zu diesem Zweck ist aus dem Aufsatz von W. G. Z i j 1 s t r a in der Klin. Wochenschrift Jg. 34, Heft 13/14, Pag. 384/389 unter Kapitel B vorbekannt. Es wird dort vorgeschlagen, unter Verwendung eines Spektro-Photometers im Lichtwog zwischen einer

Wolframdraht-Lampe und einem fotoelektrischen Wandler eine Spektralzerlegungs-Vorrichtung für das Licht und eine enge, auf beliebige schmalbandige Wellenlängenbereiche des Spektralbandes einstellbare Spaltblende, sowie eine nur von Spalt-Durchtrittslicht

monochromatisch durchleuchtete Meßcuvette mit dem durch Cyan-Derivate zwecks Überführung aller Hämoglobin-Derivate in Cyanmethämoglobin (HiCN) vorbehandelten Hämolysat anzuordnen und für mindestens einen schmalbandigen Wellenlängen-Bereich die Extinktion als Verminderung der elektrischen Wandler-Ausgangsgröße relativ zu einer hämoglobinfreier Vergleichslösung zu ermitteln.

Modernere Meßeinrichtungen, die nach dieser Me thode arbeiten, sind beispielsweise aus folgendei Literaturstellen bekannt:

a) S.M.Lewis: J. elin, path Vol. 20 (1967), 791,

b) O. W. van Assendelft: Schweiz, med. Wochen schrift Band 101,1649- 1652(1971),

c) O. W. van Assendelft: »Spectrometry 0 Haemoglobin-Derivatives«, Verlag: Royal Vangor cum Ltd. Assen NL(1970).

Nach der daraus bekannten Standard-Methode wir aus dem verfügbaren Lichtspektrum nur ein schmale

Wellenlängenband mit einem Maximum bei λ = 540 nm und einer Halbwertbreite von nicht mehr als 20 nm ausgewertet, beispielsweise dadurch, daß zwischen einer Spektralzerlegungs-Vorrichtung für das licht und der Vleßcuvette ^eme monochromatisdi durchleuchtete Spalt-Blende angeordnet wird oder auch dadurch, daß in den Lichtweg ein entsprechend schmalbandiges Durchlaß-Farbfilter eingesetzt wird.

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 Minuten. Es werden dabei auch die in der Lösung enthaltenen Leukozyten geschädigt, was oft unerwünscht ist Außerdem erfordert eine schmalbandige Lichtausnützung in fotometrischen Untersuchungs-Geräten aus Energiegründen das Vorhandensein von relativ aufwendigen Spaltbeleuchtungs- und Abbildungs-Optiken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Haernoglobin-Meßeinrichtung, die gemäß der einleitend definierten bekannten Meßeinrichtung ebenfalls die Lichtabsorption einer Haemoglobinlösung in einem bestimmten breitbandigen Wellenlängenbereich auswertet, die jedoch im Gegensatz zu dieser die Ermittlung des Totalgehalts an allen hauptsächlich vorkommenden Hämoglobin-Derivaten möglich macht, ohne die verschiedenen Haemoglobin-Derivate vorher in eine einheitliche chemische Verbindung durch Zusatz von zum Teil giftigen Reaktionsstoffen überführen zu müssen. Mit der zu schaffenden Meßeinrichtung soll eine den totalen Haemoglobingehalt der Lösung möglichst linear entsprechende Anzeigegröße erzeugt werden können.

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

Ausgehend von einer Meßeinrichtung der eingangs definierten bekannten Gattung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Emissionsspektrum der Glühdrahtlampe, die resultierende Lichttransmission von im Lichtweg zum Wandler vom Licht beaufschlagten Bauelementen sowie die spektrale Anzeigeempfindlichkeit des Wandlers so aufeinander abgestimmt und kombiniert sind, daß bei Abwesenheit von Hämoglobin in der Meßcuvette die Wandler-Ausgangsgröße in funktioneller Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge ununterbrochen glockenförmig verläuft, ihr Maximum im Wellenlängenbereich zwischen 540 nm und 560 nm aufweist und beidseitig davon über eine Halbwertsbreite von mindestens 60 nm bis zu den Wellenlängenwerten von 500 nm und 600 nm stetig auf je weniger als 20% des Maximalwertes und außerhalb dieser Zwischenwerte asymptotisch auf den Wert Null absinkt. Damit wird erreicht, daß bei Anwesenheit von Hämoglobin in der Cuvette die Wandler-Ausgangsgröße unabhängig von den Partialkonzentrationen der häufigsten Hämoglobin-Derivate der totalen Hämoglobin-Konzentration in der Meßcuvette eindeutig entspricht.

Die Erfindung ergibt gegenüber bekannten fotoelektrischen Hämoglobin-Meßeinrichtungen nach dem Prinzip der Lichtextinktion z. B. folgende Vorteile:

a) weil über einen breiten Einissions-Spektralbereich einer Glühdraht-Lampe, z. B. einer Wolframlampe, das Primärlicht zur Umwandlung in die elektrische Wandler-Ausgangsgröße beiträgt, statt wie bei den heute empfohlenen Standardgeräten nur schmalbandige Ausschnitte davon, kann auf Hochleistungslampen und/oder auf eine aufwendige Beleuchtungsoptik verzichtet werden,

b) weil im Hämolysat ohne Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit für die Ermittlung des totalen Hämoglobingehaltes auf die zeitraubende chemische Umwandlung aller Hb-Derivate durch giftige und die Leukozyten schädigende Cyan-Verbindungen in Cyanmet-Hämoglobin verzichtet werden kann, und es genügt, chemisch wenig aktive Hämolysier-Reagenzien mit Zusatz eines Detergens und von Kochsalz zur Vermeidung von Trübungen des Hämolysates und den dadurch bedingten Meßfehlern zu verwenden,

c) die angezeigten Meßergebnisse sind praktisch sofort nach der Mischung des Blutes mit der Hämolysier- Flüssigkeit richtig und bleiben über Stunden danach konstant,

d) die technische Einfachheit des Meßgerätes bietet sehr gute Voraussetzungen zur Linearisierung der Wandler-Ausgangsgröße in bezug auf die totale Hämoglobinkonzentration durch Kombinierung des Wandlers mit einem Referenzwandler in einer Linearisierungs-Meßbrücke und damit zur Automatisierung der Hämoglobin-Messung.

Gegenwärtig sind noch keine fotoelektrischen Wandler bekannt, deren spektrale Empfindlichkeit allein im Zusammenwirken mit dem Emissionsspektrum der gebräuchlichen Glühdraht-Lampen die gewünschte spektrale Charakteristik der elektrischen Wandler-Ausgangsgröße zu bewirken vermögen. Daher ist es notwendig, daß durch Einsetzen von optischen Filtern in den Lichlweg die gewünschte Abhängigkeit bewirkt wird. Es können dazu Durchlaß-Farbfilter, 2. B. ein Grünfilter oder ein Hochpaß-Blaufilter in Kombination mit einem Tiefpaß-Gelbfilter und/oder auch passende 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.

Bei Gebrauch der vorstehend erläuterten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird die Messung zweckmäßigerweise in folgenden Stufen durchgeführt:

a) Einsetzen einer haemoglobinfreien Vergleichslösung uncl 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.

Im folgenden wird die Erfindung durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung

näher erläutert. In dieser Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein apparatives Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung,

F i g. 2 eine Darstellung der wichtigsten Kennlinien, nämlich der Wandler-Empfindlichkeit h der aus der S kombinierten Wirkung der von Licht beaufschlagten spektral-selektiven Bauteile für eine haemoglobinfreie Vergleichslösung resultierenden Empfindlichkeitskennlinie ho und der grundsätzlichen Transmissions-Charakteristik T_H von gelöstem Oxy-Haemoglobin HbC>2 je in funktionaler Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge λ,

Fi g. 3 ein Prinzipschaltbild einer in der Meßeinrichtungverwendbaren Linearisierungs-Meßbrücke M,

Fig.4 eine mögliche Variante zu Fig. 1 mit einem Reflexionsfilter Er im Lichtweg zum fotoelektrischen Wandler Fanstelle von Durchlaß-Farbfiltern E_t, £2,

F i g. 5 eine Ansicht in Richtung djr Pfeile V-V von Fig.6, teilweise geschnitten, auf ein konstruktives Ausführungsbeispiel,

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

In F i g. 1 ist mit L eine Lichtquelle bezeichnet vorzugsweise eine Wolframdraht-Mikroglühlampe von geringer Leistungsaufnahme und hoher Lebensdauer. Auf der rechten Seite der Lampe L ist ein Fotowiderstand Fangeordnet Im Lichtweg zwischen der Lampe L und dem Fotowiderstand F sind hintereinander eine Lochblende B, ein Streuplättchen Q eine auswechselbare Cuvette D für eine Haemoglobinlösung und zwei Durchlaßfarbfilter Ei. £2. vorzugsweise ein Hochpaß-Blaufilter Ei und ein Tiefpaß-Gelbfilter £2 angeordnet Der Fotowiderstand F wandelt das ihn beaufschlagende Licht in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung in einen entsprechenden Strom »>um. Auf der Unken Seite der Lampe ist ein gleichartiger Fotowiderstand F' angeordnet der über eine Lochblende B' 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 Empfindlichkeitskennlinie //-des Fotowiderstandes F den für eine anliegende Normalspannung bei der Beaufschlagung mit Licht bestimmter Intensität der in Abszissenrichtung aufgetragenen Wellenlängen erzeugten Strom if. Diese Kennlinie entspricht der Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges, aber nicht der erfindungsgemäß geforderten, bei der Einsetzung einer Cuvette D mit haemoglobinfreier Vergleichslösung resultierenden Empfindlichkeitskenn- so linie /«, die ebenfalls in Fig.2 in vorteilhafter und realisierbarer Form dargestellt ist Eine derartige Empfhtdnchkeitskennlmie ergibt sich hingegen bei passender Auslegung der gemäß F i g. 1 in den Lichtweg zum Fotowiderstand F eingesetzten Durchlaßfarbfilter £t und E₂ im Zusammenwirken mit dem nicht dargestellten Emissionsspektrum der Lampe L und der gezeichneten Empfindlichkeit //des Fotowidersundes F. Wesentlich ist dabei daß die resultierende Empfindlichkeitskennlinie l,o ein Maximum etwa bei Λ = 540 bis 560 ran 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 ist in F i g. 2 eine für eine Oxy- Haemoglobmlösung bei deren Beaufschlagung mit weißem Licht resultierende Transmtssionskennlime T_H dargestellt, von welcher in einer Meßeinrichtung nach F i g. 1 der zwischen den Bandgrenzen A = 500nm bzw. A = 600nm liegende Ausschnitt integral ausgewertet wird.

In Fig.3 ist schematisch eine Linearisierungsmeßbrücke M dargestellt, in welcher die beiden Fotowiderstände Fund F'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 D entsprechendem Stromoder Spannungswert eingeschaltet Durch geeignete Bemessung der Widerstände R und R' 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 Dim technisch bedeutsamen Bereich des Haemoglobingehaltes (8 bis 24 mg/100 ml) erreicht werden. 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, so daß es sich erübrigt die Lampenhelligkeit zu stabilisieren.

Fig.4 zeigt, als Variante zu Fig. 1, wie die gewünschte resultierende Empfindlichkeitskennlinie. statt wie gemäß Fig. 1 mit Durchlaß-Farbfiltern Ei. £2 im Lichtweg von der Lampe L zum Fotowiderstand F über eine Lochblende B und eine Proben-Cuvette D, auch durch ein entsprechend ausgebildetes Reflexionsfilter Er erzielbar ist.

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine Variante des Prinzipschemas nach F i g. 1. Auf einer Basisplatte 1 sind eine Halterungsvorrichtung 10, Π für die Lampe L eine Halterung 12 für den Fotowiderstand F. eine Halterung 13 für eine Lochblende Bi und für zwei Durchlaß-Farbfilter £1, E₂. 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 F'. B'. Cdei>Referenzgrößen-Erzeugungsvorrichtung vor dem Fotowiderstand F' montiert. Die ganze Haemoglobin- Konzentrations-Meßeinrichtung wird von einem mit einem abnehmbaren Deckel 170 zum Auswechseln der Cuvette D versehenen Gehäuse 17 umschlossen.

In Abänderung der in den Fig. 1, 5 und 6 der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen sind die Bauteile C £1. £2 und die Meßcuvette D grundsätzlich beliebig hinsichtlich ihrer Remenfolge vertauschbar. Der Lichtverlust durch Streuung in der Meßcuvette D kann dadurch reduziert werden, daß der Wandler F möglichst nahe bei dieser Cuvette angeordnet wird und dafür die Filter Ei und E₂ 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 werdea Dies eliminiert den Umgang mit einer giftigen Substanz, verkürzt die präparative Phase und verhindert eint Schädigung der Leukozyten, was vor allem bei der gleichzeitigen Zählung und insbesondere der Vohimendiskriminierung der Leukozyten in einem Zahlautomat von Bedeutung ist

Prinzipiell eignet sich jedes hämolysierende, nicht zu stark gefärbte Verdünnungsmittel zur Hämogtobinbe· Stimmung, 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, F' fällt, so daß fokussierende optische Elemente überflüssig werden, wodurch auch kritische optische Justierungen entfallen.

Aus den genannten Vorteilen ist unmittelbar lieh, daß sowohl die Probenzubereitung se einfacher und billiger als auch der Materialaufv optischen Teil geringer ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optisch-elektrische Meßeinrichtung zur quantitativen Bestimmung des Gehaltes von hämolysiertem Blut an mindestens einem gelösten Hämoglobin-Derivat durch vergleichende Auswertung einer erhaltenen elektrischen Wandler-Ausgangsgröße — zu deren Integralwert alle Lichtwellenlängen innerhalb eines bestimmten Spektralbereiches unter etwa 620 nm partiell beitragen — einer im Lichtweg zwischen einer Glühdrahtlampe und einem fotoelektrischen Wandler eingesetzten und durchleuchteten Meßcuvette gegenüber dem Wert dieser Wandler-Ausgangsgröße für eine häoaoglobinfrei«; Vergleiriislösung in der Meßcuvette, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsspektrum der Glühdrahtlampe (L), die resultierende Lichttransmission von im Lichtweg zum Wandler vom Licht beaufschlagten Bauelementen (C D, E) sowie die κ> spektrale Anzeigeempfindlichkeit (Iy₁)) des Wandlers (F) so aufeinander abgestimmt und kombiniert sind, daß bei Abwesenheit von Hämoglobin in der Meßcuvette (D) die Wandler-Ausgangsgröße (i,_o) in funktioneller Abhängigkeit (IuHU von der Lichtwellenlänge ununterbrochen glockenförmig verläuft ihr Maximum im Wellenlängenbereich zwischen 540 nm und 560 nm aufweist und beidseitig davon über eine Halbwertsbreite von mindestens 60 nm bis zu den Wellenlängenwerten von 500 nm und 600 nm stetig auf je weniger als 20% des Maximalwertes und außerhalb dieser Zwischenwerte asymptotisch auf den Wert Null absinkt

2- Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die erforderliche Spektralabhängigkeit (Ium) der Wandler-Ausgangsgröße (i_ro) aus den kombinierten Spektralabhängigkeiten der Lichtquellen-Emission, der Anzeige-Empfindlichkeit (I^ des Wandlers (F) und der kombinierten Transmission von im Lichtweg eingesetzten optischen Filtern (E_x, E₂, E/^resultiert

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß im Lichtweg ein Reflexionsfilter (Eg) eingesetzt ist (F ig. 4).

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß im Lichtweg mindestens ein Durchlaß-Farbfilter (Eu E₂) eingesetzt ist (F i g. 1,5.6).

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche \ -4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des von der Lampe (L) erzeugten Lichtes zur Bildung einer elektrischen Referenz-Ausgangsgröße (i_f) einem zweiten fotoelektrischen Wandler (F') zugeführt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß zwei, vorzugsweise gleichartige, Fotowiderstände (F, F₁JaIs fotoelektrische Wandler zueinander parallele Längszweige einer elektrischen Brückenschaltung (M) bilden, in deren Querzweig ein Anzeige-Instrument (H)zur linearisierten Anzeige der totalen Hämoglobin-Konzentration in der Meßcuvette ^eingeschaltet ist (F i g. 3).