DE2823670A1 - Elektronischer blutdruckaufnehmer - Google Patents

Description

• Elektronischer Blutdruckaufnehmer
• Die Erfindung betrifft ein Gerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• In der medizinischen Praxis, z.B. bei der Hämodialyse, bei Operationen am Herzen oder der Lunge usw., muß das Blut des Patienten häufig außerhalb des Körpers durch ein sog. extrakorporales Blutkreislaufsystem geführt werden. Damit bei derartigen Eingriffen das Risiko einer Infektion so weit wie möglich herabgesetzt wird, verwendet man die blutftihrenden Teile nur einmal. Auf diese Weise kann auf eine umständliche, kostspielige und nicht hundertprozentig zuverlässige Reinigung und Sterilisation dieser Teile eines extrakorporalen Blutkreislaufsystems verzichtet werden.
• Entsprechend diesem Konzept läßt man bei Blutdruckmessung innerhalb eines extrakorporalen Blutkreislaufs die Druckaufnehmer nicht in Berührung mit dem Blut kommen. Dies erreicht man dadurch, daß man den Aufnehmer vom Blut mit einer Luftsäule (Luftleitung) trennt.
• Diese Ankopplung kann auf zweierlei Weise geschehen: Entweder verwendet man eine sog. Tropfkammer oder eine T-Stück-Ankopplung. Die Tropfkammer ist üblicherweise ein zylindrischer, ca. 10 cm langer und ca. 20-30 cm3 großer Plastikbehälter, der in der Schlauchleitung integriert ist. Oben befindet sich die Blutzuführung und die Luftleitung zum Druckaufnehmer, unten ist der Blutauslaß. Die Tropfkammer ist normalerweise zur Hälfte mit Blut gefüllt. Alle Druckänderungen spiegeln sich in dem Blutniveau wider, weil die eingeschlossene Luft leicht komprimierbar ist.
• Eine solche Meßanordnung wird heutzutage standardmäßig angewandt. Sie weist trotzdem einige schwerwiegende Nachteile auf, die sich wie folgt zusammenfassen lassen: a) Wie bereits erwähnt, ist die Luft leicht komprimierbar, was zu beträchtlichen Blutniveauschwankungen führen kann.
• Diese Schwankungen können zur Folge haben, daß das Blut entweder bis in die Luftleitung hinaufschießt oder andererseits das Niveau derart absinkt, daß Luft in die Abflußleitung eingesaugt wird. Aus diesem Grund verzichtet man auch meistens auf die Anwendung eines relativ einfachen T-Stücks, weil bei ihm wegen des.geringen Volumens die Gefahr des Lufteinsaugens ziemlich hoch ist.
• b) Wegen der in (a) beschriebenen Effekte ist es auch sehr mühevoll, die blutfUhrenden Schläuche mit Blut oder isotonischer Lösung zu füllen, ohne daß Luftblasen in die Leitung gelangen.
• c) Ein T-Stück-Anschluß hat weiterhin den Nachteil, daß Blut im Seitenarm stagniert (kein direkter Durchfluß bzw.
• #lUssigkeitsaustausch), wodurch die Gefahr von Gorins bildung entsteht. Die darin entstandenen Gerinsel können entweder in den Blutkreislauf gelangen oder den Seitenarm verkleben und eine Druckmessung verhindern.
• d) Die große Kompressibilität von Luft setzt die Grenzfrequenz des Druckaufnehmers stark herab.
• e) Zwischen Luft und Blut ist eine Grenzfläche vorhanden, die zur verstärkten Hämolyse (Zerstörung der roten Blutkörperchen) des Blutes führt.
• £) Die Blutströmung kann nicht ungehindert die Meßstelle passieren. Das hat zur Folge, daß sich entweder Turbulenzen bilden, die zur verstärkten Hämolyse führen oder Stagnationsstellen auftreten, bei denen die Bildung von Gerinseln begünstigt wird.
• g) Das ziemlich große Volumen einer Tropfkammer vergrößert das Volumen des extrakorporal zirkulierenden Blutes beachtlich.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, die o.g. Nachteile (a) bis (g) zu beseitigen, d.h. einen Druckaufnehmer zu konzipieren, bei dem das zu messende Medium laminar (ohne Störungn) an der Meßstelle vorbeifließen kann, ohne dem Kontakt mit Luft, Gas oder einer Flüssigkeit ausgesetzt zu sein. Der Teil des Aufnehmers, der mit dem Medium in Kontakt kommt, soll dabei billig und leicht austauschbar und das Volumen gering sein.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Vorteilhafte spezielle Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich entsprechend den in den Unteransprüchen festgelegten Merkmalen und Maßnahmen.
• Auf diese Weise wird dafür gesorgt, daß sich das System bei Jedem positive.n oder negative.n Druck (bis zu einem systembedingten Grenzwert) in der Gleichgewichtslage befindet. In dieser Stellung ist aber die Membran unausgelenkt. Somit brauchen an die Membran bzw. an das gesamte Kunststoffteil hinsichtlich ihrer mechanischen Parameter, die von vielen Störfaktoren abhängen (Temperatur, Abmessungstoleranzen, chemische Zusammensetzung) keine besonderen Anforderungen gestellt zu werden. Dieser Teil wird dadurch billig und kann ein Bestandteil eines wegwerfbaren Schlauchbestecks werden (Einmalartikel), wie es z.B. bei der Hämodialyse verwendet wird.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 Die schematische Abbildung des Druckaufnehmers Fig. 2 Das Blockschaltbild des Druckaufnehmers Ein Druckaufnehmer, der den gestellten Anforderungen genügt, besteht gemäß Fig. 1 aus einem billigen, wegwerfbaren Kunststoffteil 1 und einer separaten Kompensations- und Meßeinheit 2, deren schaltungstechnischer Teil in Fig. 2 gezeigt wird. Das Kunststoffteil 1 besitzt eine durchgehende Bohrung 3, an die sich die Schlauchzuleitungen 4aichließen. Das Teil kann billig z.B. als Spritzgußteil gefertigt werden und stellt der Blutströmung keinerlei HindernisRe-in den Weg. Das Kunststoffteil 1 besitzt weiter seitlich zur Blutströmung eine plane, ca.30 mm2 große und ca. 0,1 bis 0,3 mm dicke, weiche und aus dem gleichen Kunststoff wie das Teil 1 bestehende Membran 5. Auf dieser Membran 5 ist eine kleine Scheibe 6 aus ferromagnetischem Material aufgeklebt. Sie bildet~das Gegenstück einer magnetischen Kupplung, deren zweiter Teil aus einem Dauermagneten 7 mit entsprechenden Polschuhen besteht. Dieser zweite Teil der Kupplung ist ein Bestandteil der separaten Kompensations- und Meßeinheit 2.
• Die magnetische Kupplung 6,7 ermöglicht eine spielfreie Kraft übertragung zwischen dem austauschbaren Teil 1 und der Kompensations- und Meßeinheit 2. Sie hat auch den Vorteil, daß sie sich leicht lösen und schließen läßt. Das Teil 1 wird Jeweils in ein festes Widerlager 8 in Form eines Teils des Gehäuses zu der ganzen Vorrichtung, das mit der Kompensations- und Meßeinheit 2 fest verbunden ist, eingelegt und mechanisch entlastet (gegenüber äußeren Kräften wie z.B. Zug an den Schlauchzuleitungen 4).
• Die Kompensations- und Meßeinheit 2 enthält ein elektromagnetisches System 9 und einen Wegaufnehmer 10. Das elektromagnetische System 9 wird von zwei zylindrischen Spulen lla, 11b gebildet, die in ein EisenJoch 12 eingesetzt sind. Die Spulen 11a, 17b sind axial nebeneinander angeordnet und in ihrem Inneren Jeweils teilweise vom EisenJoch 12 ausgefüllt.
• In dem von EisenJoch 12 nicht ausgefüllten Teil des Inneren der Spulen 11a, 11b taucht der Anker 13 ein, der sich axial in der Mitte zwischen den Spulen 11a, lib befindet. Die Anordnung ist derart, daß der bestand sowohl innerhalb der beiden Spulen 11a, 17b als auch zwischen den Spulen dem Anker gegenüberliegenden Jochflächen vom Anker ca. 0,5 mm beträgt.
• Der Anker 13 ist durch nichtmagnetische Stäbe 14 auf der einen Seite mit der magnetischen Kupplung 6, 7 und auf der anderen Seite mit einem kleinen Zylinder 15 verbunden. Die Stäbe 14 sind in einer Aufhängung 16 fixiert, die z.B. aus einer Blattfeder angefertigt werden kann. Die Aufhängung 16 bietet einen unnachgiebigen Halt in radialer Richtung und einen elastischen Widerstand in axialer Richtung. Je nachgiebiger die Aufhängung 16 in der axialen Richtung ist, desto niedriger ist die Grenzfrequenz des ganzen Meßsystems. Je steifer sie auf der anderen Seite wird, desto größere Auflösung muß der Wegaufnehmer 10 aufweisen, um die gleiche MeB-empfindlichkeit zu erreichen. Im Prinzip stellt die Aufhängung 16 eine reibungslose Parallelführung des Ankersysteis 7, 14, 13, 15 dar. Das EisenJoch 12 und die Aufhängung 16 sind mit dem Gehäuse 8 fest verbunden.
• Der Wegaufnehmer 10 kann ein optischer Aufnehmer sein. Der Block 17 des Wegaufnehmers ist mit Gehäuse 24 fest verbunden.
• Er hat zwei senkrecht zum Zylinder 15 angeordnete, miteinander fluchtende Bohrungen 19. Der Zylinder 15 taucht in eine weitere Bohrung 18 derart ein, daß er einen Teil der senkrecht dazu verlaufenden Bohrungen 19 abschattet. In diesen Bohrungen 19 sind gegeneinander ein Photoempfänger 20 und ein IR-Strahler 21 angeordnet. Die Strahlungstärke des IR-Strahlers kann noch zusätzlich von einem als Referenz dienenden weiteren Photoempfänger überwacht werden. Selbstverständlich kann auch mit sichtbarem Licht oder UV-Strahlung gearbeitet werden. Induktive oder kapazitive Wegaufnehmersysteme sind ebenfalls einsetzbar.
• Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Druckaufnehmer bildet einen geschlossenen Regelkreis, d.h. es handelt sich um ein aktives System. Der geschlossene Regelkreis wird schematisch nacheinander durch die elastische Aufhängung 16, den Wegaufnehmer 10, die Sumnationsstelle A, den Regler 23, das elektromagnetische System 9 und die Summationsstelle B gebildet. Außerhalb dieses Krtises befinden sich die Membran 5, deren Signal K1 in die Summationsstelle B mündet, und die Nullpunktabgleich-Einheit 22, deren Signal UO in die Summationsstelle A einfließt. Der Druck p in der Bohrung 3 des Kunststoffteils 1 wirkt auf die Membran 5 und übt somit eine Kraft K1 auf den mittels der elastischen Aufhängung 16 gehaltenen Anker 13 aus. Das elektromagnetische System 9 wirkt mit einer Kraft K2 der Kraft K1 entgegen. Die Differenz der Kräfte S1 K2 bewirkt eine Verschiebung x des Ankers 13 und somit des Zylinders 15 im Wegaufnehmer 10, die mit dem Wegaufnehmer 10 in eine Spannung Ux umgesetzt wird.
• Von dieser Spannung Ux wird eine Spannung UO abgezogen, die von einer Nullpunktabgleich-Einheit 22 erzeugt wird. Sie dient der Festlegung der Nullpunktlage. Das Differenzsignal Ux U w3 das elektromagnetische System 9 angesteuert wird. Der Regler 23 verändert die Spannung Up derart, bis seine Eingangsspannung Ux-UO zu Null wird, d.h. bis der Anker 13 seine ursprüngliche Stellung wieder eingenommen hat. Dann sind die Kräfte K1 und K2 gleich groß und die Spannung Up ist somit dem Druck p direkt proportional.
• Die direkte Proportionalität läßt sich folgendermaßten erklären: Bekanntlich ist die Kraft K, die das Magnetfeld der Spulen 11a und 11b auf den Anker 13 ausübt, proportional dem Quadrat der Spulenströme 11, 12 (Beziehung G1, s.u.) und somit auch von der Richtung, in welcher sie die Spulen durchfließen, unabhängig. Die Wirkung dieser magnetischen Kraft K besteht darin, daß sie versucht, den Luftspalt im magnetischen Kreis, der vom Anker 13 und EisenJoch 12 gebildet wird, zu verringern. Um eine lineare Abhängigkeit zu erreichen, schickt man durch die beiden Spulen 11a und 11b einen konstanten Strom Iow dem ein Steuerstrom I überlagert wird (Beziehung G2): **) wird dem Regler 23 zugeführt, mit dessen Ausgangs-- 7 -spannung Up K# 1 2, I22 (G1 ) K - (Io + ffw (io f (G2) Die Kräfte K, die von dem magnetischen Feld der Spulen 11a bzw. lib ausgeübt werden, unterliegen einem linearen Superpositionsgesetz, so daß man für die resultierende Kraft K2 die nachstehende Beziehung erhält K2 ~ Io+I2 4 = ff = 2 IoI (G) Obwohl die magnetischen Kräfte von der Stromrichtung unabhängig sind, ist es sinnvoll, sie derart zu wählen, daß sich die magnetischen Flüsse ~1 ~2, die durch den Teil des Eisen-Jochs 12, der sich zwischen den Spulen 11 befindet, zugleich fließen, subtrahieren. Auf diese Weise werden die radialen Kräfte, die auf den Anker 13 wirken, entsprechend kleiner.
• Tritt nun in der Schlauchzuleitung 4 ein Druck (bzw. Unterdruck) p auf, so wird die Membran 5 und mit ihr das gesamte System 7, 13, 14, 15 ausgelenkt. Diese Auslenkung x wird mit dem Wegaufnehmer 10 abgetastet und in eine Spannung Utumgesetzt sowie die der Abweichung von der Gleichgewichtslage proportionale Spannung dem Regler 23 zugeführt. Am Ausgang des Reglers 23 stellt sich die Spannung Up derart ein, daS das elektromagnetische System 9 die Druckkraft auf die Membran 5 gerade kompensiert und das gesamte Meßsystem wieder in die ursprüngliche Gleichgewichtslage bringt. Die Spannung Up ist dann das gewünschte Ausgangssignal.
• Das ganze Meßsystem kann schließlich auch innerhalb anderer geeigneter, nicht blutführender Systeme eingesetzt werden. Leerseite

Claims (10)

1. P A T E N T A N S P R Ü C H E (19 Vorrichtung zur Messung des Druckes eines strömenden Mediums, insbesondere von Blut, in einem extrakorporalen Kreislaufsyatem, mit einem in dem Strömungsweg des Mediums einsetzbaren Leitungsstück und einem an dieses angekoppelten Meßaufnehmer, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Leitungssttlck (1) einen membranartig ausgebildeten Wandbereich (5) aufweist, der vom zu messenden Druck beaufschlagt wird, daß der Me3aufnehmer, welcher an-den Wandbereich (5) angekoppelt ist, eine als Wegaufnehmer (10) geeignete Vorrichtung zur Erzeugung eines der Auslenkung des Wandbereiches (5) entsprechenden elektrischen Signals aufweist, und daß eine die Auslenkung des Wandbereiches (5) nach XaS-gabe des Signals über einen vorzugsweise elektroiagnetischen Kraftgeber kompensierende Regelstrecke (9,23) vorhanden ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wandbereich (5) eine in einem Kunststoff-Rohrstück, welches ein Teil des Leitungsstückes bildet, integrierte Membran geringer Wandst#rke ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wandbereich (5) plan ist und eine Fläche von etwa 30 mm2 mit einer Wandstärke von 0,1 bis 0,3 mm auiweist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Regelstrecke (9,23) einen elektromagnetischen Kraftgeber (9), bestehend aus wenigstens einer ortsfesten, von einem von der Auslenkung des Wandbereichs (5) abhängigen Strom gespeisten Spule (beispielsweise 11a) und einem in dieser Spule in axialer Richtung verschiebbar gelagerten Anker (13) aufweist, welch letzterer mit dem Wandbereich (5) einerseits und dem Wegauniehmer (10) andererseits gekoppelt ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der elektromagnetische Kraftgeber (9) zwei koaxial nebeneinander angeordnete, in ein EisenJoch (12) eingebettete Spulen (11a, lib) aufweist, daß der Anker (13) derart auf der Achse der Spule zwischen diesen angeordnet ist, daß er Jeweils teilweise in diese eintaucht, und daß der Anker (13) über eine Magnetkupplung (6,7) an den Wandbereich (5) gekoppelt ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnetkupplung (6,7) aus einer auf dem Wandbereich (5) befestigten ferromagnetischen Scheibe (6) und einem mit dem Anker (13) starr verbundenen Perianentmagneten (7) besteht.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5. oder 6., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wegaufnehmer (10) einen Block mit einer zur Achse der Spulen (via, leib) koaxialen Bohrung (18), weiter einen mit dem Anker (13) gekoppelten, in der Bohrung (18) verschiebbar angeordneten Körper (15) sowie eine senkrecht zur Bewegungsrichtung des Körpers (1 5) angeordnete Lichtschranke (20, 21) aufweist, deren Strahlengang durch den Körper (15) entsprechend der Auslenkung des Wandbereiches (5) mehr oder weniger freigebbar ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Anker (13) mit der Magnetkupplung (6,7) einerseits und dem Körper (15) andererseits über nichtmagnetische Stangen (14) verbunden ist, die mittels in Achsrichtung der Stangen (14) auslenkbarer Auflängungen (16) gelagert sind.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in der Regelstrecke eine Vergleichsschaltung (A) zum Vergleich des Ausgangssignals des Wegaufnehmers (10) mit einem einstellbaren Referenzsignal einer Nullpunkt-Abgleichschaltung (22) vorgesehen ist, daß der Ausgang der Vergleichsschaltung (A) an den Eingang eines in der Regelstrecke ( 9, 23) enthaltenen Reglers (23) angeschlossen ist, von dessen Ausgang die Spulen (11a bzw. 11b) des elektromagnetischen Kraftgebers (9) mit solchen Strömen beaufschlagt sind, daß das Eingangssignal des Reglers (23) verschwindet.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Regler (23) zur Speisung der beiden Spulen (11a, leib) die eine Spule (via) mit einem Strom I1 m IO+Iund die andere Spule (11b) mit einem Strom 12 = 1o - I speistJwobei Io ein konstanter Strom und I der dem zu messenden Druck entsprechende Steuerstrom ist.