DE2829269A1 - Verfahren zur bestimmung von kardiologischen messgroessen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur bestimmung von kardiologischen messgroessen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von kardiologischen Meßgrößen und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zur Bestimmung des Blutdruckes, des Blutflusses und weiterer
kardiologischer Größen bei Menschen und Tieren.
Blutdruck- und Blutflußmessungen sind für die Medizin von besonderer Bedeutung. Durch diese Messungen sind entscheidende
Informationen für die Analyse der Herztätigkeit und der Blutversorgung von verschiedenen Körperteilen bei Menschen oder
Tieren erhaltbar. Die Blutflußmessung ermöglicht eine direkte Bestimmung der mechanischen Leistung des Herzens, während andererseits
die Elektrokardiologie nur aufgrund von zugehörigen Aktionsströmen eine vorwiegend qualitative Aussage über die
Herztätigkeit ermöglicht.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Blutflußmessung sowie zugehörige Vorrichtungen bekannt (H. Kresse: Fortbildungsvortrag von der 51. Physikertagung 1977 in Karlsruhe "Aspekte
der Physik in der modernen Medizintechnik", Physikalische Blätter, 34. Jahrgang, Heft 4/78).
Bei der Eigengasmessung der Blutströmung wird das vom Herzen ausgeworfene Blutvolumen mit Hilfe der Lungendurchblutung bestimmt.
Durch Registrierung der Sauerstoffauf nähme und Messung
der Sauerstoffanteile von venösem Mischblut und arteriellem
Blut vor und hinter der Lunge kann das Herz-Minuten-Volumen
309883/0242
bestimmt werden. Dieses Verfahren führt zu befriedigenden Ergebnissen,
jedoch ist dies in der praktischen Durchführung schwierig zu realisieren, da zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes
des venösen Mischblutes ein zentral venöser Katheter in die rechte Herzkammer eingelegt werden muß. Für die normale
klinische Routine ist dies nicht zumutbar.
Bei der Farbstoffverdünnungsmethode wird nach Einbringen eines Farbstoffes in eine Vene durch optische Analyse am Ohr
der vom Vermischungsvorgang abhängige zeitliche Konzentrationsverlauf des Farbstoffes gemessen. Neben dem Eingriff in das
Gefäßsystem hat diese Methode den Nachteil, daß sie nicht kontinuierlich
ist, nicht eliebig wiederholbar ist und nur einen Mittelwert liefert.
Die elektromagnetische Blutflußmessung beruht darauf, daß
die Ionen im Blut innerhalb eines Magnetfeldes durch Lorentz-Kräfte abgelenkt werden. Die entstehende Potentialdifferenz
ist ein Maß für den Blutfluß. Mit diesem Verfahren läßt sich das Schlagvolumen jedes einzelnen Herzschlages ermitteln, jedoch
besteht der Nachteil, daß die Arterie oder Vene operativ freigelegt werden muß, um die Messung durchführen zu können. Außerdem
kann das Signal nur abgeleitet werden, wenn sich die magnetische Feldstärke nicht ändert.
Es lassen sich auch mit Hilfe der Ultraschall-Echolotung und durch Ausnutzung des Dopplereffektes von Ultraschallwellen Blutflußmessungen
durchführen. Bei der Ultraschall-Echolotung wird mit Hilfe voh Echolaufzeiten der Durchmesser der Herzkammer ausgemessen
und bei bestimmten Annahmen über die geometrische Form der Herzkammern folgt aus der Änderung des Durchmessers das
Schlagvolumen. Alerdings treten bei dieser Messung erhebliche Fehler bis zu 50% auf.
903883/D2i2
Über die Messung der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb
einer Ader unter Ausnutzung des Ultraschall-Dopplereffektes ist es möglich, Blutflußmessungen durchzuführen. Die Nachteile
liegen in der aufwendigen Technik, die dadurch notwendig ist, daß folgende Bedingungen erfüllt sein müssen:
a) Der Winkel zwischen dem Schallstrahl und der Blutströmung muß erfaßt werden,
b) Die querschnittsgemittelte Geschwindigkeit muß berechnet werden und
c) Der Aderquerschnitt muß gemessen werden.
Die Impedanzkardiographie nutzt die Tatsache aus, daß durch die Herztätigkeit räumliche und zeitliche elektrische Leitfähigkeitsänderungen
durch den Blutfluß erfolgen und es ist ein Meßgerät entwickelt worden, das die entsprechenden Widerstandsänderungen
erfaßt. Das Meßgerät weist Elektroden auf, von denen zwei am Hals und zwei am unteren Rippenrand ringförmig angelegt
werden und es wird ein schwacher Wechselstrom eingeprägt und über eine Spannungsmessung an den beiden inneren der jeweils
zwei parallel verlaufenden Elektroden, die Impedanz gemessen. Dieser Methode steht man jedoch kritisch gegenüber, da durch
Organverschiebung und Atmung der Körperwiderstand ebenfalls verändert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Bestimmung des Blutflusses und weiterer kardiologischer
Größen sowie eine zugehörige Vorrichtung anzugeben, bei dem bzw. der weder ein Eingriff in den Körper noch elektrische
Kontaktierungen am Körper erforderlich sind.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß an beliebigen Stellen des Körpers von Lebewesen
durch das Anbringen von kapazitiven Aufnehmern Kapazitäten und Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von den elektrischen
Eigenschaften des Körpers und seinen funktionsbedingten
Änderungen festegestellt werden.
909883/0242
Die erfindungsgemäße Lösung geht davon aus, daß durch die Druckerhöhung "beim Herzschlag eine periodische
Ausdehnung der elastischen blutführenden Gefäße erfolgt und daß sich so die dielektrischen Verhältnisse
und damit die Kapazität eines an der Körperperipherie
angebrachten Kondensators ändern. Die Kapazitätsänderung des kapazitiven Aufnehmers oder
der kapazitiven Aufnehmer werden mit Hilfe eines Kapazitäts/Spannungs-Wandlers in eine Spannungsänderung
umgewandelt, die mit einfachen Mitteln sichtbar gemacht werden kann. Auf diese Weise kann man von
der Spannungsänderung auf die Pulsfrequenz, den Blutdruck und das die Gefäße durchfließende Blutvolumen
schließen.
Der Meßeffekt ist aus dem folgenden Grunde sehr deutlich. Das Blut des Menschen besteht zu etwa 56%
aus Blutplasma und zu 44% aus Blutkörperchen. Die Dielektrizitätskonstante des Blutes ist von den
Volumenanteilen und den Dielektrizitätswerten der einzelnen Blutbestandteilen abhängig. Das Blutplasma
besteht zu 90% aus Wasser, das damit der Hauptbestandteil
des Blutes überhaupt ist. Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante von Wasser von £ =
ergibt sich daher durch den Blutfluß eine verhältnismäßig große Kapazitätsänderung.
Es kann davon ausgegangen werden, daß im wesentlichen nur eine Variation der Größe der Blutgefäße
durch die Blutflußstromänderung die Kapazität beeinflußt, da Änderungen der übrigen Dielektrika, wie
z.B. des Gewebes, entweder nicht auftreten oder vernachlässigbar
gering sind. Eine Ausnahme hiervon bilden Körperteile, die von großen stofftransportierenden
Kanälen durchzogen sind, wie z.B. der Hals. Neben den kardiologischen Größen kann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch die Atemtätigkeit erfaßt werden, da aufgrund der durch die Atmung entstehenden variierenden
Druckverhältnisse im Brustraum beim Einatmen eine leichte Blutdrucksenkung und beim Ausatmen
ein leichter Blutdruckanstieg erfolgt. Da die Atemfrequenz erheblich niedriger ist als die Pulsfrequenz,
ist es durch ein elektronisches Filter am Ausgang des Kapazitäts/Spannungs-Wandlers möglich, die Atemfrequenz
allein zu erfassen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Aufnehmer
oder die kapazitiven Aufnehmer zur Kapazitäts-Spannungswandlung
in einen Zweig jeweils einer Meßbrücke geschaltet sind.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß der Körper, bei dem eine kardiologische Meßgröße
bestimmt werden soll, nicht direkt kontaktiert werden muß. Darüberhinaus lassen sich kardiologische
Meßgrößen an verschiedenen Körperteilen ausmessen, da die kapazitiven Aufnehmer an beliebigen Stellen
des Körpers angebracht werden. Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen Vorrichtungen
sind bei weitem einfacher als beispielsweise die, die bei der Impedanzkardiographie verwendet werden,
und darüberhinaus sind die Meßwerte besonders einfach auswertbar, da es sich um Brückenausgangssignale
handelt, die direkt ein Maß für den Blutfluß sind.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie
eines besonders geeigneten kapazitiven Aufnehmers sowie die mit dieser Vorrichtung erzielbaren Meßergebnisse werden
nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Meßbrücke mit einem kapazitiven Aufnehmer zur
Kapazitäts-Spannungswandlung,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines kapazitiven Aufnehmers,
Fig. 5 eine Meßkurve, die mit einer Meßbrücke nach Fig. 1 aufgenommen ist und
Fig. 4 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgezeichnete
Meßgröße im Vergleich zu einer nach der Impedanzkardiografie aufgezeichneten
Meßgröße.
Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Meßbrücke, Die
Meßbrücke enthält einen Zweig, in dem sich als kapazitiver Aufnehmer ein Kondensator 1 befindet, in dem sich ferner ein
ohmscher Widerstand 2 befindet. Sie enthält einen weiteren Zweig
mit einem Kondensator 3» der eine konstante Kapazität hat, und
mit einem veränderbaren Widerstand 4. Die beiden Kondensatoren sind geerdet. An der Verbindungsstelle zwischen den beiden Zweigen
bzw. den beiden Widerständen 2 und 4 wird über einen Generator 5 ein Signal eingespeist.
Zwischen dem kapazitiven Aufnehmer 1 und dem Widerstand 2 befindet sich ein Anschluß 6, und zwischen dem Kondensator 3
und dem veränderbaren Widerstand 4 befindet sich ein Anschluß Zwischen den Anschlüssen 6 und 7 wird bei Speisung der Brücke
durch den Generator 5 ein Signal erzeugt, dessen Größe ein Maß für die Änderung der Kapazität des Kondensators 1 ist.
Im folgenden wird eine Ausführungsform eines kapazitiven Aufnehmers, wie er sich für viele Anwendungen eignet,
beschrieben. Auf einer Manschette 8 sind mehrere parallele elektrisch leitende Streifen 9 vorgesehen. Die Manschette
wird ringförmig um den zu messenden Körperteil gelegt.
Jeder zweite der Streifen ist elektrisch miteinander verbunden, so daß die Gruppe der einen miteinander verbundenen Streifen eine Kondensatorplatte 10 und die Gruppe der anderen miteinander verbundenen Streifen eine andere Kondensatorplatte 11 bildet. Die ganze Anordnung ist durch die
Manschette 8 gegenüber dem zu messenden Körper isoliert,
um elektrische Leitungsvorgänge auszuschließen. Auf der dem Körperteil abgewandten Seite der Anordnung ist eine elektrisch leitende Folie 12 isoliert angebracht, die geerdet ist, um Kapazitätsänderungen durch äußere Einflüsse auszuschließen. Die Kondensatorplatten sind mit den übrigen
Schaltungselementen der Meßbrücke über abgeschirmte Leitungen verbunden. Die Meßbrücke hat eine Auflösung von
Jeder zweite der Streifen ist elektrisch miteinander verbunden, so daß die Gruppe der einen miteinander verbundenen Streifen eine Kondensatorplatte 10 und die Gruppe der anderen miteinander verbundenen Streifen eine andere Kondensatorplatte 11 bildet. Die ganze Anordnung ist durch die
Manschette 8 gegenüber dem zu messenden Körper isoliert,
um elektrische Leitungsvorgänge auszuschließen. Auf der dem Körperteil abgewandten Seite der Anordnung ist eine elektrisch leitende Folie 12 isoliert angebracht, die geerdet ist, um Kapazitätsänderungen durch äußere Einflüsse auszuschließen. Die Kondensatorplatten sind mit den übrigen
Schaltungselementen der Meßbrücke über abgeschirmte Leitungen verbunden. Die Meßbrücke hat eine Auflösung von
·■ 10" und kann absolute Kapazitätsänderungen von weniger
-3
als 10 pF erfassen. Am Ausgang der Meßbrücke steht ein
opannungssignal zur Verfügung, das der Kapazitätsänderung
des Aufnehmers proportional ist.
Die mit der erfindungsgemäßen Meßbrücke durchgeführten Messungen sind in den folgenden Diagrammen der Fig. 3 und
dargestellt. Die Manschette mit dem kapazitiven Aufnehmer lag dabei um den Hals eines Mannes. In dem Diagramm nach
Fig. 3 ist eine zeitabhängige Blutvolumenbestimmung durch direkte Messung der Kapazitätsänderung dargestellt. Die
Verschiebung des Signalpegels hängt mit der Atmung zusammen. Bei I liegt der höchste systolische Blutdruck vor.
Nach dem steilen Anstieg zum Pulsgipfel bei I folgt das
allmähliche Absinken gemäß II mit einem deutlichen stufenförmigen Einschnitt, bedingt durch das Verschließen der
Aortenklappen. Bei III liegt der niedrigste diastolische
Blutdruck vor.
Fig. 3 ist eine zeitabhängige Blutvolumenbestimmung durch direkte Messung der Kapazitätsänderung dargestellt. Die
Verschiebung des Signalpegels hängt mit der Atmung zusammen. Bei I liegt der höchste systolische Blutdruck vor.
Nach dem steilen Anstieg zum Pulsgipfel bei I folgt das
allmähliche Absinken gemäß II mit einem deutlichen stufenförmigen Einschnitt, bedingt durch das Verschließen der
Aortenklappen. Bei III liegt der niedrigste diastolische
Blutdruck vor.
909B83/CI24 2
In dem Diagramm nach Fig. 4 ist ein Vergleich zwischen
der Blutflußmessung durch Impedanzkardiographie und durch
eine kapazitive Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Da bei der Impedanzkardiographie ein dif-
dz
ferentielles Signal -rar vorliegt, wurde zu Vergleichszwekken auch das Ausgangssignal der Meßbrücke differenziert. Man erkennt eine gute Übereinstimmung beider Verfahren. Zu Beginn der Systole steigt die Stromstärke steil an, erreicht ein Maximum und fällt dann weniger steil ab. Am Systolende wird der Nullwert durchlaufen. Nach dem Ende der Systole tritt im Zusammenhang mit der Schließung der Aortenklappe eine kurz andauernde, negative Kurvenform auf, die durch einen rückfließenden Blutstrom kurz vor dem völligen Klappenschluß erzeugt wird. Es sei hingewiesen auf das Buch von Meyer-Waarden, K. "Einführung in die biologische und medizinische Meßtechnik", Stuttgart 1975.
ferentielles Signal -rar vorliegt, wurde zu Vergleichszwekken auch das Ausgangssignal der Meßbrücke differenziert. Man erkennt eine gute Übereinstimmung beider Verfahren. Zu Beginn der Systole steigt die Stromstärke steil an, erreicht ein Maximum und fällt dann weniger steil ab. Am Systolende wird der Nullwert durchlaufen. Nach dem Ende der Systole tritt im Zusammenhang mit der Schließung der Aortenklappe eine kurz andauernde, negative Kurvenform auf, die durch einen rückfließenden Blutstrom kurz vor dem völligen Klappenschluß erzeugt wird. Es sei hingewiesen auf das Buch von Meyer-Waarden, K. "Einführung in die biologische und medizinische Meßtechnik", Stuttgart 1975.
909883/0242
Claims (11)
1. Verfahren zur Bestimmung von kardiologischen Meßgrößen,
dadurch gekennzeichnet, daß an beliebigen Stellen des Körpers von Lebenwesen durch
das Anbringen von kapazitiven Aufnehmern Kapazitäten und Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von den elektrischen
Eigenschaften des Körpers und seinen- funktionsbedingten Veränderungen
festgestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, ,
dadurch gekennzeichnet, daß als kapazitiver Aufnehmer zur Meßwertaufnahme elektrische
Kondensatoren verwendet werden, die durch Änderung ihrer dielektrischen Verhältnisse ihre Kapazitätswerte ändern.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß als kapazitive Schaltungselemente zur Meßwertaufnahme elektrische Kondensatoren verwendet werden, die durch Ände^ rung ihrer geometrischen Abmessungen ihre Kapazitätswerte ändern.
dadurch gekennzeichnet, daß als kapazitive Schaltungselemente zur Meßwertaufnahme elektrische Kondensatoren verwendet werden, die durch Ände^ rung ihrer geometrischen Abmessungen ihre Kapazitätswerte ändern.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Vorhandensein von mehreren kapazitiven Aufnehmern bei gleichzeitiger Messung Aussagen über mehrere kardiologische
Größen gemacht werden können.
909383/0242
ORIGINAL INSPECTED
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sich der kapazitive Aufnehmer oder die kapazitiven Aufnehmer in beliebigen Abständen von dem Körper befinden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß durch Differentiation oder Integration eines Meßsignals Aussagen über weitere kardiologische Größen erstellt werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Aufnehmer (1) oder die kapazitiven Aufnehmer
zur Kapazitäts-Spannungswandlung in einen Zweig (1,2) jeweils einer Meßbrücke (1, 2, 3, 4) geschaltet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der oder die kapazitiven Aufnehmer (1; 8, 9, 10, 11) eine
Abschirmung (11) gegenüber äußeren Störungen aufweist bzw. aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die kapazitiven Aufnehmer (1) keine galvanischen
Verbindungen zu dem Körper der Lebewesen haben.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die kapazitiven Aufnehmer (1) nach Art eines Plattenkondensators (9, 10) mit ineinandergreifenden Platten
aufgebaut ist bzw. sind.
909883/9242
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet;,
daß am Ausgang der Meßbrücke eine Frequenzweiche zur
gesteuerten Erfassung von Herz- und Atemtätigkeit vorgesehen ist.
'909883/0242
Priority Applications (2)
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DE2829269A DE2829269C3 (de) | 1978-07-04 | 1978-07-04 | Verfahren zur Bestimmung von kardiologischen Meßgrößen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
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DE2829269C3 DE2829269C3 (de) | 1981-11-05 |
Family
ID=6043475
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE2829269A Expired DE2829269C3 (de) | 1978-07-04 | 1978-07-04 | Verfahren zur Bestimmung von kardiologischen Meßgrößen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8380 | Miscellaneous part iii |
Free format text: DER ANMELDER LAUTET RICHTIG HENNIG, EWALD MAX CHRISTIAN, DIPL.-PHYS. NICOL, KLAUS, DIPL.-PHYS. DR.,6000 FRANKFURT, DE |
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8380 | Miscellaneous part iii |
Free format text: DER(DIE)INHABER LAUTET(EN) RICHTIG: HENNIG, EWALD MAX CHRISTIAN, DIPL-PHYS. NICOL, KLAUS, DIPL.-PHYS. DR., 6000 FRANKFURT, DE |
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