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Einrichtung zur Messung des Stoffwechsels eines
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O-rgans und insbesondere des zellulären oxidativen Stoffwechsels
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Stoffwechsels eines Organs
und insbesondere des zellulären oxidativen Stoffwechsels, z. B. des Herzens oder
des Hirns.
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Eine derartige Einrichtung soll zu einer in natürlicher Lage ausführbaren
Messung am lebenden Organ ohne Eingriff und Verletzung erfolgen, wobei Änderungen
im Oxidations-Reduktionszustand des zellulären Cytochroms und ferner Änderungen
des Blutvolumens im Haut- und Knochengewebe sowie die Sauerstoff~ sättigung des
Hämoglobins und die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes in einzelnen Organen oder
Extremitäten feststellbar sein soll. Die Einrichtung ist zur Messung sowohl am tierischen
als auch am menschlichen Körper geeignet.
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Es ist allgemein bekannt, daß ein ausreichender Stoffwechsel und insbesondere
eine ausreichende Sauerstoffversorgung wichtige Parameter
Parameter
sind, um die Funktion irgendwelcher Körperorgane abzuschätzen. Dies ist augenscheinlich,
wenn man bedenkt, daß die notwendige Energie für die Sicherstellung der Funktion
des Gewebes für mehr als 94 OJo durch die oxidative Reaktion sichergestellt wird,
bei welcher eine Umwandlung von Sauerstoff zu Wasser erfolgt. Wenn nicht genügend
Sauerstoff zur Verfügung steht, wirkt sich dies schädigend auf die entsprechenden
Organe aus. Bei einem starken Sauerstoffmangel verliert nach einer gewissen Zeit
das Organ seine Lebensfähigkeit.
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Obwohl alle Organe durch Sauerstoffmangel nachteilig beeinflußt werden,
bereitet ein solcher Sauerstoffmangel insbesondere im Hirn große Probleme, da dieses
mit seiner Funktion sehr stark von einer ausreichenden Sauerstoffversorgung abhängt.
Bereits das Fehlen von Sauerstoff für mehr als einige Sekunden löst Fehlfunktionen
aus, die beim Fehlen nach mehreren Minuten bereits zu irreversiblen Schäden führen.
Ein geringerer Sauerstoffmangel kann sich im teilweisen Ausfall von Gehirnfunktionen,
insbesondere in den oberen Zentren der Großhirnrinde auswirken.
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Wegen dieser vitalen Bedeutung der Sauerstoffvers-orgung in der menschlichen
Physiologie wurden intensive Bemühungen angestellt, um diesen Parameter in den verschiedenen
Organen und insbesondere im Herz und im Hirn messen zu können. Bisher gab es keine
MIöglichkeit einer solchen Messung ohne Verletzung des Körpers infolge eingeführter
Sonden. Es gibt Sekundärverfahren, bei welchen durch indirekte Methoden ein Sauerstoffmangel
feststellbar Ist, z. B. aufgrund von Änderungen, die sich bei elektroenzephalographischen
Aufzeichnungen zeigen. Mit Hilfe dieser Aufzeichnungen lassen
lassen-stch
ernste hypoxische und anoxische Zustände im Hirn feststellen. Mit Hilfe von elektrokardiographischen
Aufzeichnungen ist es auch möglich, einen Sauerstoffmangel im Herzen festzustellen.
Diese Verfáhren-haben jedoch nur dann die Möglichkeit einer Diagnostik geboten,
wenn bereits -pathalogische Zustände vorlagen; und die Schädigung der Organe einen
ernsthaften Zustand eingenommen hat. Messungen des zerebralen Blut-Üusses und neuerdings
auch des myokardialen Blutflusses begründen#;dle Annahme, daß ein nicht ausreichender
Kreislauf die Hauptursache für die mangelnde Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff
ist. Obwohl diese Annahme für viele Fälle korrekt ist, bleibt die Tatsache bestehen,
daß die Aussagen durch die~Möglichke-it arterieller-venöser Umleitungen beeinflußt
sein können und nicht in der Lage sind, einen unzureichenden BlutfluR im Mikrobereich
festzustellen, insbesondere, wenn im Makrobereich Änderungen auftreten.
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Der lokale- Blutfluß wird zur Zeit mit Hilfe von radioaktivem Material
gemessen, das in die Blutbahn eingeführt und während #der Zükulation durch den-Körper
ausgemessen wird. Dies kann -in Form einer Inhalation radioaktiver -Isotopen eines
Gases oder auch durch arterielle bzw. venöse Injektion einer Lösung mit einem gelösten
isotopischen Gas erf#olgen. Ein solches Gas muß ausreichend löslich und leicht im
Blutstrom sowie im Gewebe zu verteilen sein und andererseits eine genügend starke
Strahlung aufweisen, damit sie das Aüßengewebe durchdringen kann. In der Regel findet
Xenon 133 Verwendung. Ein herkömmliches Verfahren besteht in der-Verabreichung einer
Pille mit Xenon 133, welche in die Arterie eingeführt wird, oder im Einatmen eines
Gasgemisches, das X#enon 133 enthält. Dieses Gasgemisch wird
wird
so lange eingeatmet, bis sich im zerebralen Gewebe eine Sättigung eingestellt hat.
Der Blutfluß über die Lunge eliminiert das Xenon 133 sehr rasch vom Blut, so daß
das Strahlungsniveau im arteriellen Bereich schnell absinkt. Daraufhin wird das
Xenon 133 aus dem Gewebe mit ausgewaschen, indem es mit xenonfreiem arteriellem
Blut ausgetauscht wird. Die Geschwindigkeit, mit der ein solches Verfahren durchgeführt
werden kann, hängt im wesentlichen von dem Blutfluß durch das zu beobachtende Organ
ab. In der Regel werden mehrere Beobachtungen gleichzeitig angestellt, wobei die
erste auf das Blut gerichtet ist und die weiteren Funktionen des Gewebes berücksichtigen,
welche in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kreislaufparametern auftreten. Diese
die Auswaschung beschreibenden Kurven erstrecken sich über viele Minuten entsprechend
der Zirkulation des Blutes durch~ das Gewebe.
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Aufgrund möglicher Kreislaufschäden sind Abzüge zu machen, ebenso
für mögliche Mängel der Sauerstoffversorgung zum Gewebe. Neben der Tatsache der
indirekten Messung darf der Nachteil nicht aus dem Auge verloren werden, daß der
patient einer radioaktiven Belastung unterzogen wird.
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Ein anderes Verfahren, um die Sauerstoffaufnahme eines Organs zu ermitteln,
besteht in der arteriellen venösen Differenztechnik, mit welcher die Sauerstoffkonzentration
im arteriellen, dem Gewebe zugeführten Blut, und im venösen, vom Gewebe abfließenden
Blut gemessen wird. Es ist bekannt, daß diese Verfahren zum Beispiel bei der Untersuchung
des Gehirnes mit starken Belastungen des Patienten verbunden sind, da Sonden eingeführt
werden müssen. Außerdem muß der Gesamtblutstrom gemessen werden, damit die Sauerstoffaufnahme
errechnet
rechnet werden kann. Außerdem ist die Messung der myokardialen
Sauerstoffaufnahme ausgeschlossen, da reines venöses Blut vom Herzmuskel nicht routinemäßig
erhalten werden kann.
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Für die Untersuchung der Sauerstoffsättigung im arteriellen Blut ist
die OxLwrrnetrie bekannt. Diese Technik ist jedoch nicht darauf gerichte, primäre
Informationen über den organischen oder zellulären Stoffwechsel zu liefern und insbesondere
nicht über den oxidativen Stoffwechsel. Die Oxymetrie ist als solche allgemein bekannt
und vielfach beschrieben (US-PS 3 463 142, # 3 647 299, 3 825 342, 3 998 550 und4
086 915).
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Die Durchleuchtung von Gewebe mit Hilfe von Laserstrahlen ist bekannt,
wobei auch darauf hingewiesen ist, daß die Strahlungsenergie ein bestimmtes Niveau
nicht übersteigen darf, um das Gewebe nicht zu schädigen (US-PS 3 769 963, 3 764
008 und 4 077 399). Die Durchleuchtung des Körpers mit Laserstrahlen ist auch aus
dem Buch "Biomedical Aspects offl#eLaser'-', Springer Verlag, New York, 1967 von
Leon Goldman, M. D., Daraus kann man entnehmen, daß Laserlicht die Eigenschaft hat,
sich über verhältnismäßig lange Gewebestrecken auszubreiten.
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Schließlich sind auch Schaltungen bekannt, um Lichtimpulse auszumessen
(US-PS 3 799 672, 3 804 735 und 3 923 403).
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Es ist auch bekannt, daß im isoshestischen Punkt die Absorption des
Lichtes für sauerstoffgesättigtes Blut und sauerstoffarmes Blut gleich ist (US-PS
3 804 535). Obwohl mit photometrischen Mitteln die Sauerstoffsättigung im arteriellen
Blut
Blut oder in Blutproben feststellbar ist, sind die bekannten
Methoden nicht geeignet, eine solche Feststellung ohne Verletzung des menschlichen
oder tierischen Körpers im lebenden Zustand und in natürlicher Lage vorzunehmen.
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Da liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen,
mit der Messungen des Sauerstoffgehalts im Blut und des oxidativen Stoffwechsels
möglich sind.
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Es ist bekannt, daß das zelluläre Enzym Cytochrom a, a3 eine Schlüsselrolle
beim oxidativen Stoffwechsel spielt. Das Enzym tritt direkt mit dem Sauerstoff in
Wechselbeziehung und vermIttelt die Freisetzung der Energie während der Reduktion
von molekularem Sauerstoff zu Wasser. Dies wird erreicht durch die katalytische
Zufuhr von vier Elektronen zum Sauerstoff und die nachfolgende Verbindung mit vier
Wasserstoffionen. Bei einer ausreichenden Sauerstoffversorgung ergibt sich eine
Akkumulation der Elektronen, so daß das Enzym einen mehr reduzierten Gleichgewichtszustand
annimmt. Damit kann man durch die gleichzeitige Messung und Überwachung des Reduktions-
Oxidationszustands dieses Enzyms eine Information über die Sauerstoffversorgung
im Gewebe bzw.
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Organ erhalten.
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Unter Ausnützung dieser Eigenschaften sieht die Erfindung zur Lösung
der Aufgabe vor, daß eine Lichtquelle im nahen Infrarotbereich zwischen etwa 700
nm und 1300 nm Lichtstrahlen von zumindest einer Meßwellenlänge und zumindest einer
Bezugswellenlänge liefert, welche auf das zu untersuchende Organ entweder in einer
Durchleuchtungstechnik oder einer Reflexionstechnik gerichtet ist, daß die Meßwellenlänge
derart ausgewählt ist, daß sie im
- im Bereich des Absorptionsbandes
für spezifische Stoffwechselzustände, vorzugsweise im Bereich des Absorptionsbandes
des sauerstoffgesättigten Cytochrom a, a3 und des sauerstoffverarmen Hämoglobins
liegt, daß die Bezugswellenlänge außerhalb der Meßwellenlänge oder beiderseits der
Meßwellenlänge, vorzugsweise etwa bis 100 nm bezogen auf die Absorptionsspitze liegt,
daß Halterungen vorhanden sind, mit welchen die Lichtstrahlen an einem bestimmten
Eintrittspunkt und einem bestimmten Austrittspunkt am Körper fixiert sind, daß am
Austrittspunkt ~Lichtsensoren angeordnet sind; mit welchen die Meß- und Bezugswellenlängen
getrennt erfaßbar sind, und daß die Lichtsensoren die empfangenen Meß- und Bezugswellenlängen
an eine V e-rarbeitungsschaltung anlegen, welche durch Vergleich den Unterschied
im Absorptionsverhalten als Funktion der unterschiedlichen Wellenlängen ermitteltund
zurAnzeige bzw. Darstellung bringt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren
Ansprüchen.
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Mit Hilfe der E#rfindung ist es möglich, den Reduktions-Oxidations
zustand des En-zym Cytochrom a, a3 und damit den oxidativen Stoffwechsel in einem
Gewebe--bzw. Organ zu ermitteln. Die für die Messung ausgewählten Lichtstrahlen
liegen im nahen Infrarotbereich, wobei-mit zumindest zwei periodisch wiederkehrenden
Wellenlängendas Organ ausgemessen wird, wobei die eine Wellenlänge derart ausgewählt
ist, daß sie einem Wert entspricht, bei welchem die #Strahlung vom Cytochrom besonders
stark ist.
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Mit einer oder mehreren weiteren Wellenlängen, die außerhalb des
Absorptionsbereiches des Cytochrom liegen, werden Bezugsgrößen
zugsgrößen
geschaffen, um Einflüsse auszuschalten, die die-Meßergebnisse verfälschen.
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Je nachdem, welches Organ überprüft werden soll, findet eine Dur chleu
chtungste chnik oder eine Reflexionstechnik Verwendung.
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Bei der Messung des oxidativen Stoffwechsels im Bereich des Hirns
kann es zweckmäßig sein, die Reflexionstechnik zu benutzen, wobei der Eintrittspunkt
für die Strahlung und der Austrittspunkt einige cm auseinander entfernt liegen.
Mit hilfe des unmittelbar im Bereich des Eintrittspunktes reflektierten Lichtes
kann ein Korrekturfaktor ermittelt werden, der sich aus der Änderung des Blutvolumens
im darunterliegenden IIaut-und Knochengewebe ergibt. Durch entsprechende Maßnat##en
läßt sich sowohl das von der Grausubstanz als auch von der ÄVeißsubstanz des Gehirnes
gestreute Licht ermitteln und durch Vergleich daraus die Sauerstoffversorgung der
Grausubstanz ableiten. Dadurch ist es möglich, einzelne Bereiche zu lokalisieren
und die gewünschten Werte abzuleiten.
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Neben der Überwachung und Ausmessung des zellulären oida..-X-en Stoffwechsels
mit Hilfe des Cytochrom a> a, ag bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, andere
Kreislaufparameter zu ermitteln.
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So kann mit Hilfe des Hämoglobinbandes bei etwas verschiedenen Wellenlängen,
z. B. zwischen etwa 740 nm und 780 nin die Sauerstoffsättigung des einem Organ zugeführten
Blutes ermittelt werden. Auch Informationen über das gesamte Blutvolumen eines Organs
sind mit Hilfe der Überwachung des-Hb-HbO2-isosbestischen Punktes möglich. Dieser
Begriff aus der Spektrophotometrie bezieht sich auf eine Wellenlänge, bei welcher
zwei Formen desselben Moleküls oder derselben Molekülniischung dieselbe Abs orptions
sorptionsintensität
haben. Im vorliegenden Fall handelt es sich um das sauerstoffgesättigte und das
sauerstoftverarmte Hämogiobin, wobei die Ab sorptions wellenlänge etwa zwischen
810 nm und 820 nm liegt. In der Regel kann eine Wellenlänge von etwa 815 + 50 nm
benutzt werden, ohne daß die Ergebnisse gefährdet werden, wenn die Messungen auf
geringe Fehler schlecht ansprechen.
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Auch ein breiterer Wellenlängenbereich kann dem Zweck dienen, da selbst
geringe Änderungen im Blutvolumen die mögliche Interferenz durch Hämoglobinverschiebungen
vqn Hb nach HbO z und zurück überwiegen, Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß
zwei Wellenlängen, welche auf die Interferenzreaktion mit entgegengesetzten optischen
Dichteverhalten reagieren Verwendung finden. Damit erhält man für
Werte mit entgegengesetzten Vorzeichen bei etwa 788 vmi und 870 nm. Diese Signale
mit gleicher Amplitude bei entgegengesetzten Vorzeichen und zwei verschiedenen Wellenlängen
werden auch als kontrabestisches Paar bezeichnet.
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Es ist dabei besonders nützlich, wenn zwei Bezugswellenlängen benutzt
werden, die beiderseits der zu messenden Absorptionsspitze liegen. Wenn die Interferenzreaktion
unter -drückt werden soll, können eine Reihe von Wellenlangen benutzt werden, bei
welchen die Summe der Änderungen der optischen Dichte 0 wird. Man spricht dabei
von äquibestischen Paaren, welche dazu dienen können, Fehler zu korrigieren, die
durch Spekiraleftekte aufgrund der Verschiebung von Hb zu HbO2 und zurück auftreten
können. Für diesen Fall wird eine Bezugs wellealänge ausgewählt, welche einen gleichen
optischen Dichte
Dichteeffekt in derselben Richtung hat als dieser
bei der Meßwellenlänge auftritt, wenn eine Interferenzreaktion erfolgt.
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Mit Hilfe derErfindung ist es auch möglich, die Strömungsgeschwindigkeit
des Blutes zu messen, indem eine geringe Farbmenge dem Blut beigegeben wird, welche
Absorptionseigenschaften im nahen Infrarotbereich zeigt. Anstelle der beigegebenen
Farbe kann auch ein Indikationsgasgemiscll mit einem Atemzug eingeatmet werden,
welches pro Atemzug eine hohe und eine niedere Sauerstoftkonzentration hat.
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Es ist auch möglich, dem Gas eine unschädliche Menge von Kohlenmonoxid
beizumischen, um die gewünschte Messung ausführen zu können. Durch die Auswahl von
zwei Wellenlängen für die differentielle Ausmessung der optischen Dichte des Organs
im-Spektralbereich des Absorptionsbandes der Farbe kann man das Auftreten des Indikators
und das langsame Abfallen in dem Kreislauf feststellen und damit die sogenannte
Übergangszeit ausmessen. Diese Übergangszeit ist ein direktes Maß für den Blutfluß.
In entsprechender Weise kann auch die Differenz der optischen Dichte von Hämoglobinkomp
onenten Verwendung finden, um optische Reaktionen auszulösen, wenn beim Einatmen
der Luft plötzlich und kurzfristige Änderungen imA"tmungsrhythmus vorgenommen werden.
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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen
und der Zeichnung. Es zeigen: Fig.
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Fig 1 eine graphische# Darstellung der Änderung der optischen Dichte
im menschlichen Gehirn bei einer Wellenlänge von 815 nm, wobei die Photonenzahl
über der Zeit aufgetragen ist und eine zunehmende zerebrale- Blutleere infolge einer
Hyperventilation auftritt; Fig#. -2 ein Diagramm, aus welchem die Änderung im .Hämoglobin-Blutvolumen
und im Blutdruck hervorg-ehen, die sich durch Änderungen der Strahlungsabsorptions
charakteristik des zerebralen Hämoglobin im Kopfe -einer Katze während eines temporären
Sauerstoffmangels ergeben, indem eine künstliche Beatmung für 3 Minuten nach der
Paralyse des Tiers unterb#rochen wurde; -Fig. 3 Änderungen des Enzyms Cytochrom
beim Übergang von einem# sauerstoffgesättigten in einen sauerstoffverarmten Zustand
sowie Änderungen im Blutvolumen und im Blutdruck, die sich aufgrund von Änderungen
der Strahlungsabsorptionseigenschaften des zerebralen Gytochroms a, a3 bei einem
Versuch gemäß Fig. 2 ergeben; F ig. 4A die Änderung der optischen Dichte für eine
Anzahl von wellenlängenv wie sie bei der Durchleuchtung einer Katze auftre#ten,
wobei die gestrichelte Linie das Hämoglobinspektrum und die ausgezogene Linie den
Trend der Daten zeigt gegenüber dem Hämoglobindifferenzdifferenzspektrum;
Fig.
4B eine Darstellung der Absorptionsspektren des Hämoglobin im sauerstoffgesättigten
und sauerstoffverarmten Zustand Fig. 4C eine Darstellung der Änderung des Blutes
beim Übergang von sauer stoffarmem in sauerstof-r~e;clie-s Hämoglobin, aus dem das
kontrabestische Paar von Wellenlängen hervorgeht, mit welchen sowohl Änderungen
im Blutvolumen als auch Änderungen in der Sauerstoffsättigung nachgewiesen werden
können; Fig. 5 ein Blockdiagramm der Einrichtung gemäß der Erfindung bei der Anwendung
der Durchleuchtungstechnik; Fig. 6 ein detailliertes Blockdiagramm nach dem prinzipiellen
Aufbau gemäß Fig. 5; Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Rückkopplungssteuerung, um Änderungen
im Blutvolumen und im Blutvolumenfluß festzustellen; Fig. 8 ein detailliertes Blockdiagramm
für die Einrichtung gemäß der Erfindung beim Durchleuchten des Herzes; Fig. 9A bis
9D verschiedene Variationen der Positionierung der Lichtquellen und Lichtsensoren
bei der Untersuchung
suchung des menschlichen Hirns; Fig. 10 eine
Andeutung für die Verwendung der Erfindung für eine tomographische Aufzeichnung;
Fig. 31 ein Blockdiagramm zur Verwendung der Erfindung für ein tomographisches Aufzeichnungsverfahren
in einer Ebene; Fig. 12 eine Erläuterung für die Verwendung der Erfindung bei einer
Reflexionstechnik zur Untersuchung des menschlichen Gehirnes; Fig. 13 die Abhängigkeit
der Entfernung zwischen dem Eintrittspunkt und dem Austrittspunkt des Lichtes und
der Signalspannung für die Reflexionstechnik; Fig. 14 eine schematische Erläuterung
der Reflexionstechnik; Fig. 15 einen Schnitt durch ein Glasfaserbündel zur Verwendung
bei der Reflexionstechnik; Fig. 16 den Verlauf der Reduktion von Cu# des Cytochrom
a, a3 und die Abnahme des Blutvolumens während einer Hyperventilation von 1 Minute
unter Verwendung der Reflexionstechnik
technik; Fig. 17 und Fig.
17A die Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration und der Kohlensäurekonzentration
beim Atmen von 5 % CO2 und 95 % O 2 für 90 Sekunden.
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Die hervorstechendste
Die hervorstechendste Eigenschaft
der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Beobachtung, daß Lichtenergie im
nahen Infrarotbereich mit Wellenlängen von etwa 700 nm bis etwa 1300 mxi und bei
verhältnismäßig geringer, nicht schädlicher Dichte sowohl ein weiches Gewebe als
auch Knochen durchdringen kann, welche ein lebendes Organ umgeben. Dieses das Organ
durchdringende Licht kann nach einem verhältnismäßig langen Weg empfangen werden
und erfährt eine #dem oxidativen Stoffwechsel entsprechende Veränderung. Die Wellenlängen
des Lichtes, die sich als kritisch# herausgestellt haben, liegen zwischen etwa 700
nm und etwa 1300 nm, da- in diesem Bereich sauerstoffgesättigtes Hämoglobin (Hb92)
- eine extrem niedere Ab sorp itionscharakteristik hat, wogegen unter einem Sauerstoffmangel
leidendes Hämoglobin (Hb) eine schwache Absorption zeigt, die langsam mit abnehmender
Wellenlänge an-steigt und unterhalb 815 nm etwa bei 760 nm ein kleines Absorptionsmaximum
annimmt. Wegen dieser optischen Eigenschaften kann der Gleichgewichtszustand zwischen
Hb und HbO2, d. h. das venöse-arterielle Mittel festgestellt werden.
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Von zusätzlicher und weiterer Bedeutung ist das Cytochrom a, a3, das
im lebenden Körpergewebe ebenfalls eine sauerstoffabhängige Ab#sörption in einem
Bereich der Wellenlängen zwischen etwa 700 nm und 1300 nm zeigt. Wenn dieses Schlüsselenzym
bei oxidativen Reaktionen genügend Sauerstoff zur Verfügung hat, ergibt sich eine
leichte Absorption in einem Bandbereich zwischen etwa 780 nm #und 870 nm, wobei
das Maximum etwa bei 820#nm bis 840 nm liegt. Das Fehlen von Sauerstoff führt zu
einer völligen Reduktion des Enzym und einem damit verbundenen Verschwinden de#s
Absorptionsbandes.
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Cytochrom a, a3 ist das Endglied der mitochondrischen ?Atmungskette--
und wirkt als Spender von vier Elektronen an den
den molekularen
Sauerstoff im letzten Schritt des Hauptsveges des oxidativen Stoffwechsels in der
Zelle. Bei dieser Reaktion werden die Elektronen von den vier metallischen Reduktions-Oxidations-Komponenten
des Enzym, nämlich den zwei Eisenatomen der a, a3-Häm und den zwei Kupferatomen
zum Sauerstoff transferiert.
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Die nachfolgende oder gleichzeitige Vereinigung mit vier Wasserstoffionen
führt zur Bildung von H2 0. Die freie Energiedifferenz zwischen dem Wasserstoff
in den Stoffwechselsubstraten und im H2O wird in Form hochenergetischer Phosphatbindungen
während der oxidativen Phosphorylierung des Adenosindisphosphat (ADP) zu Adenosintriphosphat
(ATP) teilweise erhalten.
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Die letztere Verbindung dient als primärer, freier Energieträger in
der Zelle und deckt den freien Energiebedarf der meisten endergonischen- Reaktionen,
welche für normale physiologische Funktionen und das Überleben der Zelle erforderlich
sind. Da-mehr als 90 % der cellulären Produktion von ATP durch oxidativePhosphorylierung
erfolgt, und da der Sauerstoffbedarf durch das Verhältnis des Elektronentransfers
vom Cytochrom a, a3 zum Sauerstoff gesteuert wird, spielt dieses Enzym eine kritische
Rolle beim cellulären, oxidativen Stoffwechsel bzw. der Energetik. Beim Fehlen von
ausreichend O2 werden Elektronen im Cytochrom a, a3 gesammelt, wodurch ein reduzierter
Gleichgewichtszustand ausgelöst wird. Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit
der direkten Messung des Reduktions -Oxidat ions -zustandes des Enzyms, wobei die
aus der Messung abgeleiteten Daten das Vorhandensein von ausreichend Sauerstoff
und -dessen Verwertung bzw. Verwendung im lebenden Gewebe bzw. im Organ erkennen
lassen.
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Bei einer
Bei einer derartigen kontinuierlichen
und nicht verletztenden Messung des Reduktions -Oxidationsgleichgewichts des Cytochrom
a, a3 am lebenden Körper wird eine Infrarotstrahlung geeigneter Wellenlänge und
geeigneten Energieniveaus sowie mit einer entsprechend geringen Strahlungsdichte
auf der einen Seite des Organs zugeführt und durch das Organ hindurchgeleitet bzw.
an diesem reflektiert. Das empfangene Streulicht auf der anderen Seite des Organs
wird einem Photoelektronen-Vervielfacher für die Ausmessung der Strahlung zugeführt.
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Die Messung bzw, die Überwachung kann in einem Zweifach- oder Dreifachmode
erfolgen, wobei eine Wellenlänge dafür ausgewählt wird, das Meßsignal zu liefern
und die andere Wellenlänge als Be-Bezugssignal Verwendung findet. Die Meßwellenlänge
liegt vorzugsweise bei etwa 840 nm im Zentrum der beim lebenden Organ beobachteten
Absorptionsspitze des Cytaochrom a, ag, wobei jedoch nicht nur diese Wellenlänge
des Absorptionsbandes verwendet werden muß, sondern auch andere Wellenlängen hierfür
geeignet sind.
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Beim Ermitteln der Differenz zwischen den Meßsignalen und den Bezugssignalen
heben sich nicht spezifische Änderungen sowohl des Übertragungs- als auch des Reflexionsverhaltens,
die der cytochromatischen Absorption nicht zuzuordnen sind, gegenseitig auf. Mit
Hilfe geeigneter elektronischer Schaltungen werden die Signale separat verstärkt
und demoduliert sowie in Gleichstromsignale ##umge wandelt, die dann von einer Differenzialaufze
ichnung subtrahiert werden.
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Bei einer Version des Zweifachmode wird der isosbestische Punkt des
Hb-HbO2 bei etwa 815 nm + 5 nm als Bezugswellenlänge benutzt,
nutzt,
wobei das erzeugte Signal einer Rückkopplung unterworfen wird, um Änderungen im
Blutvolumen zu kompensieren. Zu diesem Zweck wird eine negative Rückkopplungsschaltung
an die Hochspannungsquelle angeschlossen, welche auch den Photoelektronen-Vervielfacher
vers orgt, um eine Kompensation für das Bezugssignal zu bewirken, welches sich in
Abhängigkeit von Änderungen des Blutvolumens im überwachten Gewebe ändert. Die Spannung
einstellung wird während des nachfolgenden Intervalls, wenn die Meßwellenlänge übertragen
wird, beibehalten. Da die Spannungsänderung der an den Photonen ektronen-Vervielfacher
angelegten Spannung direkt proportional zur Amplitude der Änderung des Blutvolumens
im optischen Weg ist, wird durch diese Spannung änderung der wichtige Kreislaufparameter
ausgemessen nnd kann aufgezeichnet werden.
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Beim Dreifachmode werden drei Wellenlängen benutzt, und zwar eine
Meßwellenlänge und zwei Bezugswellenlängen. Es ist wünsdienswert, daß die beiden
Bezugswellenlängen verhältnismäßig nah beieinander und beiderseits der Meßwellenlänge
liegen. So kann z. B.
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die eine Bezugswellenlänge etwa 100 nm oder auch weniger unterhalb
der Meßwellenlänge und die andere Bezugswellenlänge etwa 100 nm oberhalb der Meßwellenlänge
liegen. Wenn eine Interferenz durch Änderung des Blutvolumens vorhanden ist, wird
für die beiden Bezugswellenlängen von einem kontrabestischen Paar Gebrauch gemacht.
Wenn die Änderungen von Hb zu HbO2 und zurück gegenüber Änderungen im Blutvolumen
überwiegen, wird ein äquibestisches Paar verwendet.
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Es wurde überdies festgestellt, daß Hämoglobin auch sauerstoffabhängige
Absorptionseigenschaften im nahen Infrarotbereich des Spektrums
Spektrums
besitzt, wodurch ein kontinuierliches Ermitteln bzur. Überwachen des Hb -HbO2-Gleichgewichts
zustandes möglic#h ist. In der Praxis wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß
sauerstoffunterversorgtes Hämoglobin (Hb) e-ine schwache A##bsorption zeigt, welche
langsam mit abnehmender Wellenlänge unterhalb 815 nm eine kleine Überhöhung im Bereich
von etwa 760 nm durchläuft. Auf diese Weise kann der Hb-HbO2-Gleichgewichtszustand
durch eine Differenzmessüng bei#Welienlängen-von etwa 760 nm und 815 nm be stimmt
werden, wobei die Wellenlänge von 815 nm, welche im isosbestischen Punkt liegt,
als Bezugssignal dient.
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Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß damit die Möglichkeit geboten
ist, entweder durch eine Durchleuchtung oder durch eine Reflexion am lebenden Körper
ohne Verletzung und Einführen von Sonden eine kontinuierliche Messung von drei Parametern
mit überschneidender Bedeutung möglich ist, welche mit dem Stoffwechsel des Organs
in Wechselbeziehung stehen und insbesondere bei Situationen Informationen über den
Zustand des Kreislaufes und der--Sauerstoffver#sorgung liefern, Wenn diese Informationen
benötigt -werden. Diese drei Parameter sind: 1 die angemessene Sauerstoffversorgung
für eine normale Funktion des Cytochrom a, a3> welches als celluläres Enzym mehr
als 90 % des in einem lebenden Gewebe verbrauchten Sauerstoffs vermittelt; 2. das
gesamte im zu untersuchenden Gewebe vorhandene Blutvolumen 3. der Status- des relativen
Überwiegens des sauerstoffgesättigten arteriellen Blutes- (HbO2) und des sauerstoffverarmten
venösen Blutes (hb). Entweder mit der-Durchleuchtungs- oder der Reflexions -
Reflexionstechnik
gemäß der Erfindung kann der Blutstrom, wie erwähnt, überwacht und mit den erwähnten
Parametern in Relation gesetzt werden, wobei mit einer separaten Überwachung der
erwähnten drei Parameter die Erfindung die Älöglichkeit einer Beurteilung einer
Vielzahl von Parametern bietet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden alle drei Parameter gleichzeitig
mit einem einzigen System überwacht bzw. abgetastet, wobei drei Wellenlängen Verwendung
finden, von welchen eine als Bezugswellenlänge dient. Die Strahlung der drei Wellenlängen
wird abwechselnd dem zu überprüfenden Gewebe in einer Folge zugeführt, die eine
ausreichende Auflösung für die schnellsten Stoffwechselreaktionen bietet. Eine Signalfolge
von mehr als 30 Hz kann hierfür geeignet sein.
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Es wird ein isosbestischer Punkt für das Hb-HbO2 bei einer Wellenlänge
von 815 nm + 5nm verwendet, um ein Bezugssignal zu erhalten, das von dem Meßsignal
subtrahiert ist. Die eine Meßwellenlänge ermittelt den Spitzenwert des oxidierten
Cythochrom a, a3 bei etwa 840 nm, während die andere Meßwellenlänge ein Signal für
den Gleichgewichtszustand des Hb-HbO2 durch die Abtastung der Absorptionsspitze
bei etwa 760 nm des sauerstoffverarmten Hämoglobins liefert. Die Meßwellenlängen
sind nicht auf die Werte von 760 nm und 840 nm begrenzt, da andere Wellenlängen
im Absorptionsband des Cythochrom a, a3 und des Hämoglobin ebenfalls verwendet werden
können. Das rückgekoppelte Bezugssignal kompensiert die Änderungen des Blutvolumens
und wird benutzt, um das Blutvolumen im Prüfge webe festzustellen. Entsprechend
wird, wie bereits erwähnt, die Spannungsänderung in der Rückkopplungsschleife als
Maß für die Änderung des Blutvolumens aufgezeichnet.
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Bei
Bei einem anderen B#eispiel wird eine Wellenlänge
von etwa 840 nm für die Messung des Absorpitionsbandes des oxidierten Cytochrom
a, a3 verwendet, wogegen die Signale, welche man von den zwei ein kontrabestisches
Paar bildenden Wellenlängen im Hämoglobinspektrum erhält, summiert werden, um eine
Korrektur und ein Maß für die Änderung des Blutvolumens im getesteten Organ in derselben
Weise zu erhalten wie dies bei einer einzigen Hb-HbO2-isosbestischen Wellenlänge
der Fall ist. Wie man aus Fig. 4C entnehmen kann, ist die mathematische Differenz
zwischen Absorptionsänderungen bei zwei kontrabestischen Wellenlängen eine Größe
der Verschiebung des Hb-HbO2-Gleich heitszustandes im Organ, welche entweder durch
die Änderung der Sauerstoffversorgung für das Organ oder durch Änderungen bzw. Fehlfunktionen
im Stoffwechselumsatz ausgelöst werden.
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Somit liefert die Verwendung eines kontrabestischen Wellenlängenpaares
beiderseits der Meßwellenlängen nicht nur eine bessere Korrektur für das Cytochrom
a, a3-Signal während des Auftretens von Änderungen im Blutvolumen und in der Licht
-streuung, sondern gleichzeitig auch Informationen über die Verschiebung der Hämoglobin-Sauerstoffsättigung
im Blut bezüglich des Testorgans.
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Nachfolgend werden einige Ergebnisse erläutert, welche unter anderem
die Durchleuchtungstechnik verwendet, um die Einsetzbarkeit der Erfindung am lebenden,
unverletzten und in natürlicher Lage befindlichen Körper zu demonstrieren und um
an einem funktionstüchtigen Organ eine kontinuierliche Überwachung der oxidativen
Parameter und der Kreislaufparameter vorzunehmen. Ferner wird auch zum selben Zweck
die Reflexionstechnik erläutert.
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E xperiment I
Experiment I Da das Gehirn von Lebewesen
bezüglich der Sauerstoffabhängigkeit für die Normalfunktion am empfindlichsten ist,
und da das Gehirn mit der geringsten Beeinflussung durch darüberliegendes Gewebe
am leichtesten zugänglich ist, wurden die ersten Experimente am Gehirn einer Katze
durchgeführt, wobei der intakte Schädel und die Muskulatur sowie die Haut mit dem
Verfahren der Durchleuchtung untersucht wurden.
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Zur Vorbereitung des Experimentes wurde das Tier mit 40 mg/kg Körpergewicht
Pentobarbital anästhesiert sowie tracheotomiert und intubiert und ferner mit Kanülen
in den Arterien und Venen des Oberschenkels versehen. Im Bereich der Schläfen wurde
2 eine Fläche von etwa 2 cm vom Haar befreit. Der Kopf des Tieres hatte zwischen
den beiden Schläfen eine Dicke von 4, 86 cm und wurde mit Hilfe eines Halters immobilisiert.
Im Bereich der Schläfen wurden Glasfaserbündel fest gegen die Hautoberfläche gedrückt.
Das eine Glasfaserbündel diente der Übertragung einer Lichtstrahlung im nahen Infrarotbereich,
wobei zwei Bündel von zwei monochromatischen Lichtquellen auf die eine Schläfe gerichtet
wurden. Mit einem weiteren auf der anderen Schläfe befestigten Glasfaserbündel wurde
das durchdringende Licht empfangen und einem Photoelektronen-Vervielfacher zur Auswertung
zugeführt. Die Leuchtdichte war an der Schläfe relativ niedrig und betrug etwa 2
x 10-5 ausgehen, daß eine Anwendung beim Menschen keinerlei nachteiligen Einfluß
haben würde. Es wurden zwei 6,6 nm-Spektralbänder abwechselnd mit einer Wiederholungsfrequenz
von 60 Hz angelegt. Unter diesen Bedingungen wurde genügend Licht empfangen, um
eine Auswertung
wertung und- Me ss-ung vorzunehmen. Die verwendete
elektronische Schaltung ist-in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellt und diente zur V-erstärkung
und Demodulation der einzelnen Signale sowie der Umwandlung in Gleichstrom, um sie
von dem ausgelesenen Differenzergebnis abzuziehen. Das eine Band der Wellenlänge
lieferte -das Bezugssignal und das andere Band das Meßsignal.
-
Als Bezugsweilenlänge wurde die Wellenlänge im isosbestischen Punkt
des Hb-HbO bei-etwa 815 nm ausgewählt. Eine negative: Rückkopplungsschaltung an
der Hochspannungsquelle für :den--Photoelektronen-Vervielfacher diente der Kompensation
des Bezugssignals bezugs ich der Änderungen im Blutvolumen i#m# optischen Weg. Da
die Spannungsänderungen die Änderungen -des Blutvolumens reflektieren, wurden diese
Spannungsänderungen als Indikator für diesen Parameter aufgezeichnet. Außerdem wurden
die Änderungen des arteriellen Blutdruckes im Oberschenkel ~aufgezeichnet und überwacht.
-
Obwohl die Kreislaufparameter bei diesem Versuch beobachtet und festgehalten
wurden, war das Experiment im wesentlichen darauf ausgerichtet, kinetische Messungen
am Cytochrom a,- a3 und im cerebralen Hämoglobin während des vorübergehenden Sauerstoffmangels
festzuhalten, der durch eine künstliche Unterbrechung der Atmung für eine Zeitdauer
von drei Minuten nach der Lähmung# des Versuchstieres bewirkt wurde. Die Ergab;
nisse #des Versuches sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
-
- In Fig. 2 sind in der -oberen Zeile die #Signale dargestellt, wie
sie sich aus der Wellenlängendifferenz von 760 bis 850 nm ergeben=und welche die
Änderung des Hämoglobin von einem partiell
partiell arteriellen
Zustand in einen mehr venösen Zustand, d. h. von einem sauerstoffgesättigten in
einen sauerstoffunterversorgten Zustand erkennen lassen. Die mittlere Aufzeichnung
repräsentiert den Verlauf der negativen Spannung, welche an den Photoelektronen-Verstärker
nach der Stabilisierung auf ein konstantes Bezugssignal durch die Rückkopplung abgegeben
wurde. Der Anstieg dieser Spannung deutet eine Abnahme der optischen Dichte bei
der Wellenlänge des Hb-HbO2-isosbestischen Punktes an. Man erkennt, daß dieser Abfall
mit dem Abfall des Blutdruckes in der unteren Aufzeichnung übereinstimmt. Offensichtich
ergibt sich ein meßbarer Abfall des 1 cerebralen Blutvolumens, wenn der Kreislauf
auszufallen beginnt. Die Verringerung des Cytochrom a, a3 in der nächsten Phase
des Sauerstoffmangels während der Periode des vorübergehenden Sauerstoffausfalles
ist in Fig. 3 dargestellt. Aus dieser Darstellung kann man entnehmen, daß das Differenz
signal des Lichtbandes mit Wellenlängen von 840 bis 815 nm bezüglich der Intensität
abnimmt, was eine Veränderung von einem sauerstoffhaltigen Zustand in einen reduzierten
sauerstoffhaltigen Zustand andeutet. Es sei ferner erwähnt, daß nachdem die künstliche
Beatmung wieder aufgenommen wurde, das celluläre Enzym zu dem sauerstoffgesättigten
Zustand zurückkehrte, wobei sich die Absorptionseigenschaften für diesen Zustand
wieder einstellten.
-
Wie in der Darstellung gemäß Fig. 2 repräsentieren die mittlere und
untere Aufzeichnung die Änderungen im Blutvolumen und im Blutdruck.
-
Experiment II Bei diesem Versuch wurden die Änderungen des Blutvolumens
im inneren Schädel bei einem lebenden Menschen in aufrechter Stellung ohne Einsetzen
von Sonden und Verletzungen gemessen.
-
E s
Es wurde durch eine freiwillige Hyperventilation,
bei welcher der cerebrale Kreislauf durch Kohlensäuremangel zurückgeht, ein Funktionstest
bei einer gesunden männlichen Versuchsper -son durchgeführt, welche einen Schädeldurchmesser
von Schläfe zu Schläfe in der Größenordnung von etwa 13, 3 cm hatte.
-
Für die Durchführung des Versuches wurde ein Lichtfaserbündel jeweils
an den Schläfen befestigt und ein koherentes Licht zugeführt. Im einen Bündel wurde
ein Licht mit einer Wellenlänge von 815 nm, d. h. im isosbe stis chen Punkt desHb-HbO
zugeführt, 2 2 und zwar über eine Fläche von etwa 0, 567 cm . Das andere Lichtbündel
diente dazu, das Licht auf der gegenüberliegenden Seite aufzufangen und einem Photoelektronen-Vervielfacher
zur Auswertung zuzuführen.
-
Die Beleuchtungsdichte am Eintrittspunkt an der Schläfe war verhältnismäßig
niedrig und lag bei etwa 48Xu Watt /cm2. Es wurde ein Photonenzähler zur Auswertung
benutzt, um die Empfindlichkeit der Auswertung zu verbessern. Es wurden jeweils
Zählungen für 10 Sekunden mit einer Unterbrechung von etwa 1 Sekunde nacheinander
durchgeführt, wobei mit der Hyperventilation kurz vor Beginn der ersten Zählperiode
begonnen wurde.
-
Es ließ sich ein deutlicher Abfall der optischen Dichte mit der fortschreitenden
Zählung feststellen, wobei die optische Dichte durch den Anstieg des Nettozählwertes
angegeben wird, der sich aus dem Gesamtzählwert verringert um die Zählimpulse aufgrund
des Background-Einfiusses ergibt. In Fig. 1 ist der Verlauf der Zählung dargestellt.
Während des Experimentes wurden die verbalen Kommentare
Kommentare
der Versuchsperson aufgezeichnet und es ließt sich feststellen, daß eine Korrelation
zu den aufgezeichneten Zählständen bestand. Etwa mit dem Beginn der dritten Zählperiode
berichtete die Versuchsperson von einem Schwindelgefühl, welches mit dem Beginn
der vierten Versuchsperiode weiter anstieg und schließlich mit dem Beginn der fünften
Versuchsperiode einen solchen Zustand erreicht hatte, daß die Versuchsperson nicht
mehr weitermachen konnte. Damit demonstriert das Experiment die erfolgreiche Feststellung
einer partiellen cerebralen Blutleere bei einer menschlichen Versuchsperson.
-
Experiment III Wenn das Gewebe abfolge eines Mangels an sauerstoffhaltiger
Blutzufuhr mit Sauerstoff unterversorgt ist, sollte ein Vergleich des Infrarotspektrums
vor und nach einem solchen Zustand eine Äderung im Hämoglobin durch eine Sauerstoffverarmung
und durch eine Verringerung des Cytochrom a, a3 erkennen lassen. In Fig. 4 A sind
die Ergebnisse eines solchen Versuches an einer Katze dargestellt, deren Kopf einer
Durchleuchtung unterzogen wurde. Für eine Reihe von Wellenlängen ergab sich eine
Änderung der optischen Dichte, und zwar für den Zustand der normalen Atmung und
der Sauerstoffunterversorgung nach dem Eintritt des Todes bei dem anästhesierten
Tier. Als normal wurden die Punkte 740 mn und 780 mn verwendet und die Form des
Hämoglobinspektrums entsprechend bei der Messung skaliert und als gestrichelte Linie
aufgezeichnet. Die Abweichung der Hämoglobindaten ist in den Fig. 4B und C dargestellt.
Die ausgezogene Linie in Fig. 4A zeigt den Trend der Daten, wenn sie vom Hämoglobindiffe
renz Spektrum divergieren. Die maximale Differenz liegt
liegt etwa
bei 840 nm und wird als durch die Reduktion des Cytochrom a, a3 verursacht identifiziert.
Man kann feststellen, daß bei 815 + 5 nm der Anteil der Reduktion des Cytochrom
a, a3 minimal ist und vernachlässigt werden kann, wenn-dieser Hb.-HbO 2#isosbestische.
Punkt als Rückkopplung gegen die Änderung des Blutvolumens verwendet wird.
-
Wie bereits erwähnt, kann mit den Maßnahmen der Erfindung auch die
Änderung des Blutflusses in eine#m vorgegebenen Organ ausgemessen werden. Das Rückkopplungssignal
bei 815 nm kann als Meßsignal benufzt#werden. Es ist auch möglich, das Signal zu
benut-zen, - welches man bei Wellenlängen erhält, die dem Bereich der stärkeren
Absorption im Hämoglobin zwischen etwa 740 und 780 nm zugeordnet sind. Bei einer
verwendeten Technik wurden Farbpillen arteriell injiziert, die bestimmte Absorptionseigenschaften
bei den ausgewählten T e stwellenlängen haben. Zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit
des Blutes wurde dann die. Zeft verwendet, welche die Pille brauchte, um sich durch
den optischen Weg hindurchzuverschieben. Bei einem anderen Verfahren wird~von der
Testperson einmal Luft eingeatmet, welche einen geringen Anteil von Kohlenmonoxid
enthält. Die Zeitdauer, während welcher das optische Signal durch das Vorhandensein
der ersten und höchsten Konzentration der Hämoglobin-Kohlenmonoxidverbindung beeinflußt
wird, ist aus der Abnahme der optischen Dichte entnehmbar, die sich aufgrund -der
Tatsache ergibt, daß die Verbindung partial keine Lichtabsorption im nahen Infrarotbereich
zeigt. Diese#r vorübergehende Abfall der optischen Dichte wird dazu benutzt, um
die Strömulgsge s chwindigtkeit des Blutes zu -errechnen, indem die Intensität und
das Zeitintervall aufgezeichnet werden.
-
Aus dem
Aus dem Vorausstehenden ergibt sich, daß
die Überwachung der ausreichenden Sauerstoffversorgung des Gehirns mit Ultrarotlicht
besonders vorteilhaft aufgrund der Tatsache ist, daß der Anteil des oxidativen Stoffwechsels
und des diesen begleitenden Cytochromanteils außerhalb des Gehirngewebes sehr viel
kleiner ist als im Gehirngewebe. Der geringe Konzentrationsanteil von Cytochrom
a, a3 in der Haut und im Knochengewebe sowie der kurze optische Weg durch diesen
Gewebeantel, verglichen mit der hohen Cytochrom a, a3-Konzentration im Gehirn und
dem verhältnismäßig langen Lichtweg durch das Gehirn bringt es mit sich, daß das
aus dem empfangenen Ultrarot abgeleitete Signal zu mehr als 98 % den Cytochromanteil
im Gehirngewebe kennzeichnet. Das gleiche trifft auch für die Verteilung des Blutvolumens
zu. Obwohl die Konzentration des Cytochrom a, a3 im II er zinuskel noch viel größer
ist, ergibt sich durch die verhältnismäßig langen optischen Wege bei der Durchleuchtung
oder bei der Reflexion durch Gewebeanteile außerhalb des Herzens eine etwa gleiche
Größenordnung bezüglich des Yerhältnsses der Signalamplituden. Damit bietet die
Erfindung eine Möglichkeit, den Stoftwechselumsatz grundsätzlich in Organen des
menschlichen Körpers zu überprüfen und auszumessen und insbesondere den cellulären
Stoffwechselumsatz, wobei die Ermittlung insbesondere des cellulären oxidativen
Stofflvechselumsatzes besonders interessant ist.
-
Neben den natürlich auftretenden Komponenten, die bisher erwärmt wurden
und differentielle Absorptionseigenschaften in Abhängigkeit vom Stoftwechsel oder
von physiologischen Funktionen im Gewebe bei Ultrarotlicht zeigen, gibt es auch
im Körper nicht natürlich vorkommende Stoffe, mit denen man das gleiche differentielle
Absorptions-
Absorptionsergebnis: ermitteln kann, wenn man diese
Stoffe einführt. So können beispielsweise Indikatorfarben mit differentiellen optischen
Eig#enschaften in Abhängigkeit von dem lokalen pII-Wcrt nützliche Indikatoren sein,
da bei einem Sauerstoffmangel eine Glykolyse-auftritt, die- eine beträchtliche Verschiebung
des pII-Wertes im Gewebe auslöst.
-
Die vorliegende#.Erfindung kann mit großem Vorteil in allen klinischen
Situationen benutzt werden, bei welchen eine ausreichende Sauerstoffversorgung des
Gehirns, des Herzens oder anderer Organe kontinuierlich überwacht und studiert werden
muß. Derartige- Informationen sind häufig von kritischer Bedeutung bei Operationen
o-der während# der Behandlung von Patienten auf Intensivstationen wurde auch bei
der Behandlung und Pflege von Frühgebur@en.
-
:Im letzteren Fall ist die Menge des zugeführten Sauerstoffs besonders
wichtig, da zuviel Sauerstoff zu Blindheit und permaflLnten Lungenschäden einerseits
und zu wenig Sauerstoff zu Gehirnschaden oder zumTod andererseits führen kann. Die
nachfolgende Beschreibund der instrumentellen Ausführungsform der Erfindung basiert
auf Fig. 5 für eine Durchleuchtungstechnik und auf Fig. 12 für eine Reflexionsteclinik.
-
Die Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ist auf die Ausmessung ~der
Differenz der festgestellten Lichtintensität zwischen periodisch wiederkehrenden
Meßsignalen und Referenzsignalen in Form von Lichtimpulsen unterschiedlicher Wellenlänge
ausgerichtet, weiche von einem #hbtoelektronen-yervielfacher empfangen werden. Die
Beschreibung-der Meßeinrichtung befaßt sich vorwiegend mit den Aspekten der Meßeinrichtung,
die auf die Erzeugung der Bezug-und Meßwellenlängen sowie die Rückkopplungsschaltung
gerichtet sind, welche ermöglicht, das empfangene Bezugssignalniveau zu über
überwachen
und zu kompensieren, um Änderungen im Blutvolumen des,überviachten Organs zu ermitteln
und ferner mit der weiteren Schaltung die durch die Rückkopplung geregelte Spannung
des Detektors oder die Rückkopplungsspannung selbst aufzuzeichnen, um daraus ein
Maß für die Änderung des Blutvolumens abzuleiten.
-
Das in Fig. 5 dargestellte Beispiel einer Meßeinrichtung ist für die
Durchleuchtung des Gehirns vorgesehen. Ein Großteil der Schaltung ist jedoch auch
bei der Anwendung der Reflexionsmethode verwendbar.
-
Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung liefert eine Lichtquelle
20 eine Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen im nahen Infrarotbereich über Lichtleiter
21 an einen Detektor 22.
-
Cm die Lichtleiter gegen ein unbeabsichtigtes Verschieben zu sichern
und um eine maximale Lichtübertragung mit geringstmöglichen Verlusten am Eintrittspunkt
und Austrittspunkt zu gewährleisten, ist eine geeignete Halterung 23 vorgesehen.
-
Diese Halterung kann zum Beispiel die bei Kopfhörern übliche Form
haben oder auch aus Klebebändern bestehen, mit welchen die Lichtleiter in der gewünschten
Position festgehalten werden.
-
Ein Taktgeber 24 steuert die Folge der monochromatischen Lichtblitze
einerseits und andererseits die Demodulation der empfangenen Lichtsignale. Eine
Rückkopplungs steuerung 25 ermöglicht, daß die empfangenen Signale einer Wellenlänge,
z. B. im Hämoglobin-isosbestischen Punkt konstant gehalten werden, indem über eine
negative Rückkopplung die Detektorempfindlichkeit eingestellt wird, um Übertragung
s s chwankungen zu
zu kompensieren, die durch Änderungen im Blutvolumen
des untersuchten Organs auftreten. Die Detektorempfindlichkeit wird dann für die
nachfolgende Präsentation der monochromatischen Lichtblitze anderer Wellenlängen
konstant gehalten. Für den nachfolgenden Zyklus wiederholt sich dieser Ablauf. Die
Rückkopplungssignale liefern zusätzlich zur Stabilisation infolge der Unterdrückung
der aus Änderungen des Blutvolumens herrührenden Einflüsse auch eine Information
über diese Änderungen. Die empfangenenBezugs-und Meßsignale und ebenso auch die
Rückkopplungsspannung, welche die Änderung des Blutvolumens kennzeichnet, werden
über eine Signalformerschaltung 26 geleitet und dann zur Aufzeichnung bzw.
-
Darstellung gebracht. Für die Aufzeichnung der Änderung des Blutvolumens
genügt es, die an den Detektor angelegte Rückkopplungs spannung aufzuzeichnen.
-
Als Lichtquelle 20 kommt eine Lichtquelle in Frage, die ein schmales
Spektralband, d. h. ein monochromatisches Licht liefert. Dieses monochromatische
Licht kann von einer weißglühenden Lampe oder einer Lichtbogenlampe durch geeignete
Filter abgeleitet werden. Es sind auch andere Lichtquellen verwendbar, die bereits
ein Licht ganz bestimmter Wellenlänge liefern, wie dies für lichtemittierende Dioden
(LED) oder Laserdioden (LAD) bzw. Laser generell der Fall ist. Diese Lichtquellen
20 sind derart ausgelegt, daß sie ein geeignetes Licht mit verhältnismäßig niederem
Leistungsniveau und einer unschädlichen Leuchtdichte liefern. Derartige Lichtquellen
sind kommerziell erhältlich und sind für verhältnismäßig lange optische Lichtwege
sowohl im Durchleuchtungsverfahren als auch im Reflexionsverfahren für die Verwirklichung
der Erfindung geeignet.
-
In Fig. 6
In Fig. 6 ist eine detailliertere Darstellung
des Schaltbildes gemäß Fig. 5 gezeigt. Es wird im Beispiel die Anwendung bei einem
Menschen zur Messung des zellulären oxidativen Stoffwechsels beschrieben. Dabei
finden zwei Meßwellenlängen von 840 nm und 760 nm, welche mit S-l und S-2 bezeichnet
sind, und eine einzige Bezugswellenlänge von 850 nm, welche mit R bezeichnet ist,
Verwendung. Dabei ist zu beachten, daß die kritische Absorptionscharakteristik des
Cytochrom a, a3 mit der Wellenlänge 840 nm die kritische Hämoglobinsauerstoffsättigung
mit der Wellenlänge 760 nm und der isosbestische Punkt für das Hämoglobin mit 815
nm erfaßt wird. Auf diese Weise läßt sich der Oxidations-Reduktions zustand des
Cytochrom a, a3, die Hämoglobinsauerstoffsättigung und das Blutvolumen meßbar erfassen.
-
Es süd jedoch auch andere Wellenlängen als die in Verbindung mit dem
Beispiel gemäß Fig. 6 genannten Wellenlängen verwendet bar. Aus diesem Grund ist
vorgesehen, daß verhältnismäßig schmale Bandbreiten jeweils um eine mittlere Wellenlänge
#herum Verwendung finden, die in Intervallen von 10 nm im Bereich von 740 bis 890
nm angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich auch andere Gruppen von Bezugs-
und Meßwellenlängen in einfacher Weise auswählen.
-
Die Lichtquelle 30 gemäß Fig. 6 liefert die drei erwähnten Wellenlängen
760 nm, 815 nm und 840 nm. bei einer Bandbreite von vorzugsweise jeweils 6 nm. Diese
Lichtenergie wird über die Lichtleiter 31, welche an einer geeigneten Halterung
32 befestigt sind, über die zu untersuchende Person im Durchleuchtungsverfahren
übertragen, Dabei ist dafür gesorgt, daß das Energieniveau am Eintrittspunkt in
das Gewebe niedrig genug ist, um eine Gefährdung der
der zu untersuchenden
Person vermieden wird. Die in Fig. 5 als Detektor 22 angedeutete Schaltgruppe ist
in Fig. 6 in niehrere Einzelschaltungen unterteilt, nämlich in einen Photoelektronen-#VerVielfacherdetektor
35 , einen Vorverstärker 36 und einen Eingangsverstärker 37, die von herkömmlichem
Aufbau sind und das -empfangene infrarote Licht in elektrische Signale umwandeln.
-
Der Taktgeber 24 gemäß Fig 5 umfaßt bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 6 FET-Schalter 40,einen Taktpulsgenerator 41 und einen Signalformer 42, der
die Signale der einzelnen Wellenlängen separiert und für die Synchronisation der
Signale im Detektor- und Präsentationssystem sorgt. Die Schaltungskomponenten sind
an sich bekannt und können herkömmlich aufgebaut~ sein. Die periodisch auftretenden
Lichtimpulse mit den -drei -genannten Wellenlängen werden nach dem Em;)f:#i#-r für
die#Ermittlung der Meßergebnisse und für Überwachungszwecke separat verarbeitet.
-
Die Rückkopplungssteuerung gemäß Fig 5 besteht bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 6- aus einer Hochspannungsr#gelschaltung 5Q und einer Hochspannungsversorgung
51. Die Schaltung, mit welcher das Blutvolumen erfaßt wird, istin Fig.
-
dargestellt.
-
Die Rückkopplungssteuerung erfüllt zwei Funktionen. Einer seits kompensiert
sie Änderungen der optischen Dichte, gleiche sich durch Änderungen vom Blutvolumen
im Gewebe während der Messung ergeben, und- andererseits liefert sie ein aufzeichnungsfähiges
Signal, um diese Änderungen direkt zu messe
messen. Dies geschieht
vorzugsweisedadurch, daß die dem Photoelektronen-Vervielfacher bzw. dem daraus aufgebauten
Detektor zugeführte Spannung verringert wird, wenn das Bezugssignal ansteigt bzw.
dadurch, daß die Empfindlichkeit durch eine Erhöhung der Spannung vergrößert wird,
wenn das Bezugssignal abnimmt. Das Niveau des Bezugssignals R am Verbindungspunkt
J-1 gemäß Fig. 6 wird der Hochspannungs-Regelschaltung 50 zugeführt, wobei diese
periodische Zuführung des Bezugssignals R durch den Taktimpulsgenerator 41 gesteuert
wird.
-
Da die Bezugs wellenlänge für den Hämoglobin- iso sbe stis chen Punkt
ausgewählt ist, so daß sie nur für die Hämoglobinkonzentration eine Empfindlichkeit
zeigt und nicht die Sauerstoffsättigung kennzeichnet, läßt sich die erwähnte Kompensation
der Änderung des Blutvoiumens im durchleuchteten Feld und zusätzlich die erwähnte
nützliche Messung des Blutvolumens mit einer Schaltung gemäß Fig. 7 erreichen.
-
Die Signalformerschaltung 26 gemäß Fig. 5 wird in der Ausführungsforrn
gemäß Fig. 6 durch einen Differenzverstärker 60, eine Zeitkonstantenschaltung6l
und einen logarithmischen Ausgangsverstärker 62 gebildet. Auch diese Schaltungen
können herkömmlich aufgebaut sein. Die Schaltungen liefern ein Differenzsignal,
indem das Bezugssignal R von den Meßsignalen Sl und S2 abgezogen wird. Anschließend
werden die erhaltenen Signale über die Zeitkonstantenschaltung 61 konditioniert
und über den logarithmischen Ausgangsverstärker 62 zur Verfügung gestellt.
-
Damit stehen die Signale ausgangsseitig in Einheiten der Beleuchtungsdichte
gemäß dem Beer-Lambert LAM-Gesetz zur Verfügung und können mit herkömmlichen Anzeigegeräten
wie Streifenschreiber, Plotter oder Oszillographen zur Darstellung
stellung
gebracht werden.
-
Für den mit der Photometrie vertrauten Fachmann ist es offensichtlich,
daß jeder der beiden erwähnten Verfahren geeignet ist, verschiedene Wellenlängen
festzustellen und zu präsentierell.
-
Wenn Laser, LED,LAD oder ähnliche leicht zu pulsende Licht--quellen
Verwendung finden, kann der Taktimpulsgenerator 41 auch zur Impulsansteuerung benutzt
werden. Wenn dagegen Glühlampen oder Lichtbogenlampen verwendet werden, werden Zerhacker
und Einrichtungen zur Erzeugung eines monochromatischen Lichtes wie z. B. Filter
notwendig, wobei die Triggerung des Taktpulsgenerators mit Hilfe von Sekundär-lichtquellen
oder Phototransistoren erfolgen kann, die durch den Zerhacker aktiviert werden.
In jedem Fall steuert der Taktimpulsgeneiator 41 die FET-Schalter 40, welche zur
Demodulation des Detektorausgangssignals erforderlich sind.
-
Eine Schaltung, mit welcher das Blutvolumen ermittelt werden kann,
ist in Fig. 7 dargestellt und entspricht der Schaltung 70 gemäß Fig. 6. Über den
Verbindungspunkt J-2 steht der Ausgang der Hochspannungsversorgung 51 gemäß Fig.
6 mit einem Spannung teiler 80 gemäß Fig. 7 in Verbindung. Der Teilerpunkt J-3 ist
an eine veränderliche #Zeitkonstantenschaltung 81 angeschlossen und liegt über einen
Widerstand 82 an zwei Operations- bzw.
-
Differenzverstärker 85, 86, deren Rückkopplungsschleife mit 85' bzw.
86' bezeichnet ist, wobei die letztere Rückkopplungsschleife im Interesse einer
veränderlichen Verstärkung einen veränderlichen Widerstand 88 umfaßt. Ein grober
Nullabgleich erfolgt über die Abgriffe 90 an einer Spannungsteilerkette, wogegen
ein feiner Nullabgleich über den Abgriff 91 an einem Widerstand
stand
erfolgt, der zwischen die Abgriffe 90 geschaltet ist. Das Ausgangssignal steht am
Ausgang 95 zur Verfügung und gibt die Änderung des Blutvolumens im Meßorgan an.
-
Eine weitere Meßeinrichtung mit einer digitalen Photonenzählung und
einer Differenzschaltung ist in Fig. 8 dargestellt. Bei dieser Schaltung sind selbstverständliche
Schaltungskomponenten wie Stromversorgungen und dergleichen nichtgezeigt. Die Schaltung
ist in der Anwendung zur Überprüfung des oxidativen Stoffwechsels und einer ausreichenden
Sauerstoffversorgung beim schlagenden Herz dargestellt, welches Reizeinbrüche und
Unregelmäßigkeiten in der Schlagfrequenz haben kann. Grundsätzlich ist eine stroboskopische
Betriebsart vorgesehen, welche auf den Herzrhythmus synchronisiert ist und drei
Wellenlängen verwendet, wovon eine als Meßwellenlänge und zwei als Bezugs wellenlängen
verwendet werden, die beiderseits der Meßwellenlänge angeordnet sind.
-
Als Lichtquelle findet vorzugsweise eine Laserdiode wegen der Schmalbandigkeit
und der geringen Größe Verwendung, deren Lichtintensität im ungefährlichen Bereich
liegt, jedoch ausreichend hoch und mit einer raschen Modulation versehen ist. Bei
größeren Bandbreiten können auch lichtemittierende Dioden Verwendung finden.
-
Bei der in Fig. 8 dargestellten Anordnung ist der Lichtleiter in zwei
Bündel unterteilt, wobei jedem Bündel jeweils ein Photoelektronen-Vervielfacher
zugeordnet ist. Es ist auch möglich, nur einen einzigen Photoelektronen-Vervielfacher
vorzusehen, wobei dieser direkt auf dem Rücken der zu untersuchenden Person angebracht
sei n kann, wobei allerdings dann die Lichtquellen;
-quellen alternierend
arbeiten, was mit Umschaltfrequenzen möglich ist, die eine so hohe Frequenz haben,
daß das Herz während einer Periode, d. h. zwei-aufeinanderfolgendet Impulsen keine
nennenswerte Änderung erfahren hat.
-
Gemäß Fig. 8 wird die Str#ahlung mit den drei verscbiedcnen Wellenlängen
von einer Lichtquelle 100 erzeugt und über Lichtleiter 101 zur Brust des Patienten
geführt. Am Rücl;en des Patienten wird mit einem Lichtleiterbündel 102, welches
in zwei Zweige 102' und 102' ' unterteilt ist, die empfangene Strahlung erfaßt und
den Verarbeitungsstufen zugeführt.
-
Um die Lichtleiter in ihrer Position festzuhalten, kann eine g#eeignete
mechanische Halterung 105 vorgesehen sein.
-
Auf die Lichtquelle 10Q arbeitet ein Phasenmodulator 103, der von
einer Zeitwandler- und Triggerstufe 146 angestellt wird. Die-Funktionsweise der
Schaltung gemäß Fig. 8 ergbt sich größtenteils aus den vorausstehenden Ausfü!lungen
-der prinzipiellen Schaltung g#emäß Fig. 6, jedoch sei auf den grundsätzlichen Unterschied
hingewiesen, der bei der Untersuchung des Herzens aufgrund des Herzrhythmus zu berücksichtigen
ist, Die Empfangsseite der Anlage enthält Filter 110 und-111,-wovon das eine lediglich
die Meßwellenlänge und das andere lediglich die beiden Bezugswellenlängen durchläß@.
-
-De-n Filtern nachgeschaltet sind Photoelektronen-Vervielfacher 115
und 11-6-sowie Vorverstärker 117 und 118. Diese Vorverstärker-#arbeiten auf Verstärker
119 und 120, welchen Diskrimin#atoren 125 und 126 und ein Differenz-Photonenzäh1#i'
130 nàchgeschaltet ist. Alle diese Schaltungskomponenten sind bezüglich ihres Aufbaus
und ihrer Wirkungsweise an -sich bekannt und werden in der Schaltung gemäß Fig.
8 in bekannter
kannter Weise eingesetzt. Ferner sind Schaltungseinrichtungen
zum Takten des Photonenzählers 130 in Korrelation zum Herzzyklus vorgesehen, um
eine stroboskopische Arbeitsweise des Systems zu erreichen.
-
Bei der Durchführung der Messung wird der Patient ferner z. B. am
Arm oder am Fuß und an der Brust mit Elektroden 140 und 141 zur Erstellung eines
Elektrokardioagramms verbunden. Die Meßwerte werden anschließend in einem in der
Nähe des Patienten befindlichen Vorverstärkers 142 verstärkt und an einen weiter
entfernt gelegenen ECG-Verstärker 143 weiter übertragen. Das Elektrokardiogramm
wird in einem ECG-Diskriminator 145 nach vorgegebenen Merkmalen verarbeitet, um
ein Triggersignal für die nachfolgende Schaltung über die Zeitwandler- und Triggerstufe
146 zu erhalten. Für die Auswertung des Elektrokardiogramms werden Merkmale ausgewählt,
die leicht zu unterscheiden und festzustellen sind wie z. B. die Amplitudenhöhe,
der Flankenanstieg oder der -gleichen. Mit Hilfe eines Wandlers in der Zeitwandler-
und Triggerstufe 146 wird das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Triggerungen
ausgemessen und diesesSZeitintervall digital durch eine Standardeinheit, z. B. 100,
dividiert Dabei wird von dem Vorteil Gebrauch gemacht, daß die mechanischen Ereignisse
und damit die Herzbewegung innerhalb eines kardialen Zyklus in der Regel fixiert
sind,unabhängig von der Schlagfrequenz, so daß die verschiedenen mechanischen Ereignisse
innerhalb des Zyklus in konstanten Perioden auftreten. Mit anderen Worten heißt
das, diese Ereignisse sind zeitlich an das ECG gekoppelt und nicht an die Istzeit.
-
Diese
Diese kardiale Zeitinformation kann in zweifacher
Weise verwendet werden. Wenn die optische Information während des gesamten Herzzyklus
gewünscht wird, können die Zählergebnisse des Photonenzählers 130 in einem temporären
digitalen Speicher 150 gespeichert und in dem festliegenden Zeitintervall entsprechend
der oben genannten Standardeinheit ausgelesen werden, wobei diese Standardeinheit
von der Zeitwandler- und Triggerstufe 146 geliefert wird. Bei einer anderen Betriebsart
kann beispielsweise eine Halbleiterlichtquelle nur kurzzeitig aktiviert werden,
so daß sie mit der wichtigsten Zeitperiode innerhalb eines Schlages koinzidiert,
wobei diese aufgrund des vorausgehenden Schlages einprogrammiert ist. Anschließend
können die exakten Intervalle ausgewählt und aus dem Speicher 150 ausgelesen werden.
Ein wichtiger Vorteil dieses an eine bestimmte Zeit des speziellen Herzschlages
angehängten Pufferbetriebes besteht in der Möglichkeit, Informationen auszuschalten,
welche von Zyklen ausgehen, die durch Fehlschläge ausgelöst wurden. Die Aufzeichnung
und die Darstellung der Information kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, entweder
in Form von Diagrammen oder ausgedruckten Kurven bzw. Lochstreifen. Es kann eine
kontinuierliche Überwachung in Abhängigkeit von der Zeit für ausgewählte Zustände,
z. B.
-
der vollen Entschlaffung oder der- vollen Kontraktion vorgesehen werden.
Außerdem kann die Information für komplette Zyklen in einem Rechner 160 gespeichert
und verarbeitet werden, um das Rausch-Signalverhältnis zu verbessern und eine Darstellung
auf einer Bildröhre 161 vorzusehen. Nach der Verarbeitung in einem logarhithmischen
Wandler 155 können die Ergebnisse auch auf einem Plotter 162 zur Darstellung gelangen.
-
Das
Das mit zwei Photoelektronen-Vervielfachern
ausgerüstete System hat eine hohe Flexibilität bezüglich der zeitlichen Steuerung,
wobei das System auch mit einem einzigen Photoelektronen-Vervielfacher auskommt,
wenn dieser unmittelbar an der Hautoberfläche im Bereich der Austrittsstelle des
Lichtes zur Anlage kommt. Bei dieser Anwendungsform werden zwei Lichtquellen alternierend
benutzt und mit hoher Frequenz umgeschaltet, so daß die Bewegung des Herzes nicht
mehr die Ergebnisse nachteilig beeinflussen kann.
-
Es ist offensichtlich, daß die Bereiche für die Lichteinstrahlung
und der Austrittsbereich des Lichtes je nach untersuchtem Organ verschieden ist,
jedoch müssen diese jeweiligen Bereiche optimal eingehalten werden. In den Fig.
9A bis 9D werden ver -schiedene Positionen für den Lichtsender L und den Lichtempfänger
S für Messungen am Kopf angedeutet.
-
Um von einem Herzinfarkt bzw. einem Gehirnschlag betroffene Bereiche
oder Bereiche einer Oligämie und einer Ischämie bzw. anderer pathalogischer Veränderungen
im zellulären oxidativen Stoffwechsel zu lokalisieren, kennt man die Technik der
axialen Tomographie. Diese Technik ist auch in Verbindung mit der Erfindung anwendbar,
wobei in Fig. 10 dargestellt ist, wie mit Hilfe gepaarter Lichtquellen und Sensoren
optische Wege in verschiedenen Ebenen und unter verschiedenen Winkeln aufgebaut
werden können, um durch eine Vielzahl vonDurchleuchtungen des Organs die betroffenen
Bereiche sowohl bezüglich der Größe, ihrer Lage und ihrer Form zu ermitteln. Diese
Werte lassen sich mit Hilfe der Erfindung aus den lntensitätsunterschieden der einzelnen
Wellenlängen in zwei und drei Koordinaten errechnen.
-
errechnen.
-
Bei einer Tomographie unter Verwendung von Röntgenstrahlen in zwei
bzw. -drei Ebenen ist eine verhältnismäßig lange Zeit erforderlich, während welcher
der Patient mit dem untersuchten Organ ruhig gestellt sein muß.
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Unter Verwendung der Erfindung kann eine Tomographie inijerhalb einer
sehr kurzen Zeit-erstellt werden, wenn, wie in Fig. 11 angedeutet, eine- Vielzahl
von Lichtquellen 100 mit Wellenlängen zwischen-etwa 700nm und etwa 1300 nm verwendet
werden und die von diesen Lichtquellen ausgehende kontinuierliche Strahlung, wobei
die Lichtquellen Laserdioden sein können, von einer entsprecI'#enden Vielzahl von
Detektoren 101 auf der anderen Seite des Organs empfangen werden. Dabei können die
Lichtquellen und die Des er in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sein. Mit Hilfe
e le.
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Folgesteuerung 105, die z. B. aus einem Ringzähler bestehen Kaun,
werden die einzelnen Lichtquellen L1 bis L6 nacheinander erregt und entsprechend
die Empfangs systeme aktiviert. Mit Hilfe einer geeigneten Verarbeitung ss chaltung
110, die einen Koordinatenberechner 115 umfaßt, werden die gemessenen Größen verarbeitet
und über einen Drucker 112 bzw. einen Bildschirm 111 zur Anzeige gebracht. Durch
die #Verwendung von etwa 6 Lichtquellen und ensprechend 6 Empfangs systemen und
eine entsprechende Begreltztln der Meßwellenlängen sowie der Bezugswellenlängen
kann die Untersuchungszeit zumindest um den Faktor 10, wenn nicht mehr, -erkürzt
werden. Die erhaltene Information zeigt direkt die Bereiche an, in denen der Sauerstoffmangel
oder die Beeinträchtigung der Durchblutung auftritt, wobei durch die Änderung des
zelluläl en oxidativen Stoffwechsels, z.B. in einem Tumor, dieses erkannt werden
werden
kann. Die Verwendung einer Strahlung im nahen Infrarotbereich hat außerdem den Vorteil,
daß sie nicht, wie Röntgenstrahlung, schädliche Nebeneffekte auslösen kann.
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Die Erfindung kann nicht nur im Durchleuchtungsverfahren, sondern
auch im Reflexionsverfahren angewandt werden. Dieses Verfahren wird nachfolgend
anhand der Fig. 12 bis 17A in Verbindung mit der Untersuchung des Gehirns eines
lebenden Menschen erläutert. Wie aus den Fig. 12, 13 und 14 hervorgeht, werden zwei
nebeneinander gelegene Positionen auf der Schädeloberfläche ausgewählt, wobei durch
die eine Position 220 das Licht eingeleitet wird und in der anderen Position 221
das Licht austritt. Es kann jegliche haarfreie Oberfläche mit einer aus-2 reichenden
Größe von beispielsweise 1 cm als Eintritts- oder Austrittsfläche ohne nennenswerte
Präparation verwendet werden.
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Der Abstand zwischen der Eintrittsstelle und der Austrittsstelle ist,
wie auch aus der Darstellung gemäß Fig. 13 hervorgeht, kritisch, insbesondere wenn
innerhalb des Gehirns ein Stoffwechselumsatz lokal untersucht werden soll.
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Mit einer geeigneten Lichtquelle 222 wird im nahen infraroten Spektralbereich
von etwa 700 nm bis etwa 1300 nm durch die Eintrittsstelle 220 mit Hilfe von Glasfaserbündeln
225 das Licht eingeleitet. Das Glasfaserbündel ist derart aufgebaut, daß ein zentraler,
verhältnismäßig durchmesserkleiner Bündelbereich 227 von einem ringförmigen Bündelbereich
226 umgeben wird. Das stirnseitige Ende des Glasfaserbündels 225 wird fest an der
Eintrittsstelle 220 anliegend positioniert, wobei es mit Hilfe geeigneter Halterungen
230, z. B. in Form von Befestigungsstreifen, so gehalten wird, daß eine möglichst
geringe Menge
Menge des Lichtes an der Eintritts stelle durch Leckverluste
bzw. Übergangsverluste verloren geht. Der koaxiale Aufbau des Glasfaserbündels 225
ist in Fig. 15 im Schnitt gezeigt. Mit Hilfe des Ringbündels 226 wird das infrarote
Licht eingeleitet, so daß es die Haut-und Knochenschicht sowie die Grausubstanz
und die Weiß substanz durchdringt. Diejenigen Photonen, welche direkt vom Gewebe
unterhalb der Lichteintrittsstelle bzw. in einem Bereich von wenigen mm darunter
reflektiert werden, treffen auf das im Zentrum gelegene Bündel 227 und werden von
die#sem zu einem Bezugsdetektor 235 übertragen. Die übrigenPhotou'## durel gen das
Haut- und Knochengewebe und dringen durch die Grausubstanz bis zur Weiß substanz
vor. Dabei werden sie zumindest teilweise in Richtung auf die Austrittsstelle 221
reflektiert und von dem Glasfaserbündel 240 erfaßt. Dieses Glasfaserbündel überträgt
das empfangene Licht zum Meßdetektor 241, der, ;N- e der Bezugsdetektor 235, mit
der Verarbeitungsschaltung '94D verbunden ist. In der Verarbeitungsschaltung 245
wird ein Signal abgeleitet, das die aus reichende Sauerstoffversorgung in der Grausubstanz
erkennen läßt.
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Die hierbei verwendeten Lichtquellen sowie die Detektoren und Verarbeitungsschaltungen
entsprechen im wesentlichen den bereits beschriebenen Schaltungen, wobei die durch
die Anwendung der Reflexionsmethode sich ergebenden Änderungen im Bereich des Handwerklichen
liegen.
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Von Bedeutung ist der Abstand zwischen der Eintrittsstelle 220 und
der Austrittsstelle 221 für die Photonen, welche über das Glasfaserbündel 240 zum
Meßdetektör 241 übertragen werden.
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Man kann erkennen, daß bei einem Abstand zwischen der Eintrittsstelle
stelle
und der Austrittsstelle von weniger als etwa 4, 25 cm die die Austrittsstelle 221
erreichenden Photonen im wesentlichen aus solchen bestehen, welche durch Lichtstreuung
im Haut-und Knochengewebe herrühren. Wenn dagegen der Abstand zwischen der Eintrittsstelle
und der Austrittsstelle größer als etwa 4, 25 cm ist, erreicht das Glasfaserbündel
240 im wesentlichen Photonen, die im Bereich der Grausubstanz des Gehirns gestreut
bzw. reflektiert wurden. Diese Verhältnisse sind in Fig. 13 aufgezeichnet. Auf diese
Weise kann mit Hilfe des zentralen Glasfaserbündels 227 die von dem Haut- und Knochengewebe
direkt nach oben reflektierten bzw. gestreuten Photonen erfaßt werden, um diese
als Bezugsgröße mit dem Bezugsdetektor 235 zu erfassen und in der Verarbeitungsschaltung
245 zu verarbeiten. Diese Bezugsgröße läßt eine ausreichend genaue Ermittlung der
Sauerstoffversorgung über die Meßgröße zu. Das über den Bezugsdetektor ermittelte
Signal kann auch als Stabilisierungssignal benutzt werden, um Änderungen der von
der Lichtquelle 220 abgegebenen Lichtmenge zu stabilisieren. Außerdem dient dieses
Signal der Korrektur der Änderungen des Blutvolumens in der Haut.
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Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wurde ein Glasfaserbündel
verwendet, bei dem das äußere Ringbündel aus 5 Einzelbündeln bestand, über welche
das Licht einer Laserdiode dem Eintrittspunkt 220 zugeführt wurde. Ein weiteres
Einzelbündel 225 im Zentrum des Gesamtbündels diente zur Erfassung des von dem Haut-
und Knochengewebe im unmittelbaren Bereich des Eintrittspunktes 220 reflektierten
Lichtes. Mit Hilfe dieses Lichtes konnte nach der Verarbeitung die Änderung des
Blutvolumens im Knochen- und Hautgewebe für Korrekturzwecke erfaßt
e#rfaßt
-werden. Sowohl der Referenzdetektor 235 als auch der Meßdet?ktor -241 sind aneinander
angepaßt und mit Dnferenzschaltungen bzw. Operationsverstärkern in der Verarbeitungsschaltung
245 verbunden.- Der Sensor des Meßdetektors war in einer Entfernung -von mehreren
Zentimetern vom Eintrittspunkt 220 entfernt angebracht, wogegen mit Hilfe eines
weiteren Sensors die im Eintrittspunkt reflektierte Strahlung erfaßt wurde. Das
Licht der Lichtquelle 222 wurde mit unterschiedlichen Wellenlängen, @@@ zwar mit
einer M#eßwellenlänge und zwei kontrabestischen Bezugs-~wellenlängen alternierend
geliefert, wobei die We chselfolge ausreichend groß war, um einen genügend kurzen
Bezugs- und #Ießzyklus zu erhalten, damit die Stoffwechsel- und Kreislaufparameter
als im wesentlichen konstant innerhalb der Zeitperiode eines Meßzyklus angesehen
werden konnten.
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Die-Erg#ebnisse- eines Experimentes sind in den Fig. 16, 17 und 17A
dargestellt, wobei'die Fig. -17A die Weiterführung der Fig. 17 ist. In Fig. l6ist
dargestellt, daß durch eine bei den vorausgehenden Versuchen bereits erläuterte
Hyperventilation das Blutvolumen abnimmt und sich eine Verringerung des CuL-Atoms
des Cytochom a, a3 ergibt. Ferner läßt sich aus denFig. 17 und 17A entnehmen, daß
eine Beatmung mit 95 % Sauerstoff und 5 8 olllendioxid eine erhöhte Oxidation des
Cytochom a, a3 bewirkt, jecioch nur einen geringen Einfluß auf das Blutvolumen hat.
Diese letztere Beobachtung ist nicht voll verständlich, denn es ist zu bemerken,
daß der Kohlendioxidgehalt von 5 % selbst an sich einen deutlicher er--kennbaren
Anstieg des Blutvolumens auslösen sollte. Es wird angenommen, daß sich die -Einflüsse
eines zu hohen Sauerstoffgehaltes und eines zu hohen Kohlensäuregehaltes im Blut
gegen seitig aufheben.
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nie be-
Die beschriebene Erfindung ist in vorteilhafter
Weise geeignet, Informationen zu liefern für alle physikalischen und chemischen
Vorgänge, durch welche Energie für die Verwendung durch ein Organ zur Verfügung
gestellt wird. Dabei werden durch die Erfindung auch Kreislaufprozesse erfaßt, mit
welchen die Stoffwechseleinflüsse in den zellulären Bereich überführt wF den.
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Das Konzept der Erfindung mit zumindest einer Meßwellenlänge und zumindest
einer Bezugswellenlänge ermöglicht einen weiten Anwendungsbereich, wobei hervorzuheben
ist, daß die Messungen ohne Beeinträchtigung des Körpers am lebenden Körper ohne
nennenswerte Belastungen des Patienten durchgeführt werden können. Besonders hervorzuheben
ist, daß die Intensität des verwendeten Lichtes, insbesondere des Laserlichtes,
in einem Energiebereich liegt, der weit unter demjenigen Niveau liegt, mit welchem
sowohl thermische als auch photochemische bzw.
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andere schädliche Reaktionen im Gewebe ausgelöst werden können. Als
anerkannter Standard kann die Hautoberfläche mit Laserlicht im nahen Infrarotbereich
maximal bis Leistungen 2 von 100 mW pro cm mehrfach beaufschlagt werden, wobei die
Belichtungsperioden länger als 10 Sekunden sind. Bei der vor-2 liegenden Erfindung
konnten mit 2, 8 mW pro cm bereits erfolgreich Messungen durchgeführt werden, d.
h. die Lichtintensität ist etwa 35 x geringer als die des oben angegebenen zulässigen
Standardwertes. Da mit Hilfe der Erfindung auch eine tomographische Untersuchung
möglich ist, ergibt sich ein sehr weites Anwendungsfeld, wobei auch an die Verwindung
von großen Lichtleiterbündeln gedacht wird, die nacheinander in zeitlicher Steuerung
bestimmte Ebenen durchleuchten. Dabei können Verfahren der Applikation Verwendung
finden, wie sie bereits in der Röntgen-Tomographie bekannt sind.
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L e e r s e i t e