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Gerät zur Messung der Durchblutungsfunktion der Haut
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Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung der Durchblutungsfunktion
der Haut, mit einem Meßkopf, der eine an die Haut anlegbare Kälte- oder Wärmequelle
und einen an die Haut anlegbaren Temperaturfühler aufweist.
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Die Durchblutungsfunktion der Haut bestimmt wesentlich die Fähigkeit
der Haut, Wärme oder Kälte von einem Hautbereich abzutransportieren. Die Messung
der Durchblutungsfunktionen unterschiedlicher Hautbereiche ist aus medizinischen
Gründen interessant. Zur Messung der Durchblutungsfunktion ist es bekannt ~einen
Meßkopf an die Haut anzuse+:-zen, der nebeneinander eine plattenförmige Wärmequelle
und einen plattenförmigen Temperaturfühler enthält (Golenhofen/Hensel/Hildebrandt,
"Durchblutungsmessung", Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1963, s. 69 - 77). Hierbei
wird die Fähigkeit der Haut, Wärme von einem Punkt zu einem anderen Punkt zu übertragen,
gemessen, indem der zeitliche Verlauf der Temperaturerhöhung an dem Temperaturfühler
beobachtet
wird. Ein Nachteil der bekannten Geräte besteht darin, daß der Anfang und das Ende
des Meßvorgangs nicht genau zu bestimmten sind, weil der Temperaturfühler zugleich
mit dem Heizelement gegen die Haut gelegt wird.
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Hierbei wird das Meßergebnis durch die Temperatur beein flußt, die
der Temperaturfühler vor dem Anlegen an die Haut hatte. Auch bei Beendigung des
Meßvorganges, d.h., beim Abschalten der Wärmequelle, bilden sich undefinierte Verhältnisse,
weil die Wärmequelle nach dem Abschalten ebenso wie der Meßfühler - immer noch an
der Haut anliegt und mit ihrer gespeicherten Wärme die Abkühlung der Haut beeinflußt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten
Art zu schaffen, das eine größere Genauigkeit der Messungen unter Ausschluß von
durch die Wärmequelle hervorgerufenen Störfaktoren ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
Kälte- oder Wärmequelle aus mindestens einem Peltier-Element besteht, das in einem
an die Haut ansetzbaren Gehäuse verschiebbar angeordnet ist.
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Der Temperaturfühler ist derart an dem Gehäuse befestigt, daß er stets
an der Haut anliegt, wenn das Gehäuse an die Haut angesetzt wird. Dagegen ist das
Peltier-Element in dem Gehäuse zunächst in der Rückzugsstellung. Auf diese Weise
ist es möglich, mit dem Temperaturfühler zunächst die Temperatur der thermisch noch
unbeeinflußten Haut zu messen und erst anschließend die Kälte- oder Wärmequelle
in Form des Peltier-Elementes vorzubewegen und thermisch auf die Haut einwirken
zu lassen.
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Ein Peltier-Element ist ein elektrisches Bauteil, das
Halbleiterelemente
enthält. Dieses Bauteil weist zwei Anschlüsse auf, die an Spannung gelegt werden.
Wird das Peltier-Element von einem Gleichstrom in der einen Stromrichtung durchflossen,
dann erwärmt sich das eine Ende des Peltier-Elementes, während das andere Ende sich
abkühlt. Durch Umpolung des Gleichstroms können das sich erwärmende Ende und das
sich abkühlende Ende gegeneinander vertauscht werden. Ein solches Peltier-Element
bildet eine extrem einfache elektrische Vorrichtung zur Erzeugung von wahlweise
Kälte oder Wärme an derjenigen Fläche, die an die Haut angelegt wird. Es besteht
daher die Möglichkeit1 wahlweise entweder eine örtliche Kühlung oder eine örtliche
Erwärmung der Haut durchzuführen. Mit dem Temperaturfühler wird gemessen, wie die
Haut thermisch auf die örtliche Abkühlung oder Erwärmung reagiert.
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Bei starker Durchblutung wird die örtlich zugeführte Wärme oder Kälte
durch die Haut schnell abgeführt, während bei schwacher Durchblutung die zugeführte
Wärme oder Kälte langsam abgeführt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse
eine Hülse auf, an derem freien Ende der Temperaturfühler angeordnet ist und die
durch einen Durchlaß der Kälte- oder Wärmequelle mittig hindurchgeht.
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Hierdurch wird erreicht, daß die Haut zu beiden Seiten des Temperaturfühlers
oder vorzugsweise sogar ringförmig um diesen herum erwärmt bzw. gekühlt wird, so
daß die Messung weitgehend unabhängig ist von größeren Blutgefäßen, die sich unter
der Meßstelle dicht unter der Haut befinden.
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Die Durchblutungsfunktion der Haut wird somit weitgehend frei von
den speziellen örtlichen Gegebenheiten der jeweiligen Meßstelle ermittelt. Dies
ist dadurch möglich, daß kein Wärmestrom von einer konzentrierten Wärmequelle zu
einer Meßstelle gemessen wird, sondern daß die Meßstelle
mit der
Warme- bzw. Kältequelle praktisch integriert ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das Peltier-Element an seiner der Haut abgewandten Seite einen Block aus einem
Material hoher Wärmekapazität aufweist, der einen zweiten Temperaturfühler enthält.
Dieser Block besteht vorzugsweise aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
Der Block dient zur Ableitung der Verlustwärme des Peltier-Elementes. Vorzugsweise
ist der Block gekühlt, z.B. durch Kühlluft. Der zweite Temperaturfühler wird als
Referenzelement benutzt, um die Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten des Peltier-Elementes
zu messen. Wenn der Strom durch das Peltier-Element konstant gehalten wird, gibt
die Temperaturdifferenz Aufschluß über den Wärmefluß zwischen der Haut und dem Meßkopf.
Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern wird nämlich durch
die von der Haut abgeführte Wärmemenge bzw.
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Kältemenge beeinflußt.
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Nach einer anderen Alternative ist eine Regeleinrichtung vorgesehen,
die den Strom durch das Peltier-Element im Sinne einer Konstanthaltung der Temperaturdifferenz
zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler regelt.
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Hierbei kann die Größe des von der Haut abgeführten Wärmestromes bzw.
Kältestromes durch die Höhe der Absolutwerte der beiden Temperaturen bestimmt werden.
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Grundsätzlich kann das Vorschieben und Zurückziehen des Peltier-Elementes
in dem Gehäuse manuell durchgeführt werden. Vorzugsweise ist das Gehäuse aber mit
einer Einrichtung zum Vorschieben und Zurückziehen des Peltier-Elementes mit Hilfsenergie
versehen. Diese Einrichtung
kann aus einer Kolben-Zylindereinheit
o.dgl. bestehen.
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Durch Zuführen und Abschalten der Hilfsenergie kann das Vorschieben
und Zurückziehen nach einem Programm gesteuert durchgeführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Peltier-Element
an seinem der Haut zugewandten Ende eine Platte aus gut wärmeleitendem Material
auf.
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Eine solche Platte besteht vorzugsweise aus Kupfer. Diese Platte
sollte jedoch keinen direkten Kontakt mit der Hülse haben und sie sollte möglichst
durch eine wärmedämmende Schicht von der Hülse getrennt sein.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch den Meßkopf,
Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Peltier-Elementes und
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des elektrischen Signals des Temperaturfühlers bei
einem Meßvorgang.
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Der in Fig. 1 dargestellte Meßkopf besteht aus einem im wesentlichen
zylindrischen Gehäuse 10 aus Kunststoff.
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Die rückwärtige Stirnwand 11 des Gehäuses 10 ist geschlossen und
sie begrenzt einen Zylinderraum 12, in welchem ein Kolben 13 verschiebbar ist. Die
der Stirnwand 11 gegenüberliegende Begrenzungswand des Zylinderraumes 12 wird von
einer Zwischenwand 14 gebildet. An der Zwischenwand 14 ist eine Feder 15 abgestützt,welche
den Kolben 13 in Richtung auf die Stirnwand 11 drückt. In der Nähe der
Stirnwand
11 führt eine Anschlußleitung 16 in den Zylinderraum 12 hinein. Durch die Anschlußleitung
16 kann Druckluft in den Zylinderraum 12 eingeführt werden, wodurch der Kolben 13
entgegen der Kraft der Feder 15 in Richtung auf die Zwischenwand 14 bewegt wird.
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Der Kolben 13 ist mit einem durch eine Öffnung der Zwischenwand 14
hindurchgehenden Bolzen 17 verbunden, dessen vorderes Ende in einen Block 18 eingeschraubt
ist.
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Der aus Aluminium bestehende Block 18 füllt den Querschnitt des Gehäuses
10 im wesentlichen aus. An der Vorderseite des Blockes 18 ist das Peltier-Element
19 befestigt.
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Die Vorderseite des Peltier-Elementes 19 ist mit einer Platte 20 bedeckt,
die ebenfalls den Innenquerschnitt des Gehäuses 10 im wesentlichen ausfüllt.
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Koaxial in dem Gehäuse 10 verläuft eine rohrförmige Hülse 21, die
sich bis zu der vorderen Öffnung 22 des Gehäuses erstreckt und an derem vorderen
Ende der erste Temperaturfühler 23 angeordnet ist. Von dem Temperaturfühler 23,
z.B. einem Thermoelement, Thermistor o.dgl., führen elektrische Leitungen 24 durch
die Hülse 21 hindurch und schließlich über eine abgedichtete Leitungsdurchführung
25 aus dem Gehäuse 10 heraus. Die Hülse 21 ragt durch zylindrische Bohrungen des
Blockes 18 und der Platte 20 hindurch. Sie verläuft koaxial zu dem Gehäuse 10. Die
Hülse 21 besteht - ebenso wie das Gehäuse 10 - aus Kunststoff und ist somit schlecht-wärmeleitend.
Zusätzlich kann die Platte 20 gegenüber der Hülse 21 noch durch einen wärmeisolierenden
Ring 26 isoliert sein.
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Der zweite Temperaturfühler 27 befindet sich in einer Bohrung des
Blockes 18 in der Nähe des Peltier-Elementes 19. Er ist ebenfalls mit elektrischen
Leitungen verbunden, die durch die Leitungsdurchführung 25 aus dem Gehäuse 10
herausgeführt
sind.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Peltier-Elementes ist in Fig. 2 dargestellt.
Das Peltier-Element 19 besteht aus zwei dünnen Keramikplatten 191, die parallel
zueinander angeordnet sind. An den einander zugewandten Seiten der Keramikplatten
191 befinden sich aufgedruckte Leiterbahnen 192. Zwischen den Keramikplatten 191
erstrecken sich Halbleiterelemente 193, deren Enden mit den Leiterbahnen 192 derart
verbunden sind, daß sich durch die Halbleiterelemente 193 ein mäanderförmiger Stromverlauf
ergibt. Bei entsprechender Dotierung und Polung der Halbleiterelemente 193 werden
die oberen Enden der Halbleiterelemente 193 geheizt und die unteren Enden gekühlt.
Wird der dem Peltier-Element zugeführte Strom umgepolt, dann werden die oberen Enden
der Halbleiterelemente gekühlt und die unteren Enden geheizt. Die Speisung des Peltier-Elementes
erfolgt mit Gleichstrom.
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Da Peltier-Elemente als fertige Bauteile in der Regel in rechteckiger
Form im Handel erhältlich sind, können zwischen dem Block 18 und der Platte 20 mehrere
Peltier-Elemente verteilt angeordnet sein, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung
in der Platte 20 zu bewirken.
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Bei der Benutzung des Meßkopfes wird das Gehäuse 10 mit der offenen
Seite 22 gegen die Haut gesetzt, wobei der Temperaturfühler 23 zur Anlage an der
Haut kommt. Anschließend wird durch Druckbeaufschlagung des Zylinderraumes 12 der
Kolben 13 vorgeschoben, so daß die Platte 20 ebenfalls an der Haut zur Anlage kommt.
Die Platte 20 hat eine Temperatur, die entweder höher oder niedriger ist als die
HauttemEveratur. Durch den zeitlichen Ver-
lauf der Änderung der
Hauttemperatur, die von dem Temperaturfühler 23 gemessen wird, kann die Durchblutungsfunktion
der Haut ermittelt werden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. Der Temperaturfühler
26 wird zunächst an die Haut angesetzt und mißt die Hauttemperatur, die in der Regel
ca. 310C beträgt. Im Punkt A wird der Strom durch das Peltier-Element 19 eingeschaltet.
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Es sei angenommen, daß die Stromrichtung so gewählt ist, daß der Block
18 erwärmt und die Platte 20 gekühlt wird.
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In dieser Phase befindet sich das Peltier-Element 19 noch in der Rückzugsstellung,
so daß die Platte 20 nicht in Kontakt mit der Haut kommt. Die Platte 20 nimmt eine
Temperatur von etwa 100C an. Sie ist damit um etwa 200C kälter als die Haut. Durch
Kältestrahlung kühlt sich in dem Bereich zwischen den Punkten A und B die Haut ab.
Im Punkt B, der 10 Sekunden hinter dem Punkt A liegt, wird das Peltier-Element 19
zusammen mit dem Block 18 und der Platte 20 vorgeschoben, so daß die Platte 20 an
der Haut zur Anlage kommt. Hierbei erfolgt eine relativ rasche Abkühlung der Haut
im Bereich zwischen den Punkten B und C. Im Punkt C, der 5 Sekunden hinter dem Punkt
B liegt, wird der Druck in dem Zylinderraum beendet, so daß die Feder 15 den Kolben
13 in die Rückzugsstellung drückt.
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Die Platte 20 wird von der Haut abgehoben und gleichzeitig wird der
Strom durch das Peltier-Element 19 abgeschaltet. Im folgenden ist noch eine weitere
Abkühlung der Haut an der Meßstelle zu beobachten und anschließend eine langsame
Erwärmung, bis die normale Hauttemperatur von 310C schließlich wieder erreicht ist.
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Bei der beschriebenen Anwendungsart des Meßkopfes erfolgt das Ansetzen
der Platte 20 an die Haut zeitgesteuert, d.h., eine bestimmte Zeitspanne nach dem
Einschalten des Stromes durch das Peltier-Element 19. Auch das Absetzen
der
Platte 20 von der Haut und das Abschalten des Stromes durch das Peltier-Element
erfolgen zeitgesteuert, so daß die Haut innerhalb bestimmter definierter Zeiten
einer definierten Wärmeeinwirkung ausgesetzt ist. Wie die Haut auf diese Wärmeeinwirkung
reagiert, wird durch die Meßkurve der Fig. 3 angegeben, die den Verlauf der Temperatur
dem Temperaturfühler 23 wiedergibt. Für unterschiedliche Testpersonen bzw. unterschiedliche
Hautdurchblutungen ergeben sich unterschiedliche Kurvenverläufe.
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Die oben beschriebene Anwendung des Gerätes dient zur Messung der
Hauttemperatur. Das Gerät kann auch dazu benutzt werden, den Wärmestrom durch die
Haut in Watt oder cal/s zu messen. Diese Messung kann kontinuierlich oder in bestimmten,
für den Temperaturausgleich charakteristischen Zeitintervallen vorgenommen werden.
Die Erfassung des Wärmeflusses zwischen Haut und Meßkopf erfolgt bei unterschiedlichen,
zeitlich konstanten Temperaturdifferenzen zwischen den Temperaturfühlern 23 und
27.
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Hierzu wird zweckmäßigerweise der Strom durch das Peltier-Element
19 durch eine Regelschaltung so geregelt, daß die Temperaturdifferenz konstant bleibt.
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Schließlich ist es auch möglich, die Wärmemenge (in Ws) zu ermitteln,
die benötigt wird, um eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen Haut und Meßkopf
(d.h. zwischen der Platte 20 und dem Block 18) einzustellen.
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Das Gerät ermöglicht die meßtechnische Erfassung der Wärmeaustauschvorgänge
wahlweise bei Abkühlung oder Erwärmung eines begrenzten Hautareals an einer beliebigen
Körperstelle. Die Meßfläche der Haut sollte nicht grösser sein als ca. 5 cm2.