DE3744538A1

DE3744538A1 - Vorrichtung zur nichtinvasiven messung des blutvolumens in menschlichen extremitaeten

Info

Publication number: DE3744538A1
Application number: DE19873744538
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr Ing Blazek; Hans J Prof Dr Rer Nat Schmitt
Original assignee: A Natterman und Cie GmbH
Current assignee: A Natterman und Cie GmbH
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1987-12-30
Publication date: 1989-07-13
Also published as: WO1989006108A1; EP0357690A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Messung des Blutvolumens in menschlichen Extremitäten mit einer Waage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Besondere diagnostische Relevanz finden Verfahren zur Bestimmung der Blutvolumina der unteren Extremitäten unter ausgewählten physiologischen Tests, wie z.B. Venenver schluß-Test, Lagewechsel-Test, Muskelpumpe-Test. Aus der Änderung des Blutvolumens während dieser Tests lassen sich wichtige hämodynamische Parameter definieren, die z.B. eine Thrombose-Erkennung ermöglichen bzw. eine Aussage über die Funktion der peripheren Gefäße (Arterien, Venen) bieten.

Seit der Entdeckung des sogenannten großen Körperkreis laufs zu Beginn des 17. Jahrhunderts durch HARVEY stellt die Blutzirkulation einen der am weitesten untersuchten Sachverhalte in der Humanmedizin dar. Seit langem ist bekannt, daß die Blutzirkulation den Gesetzen der Hydrody namik gehorcht. Da aber Blut keine Newton′sche Flüssigkeit darstellt und die Blutgefäße keine starren zylindrischen Rohre mit stationär-laminarer Strömung bilden, gilt das Hagen-Poiseuille′sche Gesetz nur unter vereinfachter Aus nahme.

Da ferner der Gefäßradius in die besagte Gleichung in der viertem Potenz eingeht, hat bereits eine minimale Radius änderung einen deutlichen hämodynamischen Effekt.

Pathologische Prozesse in Arterien und/oder Venen, wie Gefäßveränderungen und -verschlüsse (z.B. sklerotische Prozesse, Venenthrombosen) müssen somit aufgrund der erwähnten physikalischen Zusammenhänge hämodynamische Folgen zeigen.

Zur Erfassung der peripheren Hämodynamik wurde bisher eine Reihe von Verfahren unter Verwendung unterschiedlicher Meßprinzipien entwickelt. Hierzu zählt vor allem die Rönt genkontrastdarstellung - eine invasive Methode, die primär topographisch anatomische Informationen ermöglicht. Aber auch eine Reihe von nichtinvasiven Meßtechniken zählt zum Stand der Technik.

Dabei sind insbesondere als qualitative Verfahren die Hauttemperaturmessung bzw. die Thermographie und als semi quantitative Verfahren: Ultraschall-Doppler-Technik, ex terne elektromagnetische Flußmessung, externe Kalori metrie, Photoplethysmographie (incl. Licht-Reflexions- Rheographie), Impedanzplethysmographie zu nennen.

Als qualitatives, nichtinvasives Verfahren ist nur die sogenannte Venenverschlußplethysmographie anerkannt. Je nach verwendetem Meßprinzip kann sie unterteilt werden in

1. Wasser-Plethysmographie (Wasserverdrängung infolge der Volumenänderung der Extremität, auch Fußvolumetrie genannt),
2. Dehnungsmeßstreifen-Plethysmographie (Widerstandsänderung des Dehnungsmeßstreifens infolge der Volumenänderung, auch Straingauge Plethysmographie genannt),
3. Photogrammetrische Plethysmographie (Schatten änderung der Extremität infolge der Volumenände rung, auch Videoplethysmographie genannt),
4. Gravimetrische Plethysmographie.

Die Nachteile der unter 1 bis 3 genannten Verfahren sind allgemein bekannt, so daß sie hier nicht erörtert sein sollen. Von allen bisher bekannten Plethysmographie-Ver fahren kommt der echten Volumetrie die gravimetrische Methode am nächsten. Wie die Bezeichnung schon besagt, werden bei diesem Verfahren die mit den Volumen-Schwan kungen der Extremität einhergehenden Gewichtsveränderungen erfaßt.

Bisher sind zur gravimetrischen Plethysmographie nahezu ausschließlich Waagen verwendet worden, die nach dem Zweischalenwaage-Prinzip arbeiten. Dabei wurden beide unteren Extremitäten frei in der Luft auf einer Vorrich tung aufgehängt. Ein Meßaufnehmer überträgt dann die Kraftdifferenz auf eine Registriereinheit.

Die Nachteile dieses Verfahrens sind neben der Kompli ziertheit der Meßvorrichtung insbesondere in dem verwende ten "Balance halten"-Differenzmeßbetrieb zu sehen. Der zu enge lineare Meßbereich dieses Meßprinzips, kleine Auf lösung und geringe Meßgenauigkeit, haben es z.B. nicht erlaubt, das relativ hohe Ausgangsgewicht des Beines und die kleine Gewichtsänderung infolge z.B. des Venenstaus mit der notwendigen Genauigkeit zu registrieren.

Auch ist ein Volumenänderungs-Verfahren bekannt, bei dem sich die zu untersuchende Extremität in einem Wasserbad befindet. Die durch Volumenzunahme verdrängte Wassermenge wird gravimetrisch mit einer ausbalancierten Waage be stimmt. Auch bei dieser Meßvariante versuchte man, das ungünstige Verhältnis zwischen hohem Ruhegewicht und klei ner Relativveränderung zu umgehen. Mit der Anwendung die ses Verfahrens sind aber noch diverse weitere Nachteile verbunden. Zum einen verursacht das Wasserbad einen hydro statischen Druck auf die Haut und das Gewebe und dies beeinflußt die Blutansammlung in den Hautvenen, zum ande ren kann auch der sogenannte Perfusionsdruck aus dem auf das Venensystem wirkenden erhöhten Gewerbedruck reduziert werden. Auch die Beeinflussung der Hautdurchblutung durch thermische Reize beim Wasserbad kann kaum ausgeschlossen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Messung des Blutvolumens in menschli chen Extremitäten mit einer Waage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß ohne die syste matischen Meßfehler der bekannten Vorrichtungen genaue Aussagen über hämodynamische Parameter möglich sind.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Eine Lösung der gestellten Aufgabe ist - wie erfindungsge mäß erkannt worden ist - erst durch die Kombination einer Reihe von Merkmalen möglich:

Zum einen wird als Waage keine nach dem Zwei-Schalen- Prinzip arbeitende Waage, sondern eine elektronische Wäge einrichtung verwendet, auf deren Waagschale die Extremi tät aufgelegt ist, und deren Ausgangssignal an eine Steuer- und Recheneinheit angelegt ist, die den Unter suchungsablauf steuert und gemessene Gewichtswerte aufbe reitet und ausgibt. Derartige Wägeeinrichtungen sind mit einem Meßbereich von 0 bis ca. 30 kg und einer Auflösung von 1 g bekannt, so daß auf deren Ausbildung an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden muß.

Die alleinige Anwendung der aus anderen Bereichen bekann ten Wägetechnologie führt jedoch noch nicht zum Ziel. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, daß die unver meidlichen Körperbewegungen der vorzugsweise liegenden oder sitzenden untersuchten Person eine Korrektur des Ausgangssignals der Wägeeinrichtung bedingen. Diese Kor rektur berücksichtigt unter anderem die Form der Bein lagerung auf der Waagschale, das spezifische Gewicht des Blutes und insbesondere die unvermeidlichen Anpaßbewegun gen der untersuchten Person bis zum Erreichen eines quasi statischen Lagerungsvorgangs der Extremität auf der Waag schale. Hierzu wird das Gewicht der Extremität in kurzen Zeitabständen gemessen und der eigentliche Meßvorgang erst dann gestartet, wenn die innerhalb eines bestimmten Zeit abschnitts durchgeführten Gewichtsmessungen um weniger als einen vorgegebenen Gewichtswert differieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger bevorzugter Ausführungs- und Anwendungsbeispiele unter Bezugnahme auf folgende Zeichnungen näher beschrieben:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Venenverschluß-Test und die dabei verwendete Patientenlagerung,

Fig. 2 schematisch die Meßkurve bei einem Venenverschluß- Test und einer anderen Form der Beinlagerung.

Fig. 3 verschiedene Meßkurven bei einem Venenverschluß- Test

a) Originalkurve
b) Gefilterte Kurve
c) Idealisierte Kurve

Fig. 4 ein Beispiel eines Rechnerprotokolls bei einem Venenverschluß-Test,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Meßsignals bei einem kombinierten Lagerungs- und Muskelpumpe- Test,

Fig. 6 ein Beispiel für eine Orginalregistrierung bei einem kombinierten Lagerungs- und Muskelpumpe- Test,

Fig. 7 ein Beispiel für eine Kombination des gravimetri schen und photoplethysmographischen Meßprinzips.

In sämtlichen Figuren bedeuten:

1 Elektronische Analysen-Waage
1 a Waagen-Schale
2 Waagen-Untergestell
3 Rechnersystem
3 a Tastatur
3 b Monitor
3 c Lautsprecher
4 Speichermedium
5 Drucker
6 Staumanschette
7 Manometer-System
8 Steuerelektronik
P Proband
S₁, S₂, S _n optische Sensoren
T Untersuchungstisch
UE Untere Extremität

Patientenlagerung bei der Durchführung der sog. Venenver schluß-Tests.

Bei diesem Test liegt der Patient P auf einem Unter suchungstisch T, die zu untersuchende Extremität UE (Un terschenkel wie bei dem dargestellten Beispiel) liegt auf der Schale 1 a der Waage 1. Die Waage 1 wird in die notwendige Höhe mit einem Untergestell 2 gebracht. Die Schale 1 a ist vorzugsweise aus einem weichen Material angefertigt und den anatomischen Formen des Unterschenkels angepaßt. Da durch ist eine möglichst großflächige Lagerung der Extre mität gewährleistet, so daß wiederum eine ungehinderte Extremitätendurchblutung gewährleistet ist. Am Oberschen kel ist eine Staumanschette 6 befestigt. Bei dieser Bein lagerung kommt es zu einer "Aufteilung" des Gewichts der unteren Extremität zwischen Waage und Kniegelenk/Hüftge lenk. Unter diesen speziellen Voraussetzungen liefert die Waage ein Signal, das dem halben Gewicht des Unterschen kels entspricht.

Dieses Signal wird einem Rechner zugeführt. Mehrmals pro Sekunde übernimmt der Rechner das Waage-Signal, korrigiert es um den obengenannten Lagerungsfaktor 2 und berücksich tigt auch weitere Korrekturfaktoren wie z.B.:

- das spezifische Gewicht vom Blut, (notwendig zur Umrechnung Gewicht/Volumen)
- das mittlere spezifische Gewicht vom Unterschenkel (notwendig zur bezogenen Angabe der Ergebnisse in Gewichts- bzw. Volumenprozenten).

Der Venenverschluß-Test erfolgt rechnergesteuert wie folgt:

Nach der Angabe der Patientendaten und der Form der Bein lagerung über die Tastatur 3 a werden am Monitor die ak tuellen Ruhe-Gewichtswerte ausgegeben, je nach Wunsch entweder in Zahlen- oder Kurvendarstellung.

Durch Betätigung einer Starttaste zum Zeitpunkt A (s. Fig. 2, hier bei einer anderen, für die Praxis sehr vor teilhaften Beinlagerungsform) erfolgt die erste Meßphase I.

Während dieser Phase überprüft das Meßsystem solange das Meßsignal, bis eine Ruhelage des Patienten erreicht ist (d.h. bis eine maximale Differenz von beispielsweise 50 g zweier aufeinanderfolgender Wertepaare über einen Zeitraum von 10 Sekunden unterschritten wird). Der Rechner gibt also eine weitere Messung erst dann frei, wenn der Patient sich in einem Ruhezustand befindet. Dies wird der Unter suchungsperson akustisch über Lautsprecher 3 c und optisch über den Monitor 3 b signalisiert.

Nun kann mit erneutem Drücken der Starttaste zum Zeitpunkt B (s. Fig. 2) die Phase II - automatische Tarierung - eingeleitet werden. Der Rechner speichert 20 im Abstand von 1 Sekunde gewonnene Gewichtswerte und ermittelt daraus den Gewichtsmittelwert der stationär durchbluteten Extre mität. Anschließend wartet das Meßsystem auf den Startbef ehl C zur Datenentnahme des nun folgenden Tests.

Nach Drücken der Starttaste zum Zeitpunkt C (s. Fig. 2) leitet die Untersuchungsperson die eigentliche Testphase III ein. Diese Testphase dauert vorzugsweise 4 Minuten. Unmittelbar danach wird mit Hilfe des Manometersystems 7 in der Staumanschette 6 ein Druck aufgebaut, der oberhalb des venösen Drucks liegt. Vorzugsweise beträgt dieser Staudruck 80 mm Hg. Damit fließt über das arterielle Sys tem Blut in die Extremität ein, kann aber wegen des venö sen Staus nicht abfließen. In dieser Stauphase IIIa, die beispielsweise 3 Minuten dauert, sie wird auch Okklusions phase genannt, erhöht sich das Blutvolumen in der Extremi tät bzw. direkt auch das Gewicht. Die Gewichtszunahme kann der Untersucher am Monitor verfolgen.

Vorzugsweise 5 Sekunden vor Ende der Stauphase wird mit akustischen Signalen der Patient aufgefordert, während der nächsten 15 Sekunden nicht zu atmen (Phase IIIb). Damit werden die respiratorisch bedingten Schwankungen des Bein gewichtes unterbunden; dies erleichtert die spätere Sig nalanalyse. 5 Sekunden nach dem ersten Ton erfolgt ein weiteres Signal (das für die Untersuchungsperson bestimmt ist und deshalb vorzugsweise eine andere Tonhöhe auf weist). Jetzt wird der Druck in der Manschette abgelassen. Das gestaute Blut kann aus der Extremität ungehindert abfließen. Im Normalfall ist das Blutentleeren in einigen wenigen Sekunden beendet (sog. Wasserfalleffekt). Bei einer Thrombose jedoch ist die Kinetik während der Ent leerungs-Phase IIIc wesentlich verlängert. Das Ende der respiratorischen Pause wird dem Patienten vorzugsweise mit einem dritten Ton signalisiert.

Nach 240 Sekunden wird dann die Messung automatisch been det. Nun erfolgt die Analyse der Meßwerte. Da diese diver sen zirkulatorischen Schwankungen unterliegen (vgl. Kurve a in Fig. 3), kann zur verbesserten Anschaulichkeit je nach Wunsch des Arztes die Kurve auch gefiltert (Kurve b in Fig. 3) oder durch berechnete kinetische Funktionen idealisiert (Kurve e in Fig. 3) ausgegeben werden.

Schließlich werden diverse Bewertungsparameter des durch geführten Venenverschluß-Tests ermittelt und der gesamte Datensatz (Meßwerte und Ergebnisse) in einem Speicherme dium 4 abgelegt und gegebenenfalls zusätzlich an einem Drucker 5 ausgegeben. Beispiel eines so gewonnenen Unter suchungsprotokolls zeigt die Fig. 4.

Je nach Lagerung des Unterschenkels auf der Waage 1 (vgl. Fig. 1 und 2) werden vom Rechner unterschiedliche Faktoren zur Datenkorrektur herangezogen. Dazu notwendige Angaben werden (wie z.B. Winkel Unterschenkel/Oberschenkel, Kör pergröße) über die Tastatur 3 a dem Rechner 3 vorgegeben. Bei einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen Meß systems kann der Rechner auch das Manometer-System 7 di rekt steuern und dadurch den Meßablauf vollständig auto matisieren.

Fig. 5 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung bei einem neuartigen, kombinierten Lagerungs- und Muskelpumpe- Test. Während der Hochlagerung des Beines entleert sich das Blut aus dem Unterschenkel. Sofort nach dem Lagewech sel wird das Bein ruhig auf der Waage gehalten. Das an fängliche Ruhegewicht M _o steigt langsam an, da sich das Bein durch das "bergab" durch die Arterien fließende Blut füllt. Aus der Kinetik dieser Füllung können wichtige Parameter der arteriellen Durchblutung der Extremität gewonnen werden. Zur Phase A schließt sich die Phase B an. Jetzt wird ein Beinbewegungsprogramm durchgeführt (z.B. 10 "Gaspedalbewegungen" innerhalb von 15 Sekunden) . Durch diese Bewegung (Muskelpumpe!) wird das Blut aus der Extre mität "bergauf" durch die Venen abgepumpt; der Venendruck sinkt, d.h. auch das Beingewicht sinkt. Schließlich füllt sich in der letzten Phase C (Bein liegt ruhig auf der Waage) das Bein wieder mit Blut auf. Bei intaktem Venen system ist diese Auffüllphase C relativ lang. Bei soge nannter venöser Insuffizienz verkürzt sich diese Phase erheblich aufgrund des pathologischen Reflexes in den Beinvenen selbst. Somit gelingt mit der vorgestellten Meßvorrichtung erstmalig nichtinvasiv, jedoch aber direkt eine Quantifizierung der sog. Muskelpumpe-Wirksankeit. Ein Beispiel hierzu zeigt die Fig. 6, registriert auf einem Schreiber, der am Analogausgang der Waage 1 angeschlossen wurde.

Wie erwähnt, wird mit der beschriebenen Vorrichtung die "integrale" Gewichtsänderung der gesamten Extremität (An wendung auch am Unterarm möglich) erfaßt. Die vorgestellte Methode kann auch erfindungsgemäß erweitert werden um mehrkanalige photoplethysmographische Abtastung der Haut reflexion in verschiedenen Beinetagen (s. Fig. 7). Die Waage liefert ein Signal, das proportional der gesamten Blutvolumenänderung ist. Aus der relativen Änderung der Signale der optischen Sensoren S ₁ bis S _n zueinander, die von einer Steuerelektronik S erfaßt werden kann, gegebe nenfalls auch vom Rechner 3 gesteuert, kann eine Aussage über Blutvolumina-Änderung in den einzelnen Sensorgebieten des Beines getroffen werden.

Als andere Anwendungsgebiete für den beschriebenen Venen verschluß-Test lassen sich nennen: Kontinuierliche Über wachung der Patienten bei Thrombosegefahr (z.B. während der Narkose bei OP), Objektivierung von hämodynamisch wirksamen Medikamenten, Objektivierung der sogenannten Kompressionsstrumpf-Therapie.

Die beschriebene Methodik ist sehr einfach anwendbar, platzsparend, kostengünstig und wie bereits erwähnt, für den Patienten völlig schmerz- und risikolos. Einfache konstruktive Merkmale der Erfindung führen überraschend einfach zu sehr aussagekräftigen und gut reproduzier baren Ergebnissen.

Claims

1. Vorrichtung zur nichtinvasiven Messung des Blutvolu mens in menschlichen Extremitäten mit einer Waage, mit der das momentane Gewicht der je weiligen Extremität meßbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- die zu untersuchende Extremität ist auf eine Waagschale aufgelegt,
- die Waage ist eine elektronische Wägeeinrichtung, deren Ausgangssignal an eine Steuer- und Recheneinheit ange legt ist, die den Untersuchungsablauf steuert und die gemessenen Gewichtswerte aufbereitet und ausgibt,
- mittels einer Eingabeeinheit ist in die Steuer- und Recheneinheit ein Korrektursignal eingebbar, durch das die Stellung der zu untersuchenden Extremität in Bezug auf den Körper der Person berücksichtigt wird,
- die Wägeeinrichtung mißt nach dem Auflegen der Extremi tät auf die Waagschale in kurzen Zeitabständen das aufliegende Gewicht und startet den eigentlichen Meß vorgang erst, wenn die innerhalb eines bestimmten Zeit abschnitts durchgeführten Gewichtsmessungen um weniger als einen vorgebbaren Gewichtswert differieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die jeweilige Extremität eine mit einem vorgebbaren Druck beaufschlagbare Stauman schette anlegbar ist, und daß das momentane Gewicht der jeweiligen Extremität mit und ohne beaufschlagte Stau-manschette gemessen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Recheneinheit die gemessenen Gewichtswerte einer Tiefpaßfilterung unter zieht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Recheneinheit aus den gemessenen Gewichtswerten eine oder mehrere Funk tionen bestimmt, die eine exakte Beurteilung der Kinetik der Gewichtsänderung ermöglichen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Recheneinheit vor Beginn der eigentlichen Messung das Gewicht der zu untersuchenden Extremität durch Mittelung über eine Mehr zahl von Meßwerten bestimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Recheneinheit zum Erkennen von Bewegungen der zu untersuchenden Person, etc. den zeitlichen Verlauf der gemessenen Gewichtswerte mit bestimmten eingespeicherten Signalverläufen vergleicht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Recheneinheit das Ende der Messung dadurch erkennt, daß die innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts durchgeführten Gewichts messungen um weniger als einen vorgebbaren Gewichtswert differieren.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wägeeinrichtung eine mit elektromagnetischer Kraftkompensation arbeitende Waage ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische Ausgabeeinheit vorgesehen ist, die der Untersuchungsperson den Meßbeginn, bestimmte Meßpunkte und das Meßende anzeigt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens ein optischer Sensor zun optischen Bestimmen der Blutauffül lung und -entleerung vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabeeinheit für das Korrektursignal, durch das die Stellung der zu untersu chenden Extremität in Bezug auf den Körper der Person berücksichtigt wird, ein optischer Sensor ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Waagschale an die Form der aufzulegenden Extremität angepaßt ist.