DE4007393A1 - Vorrichtung zum messen der biopermeabilitaet - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität.

Stand der Technik

Die Technologie zum Messen der Biopermeabilität findet ausgedehnte Anwendung bei photoelektrischen Plethysmographen (Geräten zum Aufzeichnen des Pulses durch Volumenbestimmung der Fingerspitze) und dergleichen. Bei photoelektrischen Plethysmographen wird der Umstand ausgenutzt, daß Blut, das in den Kapillaren in dem Gewebe unter der Haut der Fingerspitze oder dergleichen im Überfluß vorhanden ist, rotes Licht sehr gut absorbiert und daß die volumetrischen Änderungen der Blutgefäße Änderungen in der Permeabilität hervorrufen.

Die volumetrischen Änderungen der Blutgefäße bedeuten aus den folgenden Gründen Veränderungen des Blutstroms. Der absolute Wert der Permeabilität wird bestimmt durch die optische Absorbtion und die physische Menge von Materie, die sich in der Meßstelle befindet. Daher ist der gemessene Wert der Permabilität ein Maß für das Volumen der Gewebe und das Blut des Organs, das in der Meßzone vorhanden ist. Dies ist der Grund, weshalb die volumetrischen Änderungen der Blutgefäße Veränderungen des Blutstroms bedeuten.

Des weiteren ist das Volumen eines Blutgefäßes proportional zu seiner Querschnittsfläche. Im allgemeinen gibt die Kurvenform eines photoelektrischen Plethysmographen die Änderungen in der Querschnittsfläche des Blutgefäßes wieder. Änderungen in der Querschnittsfläche des Blutgefäßes rühren von dem Ausdehnen und Zusammenziehen der Gefäßwand auf Grund von Änderungen des Drucks in dem Gefäß her. Daher ist die Kurvenform des photoelektrischen Plethysmographen durch Änderungen des Blutdrucks in dem Gefäß und durch die Ausdehnbarkeit der Gefäßwand in bezug auf den Blutdruck bestimmt. Der Blutdruck ist ein zusammengesetzter Wert, der durch die Kraft beeinflußt wird, die das Blut aus dem Herzen preßt, durch das Volumen des Gefäßes, durch die Elastizitätseigenschaften der Gefäßwand, durch den Venendruck und durch die Spannung der Zugmuskeln, die in der Gefäßwand vorhanden sind. Diese vier Faktoren haben einen komplexen Einfluß auf die Kurvenform des Blutdrucks. Falls diese Faktoren von ihren normalen Werten auf Grund von unterschiedlichen Krankheitsgründen abweichen, entstehen charakteristische Änderungen in der Kurvenform. Das Muster der Änderung der Kurvenform wird zur Diagnose mittels Mustererkennungstechniken verwendet.

Die Kraft, wie oben erläutert, durch die das Blut aus dem Herzen gepreßt wird, hängt ab von der Kapazität des Herzens als Energiequelle, um Blut aus dem Herzen in die Aorta zu pressen, und das Volumen der Gefäße hängt ab von dem inneren Volumen der Aorta vom Herz aus gesehen.

Alle Vorrichtungen zum Messen der Biopermeabilität nach dem Stand der Technik haben nicht das Ziel, die absolute Permeabilität zu messen, und daher haben sie einen einfachen Aufbau, der eine Lichtquelle und einen Photosensor umfaßt. Die Biopermeabilität von Licht ist üblicherweise sehr gering, spezifischerweise etwa 1% oder weniger. Außerdem ist die Änderung des Gefäßvolumens vom mittleren Gefäßvolumen auf Grund des Blutdrucks noch geringer. Daher müssen, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis bei der Messung sicherzustellen, die Biopermeabilität von Licht und ihr Bereich mit einem Sensorabschnitt gemessen werden, der gegen die Oberfläche des zu messenden Organs gepreßt ist, d. h. sich in einem Zustand befindet, in dem die Gefäßwand durch den äußeren Druck entsprechend zusammengepreßt wird, um die Volumenänderungen zu vergrößern. Das Zusammenpressen der gemessenen Stelle erhöht nicht nur die Amplitude der Komponente der Volumenänderung in dem Gefäß, sondern trägt auch dazu bei, daß eine stabile Kopplung des optischen Systems mit dem Organ erhalten bleibt, und trägt somit zur Stabilität der Grundlinie der gemessenen Kurvenform bei. Daher kann das optische System einen einfachen Aufbau aufweisen, der lediglich eine Lichtquelle und ein Licht empfangendes Element umfaßt, wobei eine hohe Empfindlichkeit des Sensors nicht erforderlich ist.

Bei der Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität nach dem Stand der Technik wird jedoch üblicherweise die aufgenommene Grundlinie stabilisiert, und so hat das Ausgangssignal des Sensors eine Wechselspannungsamplitude mit einer Periodendauer von etwa 1,6 sec. Dies bedeutet, daß nur eine Änderung des Lichtes, das durch das Organ gesendet wird, aufgenommen wird, und außerdem ist es schwierig, eine stabile Einstellung des 100%-igen Einfallens von Licht zu erhalten, d. h. dem Zustand, in dem 100% des Lichtstromes aus einer Lichtquelle auf einem Licht empfangenden Element einfallen, wobei dieser Zustand als Bezugsgröße für die Messung der Biopermeabilität verwendet wird. Daher ist die Kalibrierung einer absoluten Permeabilität nicht möglich. Aus diesem Grund ist das Ausgangssignal der Vorrichtung nach dem Stand der Technik kein Maß für den absoluten Wert der Permeabilität, auch wenn er eine Änderung der Permeabilität wiedergeben mag, und daher ist diese Vorrichtung konstruiert auf der Basis einer Empfindlichkeit (oder einem Verstärkungsfaktor), die der Hersteller frei gewählt hat. Daher ist es unmöglich, Amplitudenwerte zu vergleichen, die mit unterschiedlichen Vorrichtungen gemessen worden sind, und meistens wird ein Vergleich der Messungen durchgeführt, in dem die Kurvenformmuster verglichen werden. Obwohl die Daten, die mit der gleichen Art von Vorrichtung aufgenommen wurden, verglichen werden können, ist sogar ein solcher Vergleich bedeutungslos, wenn die einzelnen Geräte nicht kalibriert sind.

Weiterhin sind etwa zwei Drittel des Wertes des Blutdruckes durch einen Mittelwert als Gleichspannungskomponente gebildet, und der Wechselanteil bildet etwa ein Drittel des Gesamtwertes. Der mittlere Wert des Blutdruckes als Gleichspannungskomponente enthält mehrere Daten. Nichts­ destoweniger wird bei einer Konstruktion der Photosensorbefestigung, bei der Druck ausgeübt wird, die Messung in einem Zustand ausgeführt, bei dem das Volumen des Gefäßes unter äußerem Druck geringfügig verringert ist durch den äußeren Druck, der auf die Gefäßwand ausgeübt wird, wenn diese beim Anbringen des Photosensors zusammengepreßt wird. Zusätzlich schwanken die Bedingungen der Messung mit dem Ausmaß des Zusammenpressens, und diese wiederum schwanken von einer Messung zur nächsten.

Daher ist es besonders schwierig, Messungen unter gleichbleibenden Bedingungen zu erhalten. Dies bedeutet, daß es unerläßlich ist, nur die Wechselkomponente der Messung zu verwenden. Darüber hinaus ist sogar die Wechselkomponente extrem durch die Schwankungen beeinflußt, die durch Schwankungen im äußeren Druck beim Zusammenpressen hervorgerufen werden, was wiederum Änderungen im Muster der Kurvenform hervorruft. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil, da er fehlerhafte Diagnosen nach sich zieht.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile, die der Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität nach dem Stand der Technik anhaften, zu überwinden, und ihre Aufgabe ist es daher, eine Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität zu schaffen, die eine kontinuierliche und genaue Messung des absoluten Wertes der Biopermeabilität von Licht ermöglicht, das durch ein zu messendes Organ gesendet ist, auch wenn das ausgesendete Licht eine sehr geringe Intensität hat.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität bereitzustellen, die ein automatisches Messen des absoluten Wertes der Biopermeabilität ermöglicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Um die erste Aufgabe zu lösen, wird bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität bereitgestellt, die einen Rahmen, sowie eine Lichtquelle und ein Licht empfangendes Element umfaßt, die beide an dem Rahmen so befestigt sind, daß sie auf einander ausgerichtet sind, und einen Spalt zwischen sich begrenzen, so daß ein zu messendes Organ in dem Spalt aufgenommen werden kann, ohne zusammengepreßt zu werden, sowie einen Vorverstärker, der mit dem Licht empfangenden Element verbunden ist und dazu dient, die Empfindlichkeit umzuschalten, und einen Summierverstärker, der für eine Justierung des Nullpunktes und der Empfindlichkeit mit der Ausgangsseite des Vorverstärkers verschaltet ist und einen Gleichspannungs-Ausgangsanschluß aufweist, und ein Gleichspannungsausgangssignal, das durch den Gleichspannungs-Ausgangsanschluß bereitgestellt wird und die Biopermeabilität wiedergibt, sowie ein Gleichspannungs-Meßinstrument, das zwischen den Gleichspannungs-Ausgangsanschluß und Masse geschaltet ist.

Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Permeabilität zu messen, indem das Organ aufgenommen wird, ohne zusammengepreßt zu werden, so daß die Messung unter einer Bedingung ausgeführt werden kann, die keinerlei Beanspruchung des Blutgefäßes hervorruft. So können sich ändernde Werte des Organs genau erhalten werden, indem der Einfluß eines äußeren Druckes ausgeschaltet ist.

Da der Verstärkungsfaktor zwischen hohen und niedrigen Faktoren hin und her geschaltet werden kann, um das Ausgangssignal des Licht empfangenden Elementes auszunutzen, kann zusätzlich sogar bei 100%-iger Lichtaufnahme in einer Betriebsart mit niedrigem Verstärkungsfaktor der absolute Wert der Permeabilität genau kalibriert werden, ohne die Sättigung der nachfolgenden Verstärkerstufe in Betracht ziehen zu müssen, und es kann bei der tatsächlichen Messung bei einem hohen Verstärkungsfaktor kontinuierlich gemessen werden.

Da die Vorrichtung eine Kalibrierungsfunktion aufweist, kann weiterhin die Kalibrierung bewirkt werden, sobald eine Verringerung der Empfindlichkeit auftritt, die durch eine Verschmutzung des optischen Systems durch lang andauernden Gebrauch hervorgerufen worden ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rahmen als Metallrahmen mit einer hohen mechanischen Festigkeit ausgeführt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtquelle entweder ein Gaslaser, ein Licht aussendendes Halbleiterelement, oder eine Lampe.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtquelle eine Licht hoher Helligkeit aussendende Diode (LED).

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Licht empfangende Element eine Photodiode.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Licht empfangende Element eine Lichteinfallsöffnung mit einer Fläche, die den gesamten Lichtstrom aufnehmen kann, der von der Lichtquelle ausgesendet wird und durch das zu messende Organ hindurchstrahlt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Licht, das von der Lichtquelle ausgesendet wird, nicht ein paralleler Lichtstrom, und das optische System ist zwischen der Lichtquelle und dem zu messenden Organ angeordnet, um den ausgesendeten Lichtstrom in einen parallelen Lichtstrom umzusetzen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Vorverstärker ein Operationsverstärker, der zwei unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweist, die durch Umschalten wählbar sind, wobei die beiden Empfindlichkeiten entsprechend eine einfache Empfindlichkeit und eine hundertfache Empfindlichkeit sind.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Summierverstärker eine Einrichtung zum Einstellen des Nullpunktes und eine Einrichtung zum Einstellen des Verstärkungsfaktors auf. Die Einrichtung zum Einstellen des Verstärkungsfaktors weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Einstellen der Empfindlichkeit sowie einen Operationsverstärker auf.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, hat das Gleichspannungs-Meßinstrument einen Gesamtbereich von 10 Volt, die Einrichtung zum Einstellen der Nullstellung ist so eingestellt, daß das Gleichspannungs-Meßinstrument auf Null Volt zeigt, wenn eine Permeabilität von Null % gemessen wird, und die Einrichtung zum Einstellen des Verstärkungsfaktors ist so eingestellt, daß das Gleichspannungs-Meßinstrument auf 10 Volt zeigt, wenn eine Permeabilität von 100% gemessen wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein invertierender Wechselspannungsverstärkerschaltkreis mit einem Gleichspannungsausgangsanschluß verbunden, wobei der Wechselspannungsverstärkerschaltkreis passenderweise einen Hochpaß (CR-Glied) und einen Verstärker mit einem festen Verstärkungsfaktor umfaßt und Wechselspannungsausgangssignale bereitstellt.

Mit dem Ausgangssignal des Licht empfangenden Elementes, das durch den Gleichspannungsverstärker verstärkt wird, um ein Gleichspannungsausgangssignal zu erhalten, und das außerdem durch einen Wechselspannungsverstärker verstärkt wird, um ein Wechselspannungsausgangssignal zu erhalten, ist es möglich, einen absoluten Wert der Permeabilität von dem Gleichspannungsausgang zu erhalten und außerdem Schwankungswerte der Permeabilität von dem Wechselspannungsausgang zu erhalten.

In diesem Fall ist der feste Verstärkungswert passenderweise auf 50 eingestellt.

Vorzugsweise umfaßt der invertierende Verstärkerschaltkreis einen invertierenden Verstärker, der mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers mit dem festen Verstärkungsfaktor verbunden ist und einen Ausgangsanschluß aufweist, der als Wechselspannungsausgangsanschluß dient.

Der invertierende Verstärker hat passenderweise einen Verstärkungsfaktor von eins.

Weiterhin ist passenderweise ein Schalter zwischen dem Hochpaß und dem Verstärker mit dem festen Verstärkungsfaktor so vorgesehen, daß der Schalter betätigbar ist, um ein Entladen eines Kondensators zu bewirken, um so die Grundlinie der gemessenen Kurvenform auf Null zu stellen.

Darüber hinaus kann gemäß der Erfindung eine Einheit zur Datenverarbeitung vorgesehen sein, die einen Analog-Digital-Wandler aufweist, um die Gleichspannungs- und die Wechselspannungsausgangssignale in entsprechende digitale Gleichspannungs- und Wechselspannungsausgangsdaten umzuwandeln, eine DSP-Untereinheit (Digital-Signal-Prozessor), um eine Frequenzanalyse der Gleichspannungs- und der Wechselspannungsausgangsdaten von dem Analog-Digital-Wandler durchzuführen, einen Speicher, um die Daten der Kurvenform und der Frequenzspektren zu speichern, die von der DSP-Untereinheit erhalten werden, eine Anzeige-Untereinheit, um die Daten der Kurvenform und die Daten der Frequenzspektren anzuzeigen, sowie eine Steuer-Untereinheit, um die Arbeitsweise der Einheit zur Datenverarbeitung zu steuern.

Mit dieser Anordnung können die Permeabilitäts-Meßwerte automatisch mit einem Computer in der Einheit zur Datenverarbeitung verarbeitet werden, um die Daten zur Diagnose wirkungsvoll anzuzeigen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die vorstehend genannten, sowie andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser verständlich anhand der Beschreibung unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen, in der

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität gemäß der vorliegenden Erfindung, mit einer teilweise geschnittenen Ansicht der Sensoreinheit zeigt,

Fig. 2 einen Schaltplan einer Einheit zur Anzeige der Permeabilität zeigt, die einen Abschnitt der Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Einheit zur Datenverarbeitung darstellt, die falls dies gewünscht wird, einen Abschnitt der Vorrichtung zum Messen der Biopemeabilität gemäß der vorliegenden Erfindung bildet.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität gemäß der Erfindung. Wie es dargestellt ist, weist die Vorrichtung eine Sensoreinheit 100 und eine Einheit zur Anzeige der Permeabilität 200 auf. Eine Einheit zur Datenverarbeitung 300, die einen Microcomputer aufweist, kann nach der Einheit zur Anzeige der Permeabilität 200 angeschlossen sein, um eine automatische Verarbeitung der Daten zu ermöglichen.

Die Sensoreinheit 100 umfaßt einen Abschnitt zur Lichtprojektion mit einer Lichtquelle 1 und einem optischen System 2, das aus einem Linsensystem besteht, einem Licht empfangenden Element 3, einem Metallrahmen 4, der die vorstehend genannten Komponenten trägt, sowie einen Vorverstärker 5, der zwischen der einfachen und der hundertfachen Empfindlichkeit umschaltbar ist. Der Metallrahmen 4 hat passenderweise die erforderliche mechanische Stabilität um ggf. auftretende mechanische Schwingungen zu unterdrücken. In dem Metallrahmen 4 ist der Meßabschnitt 6 untergebracht, die aus einem freien Raum besteht, z. B. einem durchgehenden Loch entsprechender Größe, z. B. in der Größenordnung von einigen Millimetern mehr als der äußere Durchmesser eines Organs 31, z. B. eines Fingers.

Der Meßabschnitt 6 ist durch eine ringförmige geschlossene Wand gebildet, an deren inneren Oberfläche ein Licht empfangendes Element 3 so befestigt ist, daß eine Licht durchlassende Oberfläche des Elementes 3 im wesentlichen mit der inneren Oberfläche des Meßabschnittes 6 abschließt. Die Lichtquelle 1 ist so angeordnet, daß sie entweder direkt oder falls dies notwendig ist, durch das optische System 2 auf das Licht empfangende Element 3 gerichtet ist, so daß ihr ausgesendeter Lichtstrom im wesentlichen auf die gesamte Licht durchlassende Oberfläche des Licht empfangenden Elementes 3 fällt. Bei dieser Anordnung kann der ausgesendete Lichtstrom im wesentlichen zu 100% in das Licht empfangende Element 3 einstrahlen. Die Lichtquelle 1 kann Licht jeder gewünschten Wellenlänge aussenden. Eine Licht hoher Helligkeit emittierende Diode (LED) ist als Lichtquelle 1 geeignet, aber falls die Stabilität und die Intensität des Lichtes ausreichend ist, kann auch ein Gas-Laser, ein Halbleiter-Laser oder eine Lampe mit einem roten Filter passenderweise verwendet werden. Das optische System 2 verwendet bevorzugt eine konvertierende Stablinse einer optischen Faser, so daß der Durchmesser des Lichtstrahls, der auf das zu messende Organ 31 trifft, etwa in der Größenordnung von einem Millimeter liegt. Es ist jedoch keine Linse in dem Fall erforderlich, wenn die Lichtquelle 1 paralleles (oder kohärentes) Licht aussendet, wie z. B. ein Laserstrahl. Wenn Licht auf das Licht empfangende Element 3 fällt, erzeugt dieses einen entsprechenden Ausgangsstrom, der durch einen Vorverstärker in eine Spannung umgesetzt wird. Der Vorverstärker 5 ist geeigneterweise als Operationsverstärker ausgebildet, der in seiner Empfindlichkeit zwischen einfach und hundertfach umgeschaltet werden kann.

Als Licht empfangendes Element 3 ist vorzugsweise eine Photodiode verwendet, aber wenn die spektralen Eigenschaften ausreichend sind und das Signal-Rausch-Verhältnis erzielbar ist, kann auch genauso gut ein anderes Licht empfangendes Halbleiterelement verwendet werden. Des weiteren hat das Licht empfangende Element eine kleine Licht durchlassende Oberfläche. Falls jedoch die Licht durchlassende Oberfläche zu klein ist, wird das Ausgangssignal zu stark verringert, was das Signal- Rausch-Verhältnis verschlechtert. Daher ist ein angemessene Licht durchlassende Fläche erforderlich. Eine praktische Größe der Fläche ist etwa 2 bis 3 Millimeter Durchmesser, es ist jedoch wichtig, daß die Fläche im wesentlichen genauso groß ist wie der Durchmesser des Lichtstroms der Lichtquelle 1. Der Metallrahmen 4 hat eine entsprechende große Abmessung und besteht aus einem Metall, das eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit hat, z. B. Aluminium, um die auftretende Wärme von der Lichtquelle 1 abzuleiten.

Die Einheit zur Anzeige der Permeabilität 200 weist einen Summierverstärker 7 und ein Gleichspannungs-Meßinstrument 9 auf. Der Summierverstärker 7 hat, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, einen Schaltkreis zur Offset-Einstellung, die es ermöglicht, das Ausgangssignal einzustellen, wenn die Permeabilität Null% entsprechend Null Volt ist, und einen Schaltkreis zur Einstellung der Verstärkung, um das Ausgangssignal bei Hundert% auf Zehn Volt einzustellen. Das Gleichspannungs-Meßinstrument 9 hat eine Zehn-Volt-Vollausschlag-Skala und ist mit einem Gleichspannungsausgangsanschluß 8 des Summierverstärkers 7 verbunden.

Mit dem Gleichspannungsausgangsanschluß 8 ist ein invertierender Wechselspannungsverstärkerschaltkreis 13 verbunden, der einen Hochpaß 10 (CR-Glied), einen Verstärker 11 mit einem festen Verstärkungsfaktor von z. B. Fünfzig, und einen invertierenden Verstärker 12 mit dem Verstärkungsfaktor Eins umfaßt, so daß eine in ihrer Phase umgekehrte Gleichspannungsausgangsspannung an dem Ausgangsanschluß 14 bereitgestellt wird. Die Umkehr der Phase erleichtert einen Vergleich der Kurvenformen. Der Summierverstärker 7, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, umfaßt eine Einrichtung zum Einstellen des Nullpunktes 15, die aus Potentiometer zur Offset-Einstellung und einem Operationsverstärker 17 mit einer Einrichtung zum Einstellen der Empfindlichkeit besteht, die durch einen Rückkopplungs-Widerstand zur Einstellung des Verstärkungsfaktors gebildet ist.

Ein Schalter 18 ist mit der Ausgangsseite des Hochpaßes 10 verbunden, um, falls dies gewünscht wird, ein Entladen des Kondensators in dem Hochpaß 10 zu ermöglichen, um die Grundlinie der gemessenen Kurvenform auf Null zu setzen.

Nachstehend ist die Funktionsweise der Vorrichtung zum Messen der Permeabilität beschrieben, die den vorstehend erläuterten Aufbau gemäß der Erfindung hat.

Vor dem Gebrauch des Gerätes ist ein Kalibriervorgang notwendig, um die Gleichspannungsverstärkungsfaktoren für 0% und 100% einzustellen.

Zunächst wird die Empfindlichkeitseinstellung des Vorverstärkers 5 in der Sensoreinheit 100 mit dem Schalter, der in dem Vorverstärker vorhanden ist, auf Eins gestellt. In diesem Zustand wird das Licht empfangende Element 3 mit einer Metallplatte oder einer anderen Licht nicht durchlassenden Platte so abgedeckt, daß Licht von der Lichtquelle 1 nicht auf das Licht empfangende Element 3 fällt. In diesem Zustand, d. h. in dem Null%-Permeabilitätszustand wird die Einrichtung zum Einstellen des Nullpunktes 15 so eingestellt, daß das Meßinstrument 9 Null Volt anzeigt. Danach wird die Licht nicht durchlassende Platte von der Lichtquelle 1 entfernt, damit Licht von der Lichtquelle 1 direkt auf das Licht empfangende Element 3 fällt. In diesem Zustand, d. h. in dem Hundert%-Permeabilitätszustand wird die Einrichtung zum Einstellen der Empfindlichkeit 16 so eingestellt, daß das Meßinstrument 9 Zehn Volt anzeigt. Mit diesen Einstellungen ist die Empfindlichkeit des Summierverstärker 7 genau auf Zehn % Permeabilität pro Volt eingestellt.

Anschließend an die oben beschriebene Einstellung der Empfindlichkeit, wird die Betriebsart des Vorverstärkers 5 in der Sensoreinheit 100 mit dem Schalter in dem Vorverstärker 5 auf eine hundertfache Empfindlichkeits-Betriebsart geschaltet, in der das Ausgangssignal des Summierverstärkers 7 0,1% Permeabilität pro Volt entspricht. In dieser Betriebsart wird das Licht empfangende Element 3 abgedeckt, um Null% Permeabilität bereitzustellen. In diesem Zustand wird die Einrichtung zum Einstellen des Nullpunktes 15 so eingestellt, daß das Meßinstrument 9 Null Volt anzeigt. Durch diese zweite Einstellung wird durch eine Feineinstellung ein Fehler in der vorhergehenden Justierung beseitigt, so daß nun die Kalibrierung der Vorrichtung beendet ist.

Der Zweck der Einstellung des Verstärkungsfaktors auf Eins ist es, die Gleichspannungsempfindlichkeit des Meß-Systems zu justieren, und der Zweck der Einstellung des hundertfachen Verstärkungsfaktors auf Empfindlichkeit ist die Einstellung des Nullpunktes. Die Betriebsart mit der hundertfachen Empfindlichkeit ist eine Bio-Meß-Betriebsart, mit einem Meßbereich von Null % bis Ein %. Allerdings beträgt der absolute Wert der Permeabilität bei der Messung des Fingers eines Mannes etwa zwischen 0,2% und 0,4%, und dies bedeutet, daß der Meßbereich von Null % bis Ein % angemessen ist. Wenn der fest eingestellte Verstärkungsfaktor des Wechselspannungsverstärkerschaltkreises 50 beträgt, dann ist die Amplitude des Wechselspannungsausganges auf eine Schwankung der Permeabilität von 0,002% pro Volt kalibriert.

Bei der eigentlichen Messung ist es nach Beendigung der oben beschriebenen Kalibrierung lediglich erforderlich, einen Finger als zu messendes Organ 31 in den Meß-Abschnitt 6 in der Sensoreinheit 100 einzuführen und die Oberfläche auf der einen Seite des Fingers mit der Licht einlassenden Oberfläche des Licht empfangenden Elementes 3 in dichten Kontakt kommen zu lassen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Das Licht von der Lichtquelle 1 wird teilweise durch das zu messende Organ 31 gesendet um in das Licht empfangende Element 3 einzufallen. Auf diese Weise kann der schwankende Blutstrom durch die Blutkapillaren des Fingers gemessen werden, indem er in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Während der Messung ist der Meßabschnitt selbstverständlich in der üblichen Weise mit einem abdeckenden Tuch bedeckt, um von außen kommendes Licht abzuschirmen.

In der Einheit zur Anzeige der Permeabilität 200 können die Permeabilität und deren Schwankungen direkt an dem Gleichspannungs-Meßinstrument 9 abgelesen werden. Weiterhin werden kontinuierliche Schwankungen in der Permeabilität als entsprechende Schwankungen der Spannungen an den Ausgangsanschlüssen 8 und 14 bereitgestellt. Diese Ausgangswerte können als Kurvenformen z. B. in einem Analog-Recorder aufgezeichnet werden. Zusätzlich können sie mit einem Analog-Digital-Wandler in digitale zeit-serielle Daten umgesetzt werden, um einem Microcomputer zur Datenverarbeitung, Darstellung der verarbeiteten Ergebnisse, sowie zum Speichern zugeführt zu werden. Diese Daten können zur Diagnose und zur Vorbeugung unterschiedlicher Krankheiten verwendet werden.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Einheit zur Datenverarbeitung 300. Wie dargestellt, sind ein Microcomputer 19, eine DSP-Einheit (Digital-Signal-Prozessor) 20, ein Analog-Digital-Wandler 21, ein ROM-Speicher 22, ein RAM- Speicher 23, ein externer Speicher 24, ein Bildschirm-(CRT)- Anzeige-Schaltkreis 25, eine Bildschirmanzeige (CRT) 26, ein Drucker-Interface 27, sowie ein Drucker 28 vorgesehen, die mit einem System-Bus 30 in Verbindung stehen, und die Ausgangssignale der Gleichspannungs- und Wechselspannungsausgangsanschlüsse 8 und 14 werden dem Analog-Digital-Wandler 21 zugeführt.

In der Einheit zur Datenverarbeitung 300 wird eine Frequenzanalyse mittels einer Berechnungsmethode ausgeführt, die entweder einen FFT-Algorithmus oder ein Selbst-Wiederherstellendes Modell (vorgeschlagen von Hirotsugi Akaji, Statistical Mathematic Theory Research Institute, The Ministry of Education, 1969) verwendet. Bei dem Berechnungsvorgang führt die DSP-Einheit 20 eine Echtzeit-Frequenzanalyse aus und stellt diese dar. Als Ergebnis werden die Kurvenform und die Frequenz-Spektral-Daten auf der Bildschirmanzeige 26 dargestellt, und das Ergebnis wird auf dem Drucker 28 ausgedruckt. Des weiteren werden die notwendigen digitalen Daten in dem externen Speicher 24 abgespeichert. Die vorstehend beschriebene Verarbeitung der Daten wird durch vorher erstellte Programme aus dem externen Speicher 24 oder dem ROM-Speicher 22 durchgeführt, die die Frequenzanalyse, die Ausgabe der Daten und die Speicherung ausführen können. Der Microcomputer 19 bildet eine Einheit zur Steuerung der Einheit zur Datenverarbeitung 300 und ein universeller Personal Computer (PC) kann dabei Anwendung finden. Alternativ dazu kann auch ein spezieller Computer zur Verarbeitung der Daten eingesetzt werden, der durch Kombination von LSI-Bausteinen (Large Scale Integration) von CPU-, RAM-, ROM-, und Eingabe/Ausgabe-Bausteinen konstruiert sein kann.

Mit der Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben ist, können folgende Vorteile erzielt werden.

Da die Permeabilität gemessen wird, indem das zu messende Organ in einem Zustand aufgenommem ist, inden es nicht zusammengepreßt wird, ist es möglich, eine Verformung der Kurvenform zu vermeiden, die durch ein Zusammenpressen des Organs auftreten würde, und Messungen der Biopermeabilität zu allen Zeiten unter gleichbleibenden Bedingungen durchzuführen. Mit anderen Worten, es besteht keine Möglichkeit, daß die Ergebnisse von der einen Messung zur nächsten Messung schwanken, vielmehr können stets genaue Ergebnisse der Messungen erzielt werden. Somit besteht keine Möglichkeit, daß eine falsche Diagnose durch eine Änderung der Wellenform gestellt wird, auf Grund einer Messung, bei der zusammengepreßt wurde, und es ist möglich, Ergebnisse von Messungen zu vergleichen, die zu unterschiedlichen Zeiten oder mit unterschiedlichen Geräten ausgeführt worden sind. Weiterhin ist der Ausgangsstrom von dem Licht empfangenden Element in den Vorverstärker eingespeist, der eine Funktion zum Verstellen der Empfindlichkeit aufweist, so daß er passenderweise mit zwei, d. h. einer hohen und einer niedrigen umschaltbaren Empfindlichkeit ausgestattet sein kann, und gleichzeitig die Möglichkeit eröffnet, den Nullpunkt und die Empfindlichkeit in dem nachfolgenden Verstärker einzustellen. So ist eine genaue Kalibrierung des absoluten Wertes von 100% Permeabilität in einem ungesättigten Zustand des Verstärkers möglich, indem eine niedrige Einstellung der Empfindlichkeit des Vorverstärkers gewählt wird, während es möglich ist, kontinuierliche Messungen des absoluten Wertes von sehr niedrigen Permeabilitäten im Bereich von 0% bis 1% zu erhalten, indem in eine Betriebsart mit hoher Empfindlichkeit geschaltet wird.

Mit dem für Wechselspannungsverstärkung eingerichteten Verstärker mit fest eingestelltem Verstärkungsfaktor kann der absolute Wert der Permeabilität, der in der vorhergehenden Stufe genau erfaßt wurde, mit einem genauen Verstärkungsfaktor zur Kalibrierung der Schwankung der Permeabilität pro Volt-Einheit (z. B. 0,002% pro Volt) verstärkt werden.

Da die Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität selbst eine Kalibrierfunktion aufweist, ist es möglich, sogar für den Fall, daß die Empfindlichkeit durch Verschmutzung des optischen Systems verringert worden ist, Fehler in der Messung zu verhindern, indem vor der Messung kalibriert wird.

Es ist möglich, die Permeabilität zu messen, ohne das zu messende Organ zusammenzupressen und geringe Änderungen in der Permeabilität unter der Gleichspannungsverstärkung zu messen, während es in gleicher Weise möglich ist, falls es nötig ist, Änderungen nur unter der Wechselspannungsverstärkung zu messen. Daher sind folgende Anwendungen möglich:

• a) Es ist möglich, Änderungen im distalen Blutstrom, hervor­ gerufen durch mit nervösen Erregungen behandelte Muskeln durch zeitkontinuierliche Daten der Änderungen der Permeabilität über die Zeit quantitativ zu messen. Dies bedeutet, daß ein effizientes Untersuchungsgerät bereitgestellt werden kann, um eigenerregte nervöse Funktionen quantitatv zu beurteilen, für die es bisher keine angemessenen Mittel zur Messung gegeben hat.
• b) Es ist möglich, die Unterschiede der neurotischen Reaktion des Rückgrates zwischen der linken und der rechten Seite zu messen, indem die Reaktionszeit in bezug auf die Erregung gemessen wird, indem gleiche Vorrichtungen für Finger der linken und der rechten Hand verwendet werden.
• c) Durch Erfassen von Niederst-Frequenzbereich-Signalen im Gleichspannungsbereich können alle Daten quantitativ gemessen werden, so daß eine Umsetzung der zeitsequentiellen Daten in Frequenzdaten mittels einer Frequenzanalyse der Daten möglich ist, da zur Verarbeitung der Daten ein Microcomputer eingesetzt wird. Daher kann sogar bei Daten, die eine Schwankung der Permeabilität auf Grund unterschiedlicher Ursachen beinhalten und bezüglich der Zeitachse schwer zu trennen sind, falls sie eine unterschiedliche Periodizität haben, eine Trennung der einzelnen Spektren nach den jeweiligen Ursachen erhalten werden, um sie zu analysieren. Mit der Vorrichtung zum Messen der Bio­ permeabilität gemäß der Erfindung, werden alle Meßwerte, vom Gleichspannungsbereich bis zum höchsten zu messenden Frequenz­ bereich, erfaßt und verstärkt, so daß es möglich ist, eine Frequenzanalyse zu erhalten.
• d) eine Frequenzanalyse der digitalen zeitsequentiellen Daten von dem Analog-Digital-Wandler unter Verwendung eines Micro­ computer-FFT-Programms oder dergl. erlaubt das Erkennen und quantifizieren eines Spektrums der Schwankungen der Sauerstoff­ aufnahme des Blutstromes in Blutkapillaren, deren Erkennung in Messungen mit einer Zeitkonstante von etwa 1,6 sec schwierig war.

Claims (19)

1. Vorrichtung zum Messen der Biopermeabilität, gekennzeichnet durch
einen Rahmen (4);
eine Lichtquelle (1) und ein Licht empfangendes Element (3), wobei die Lichtquelle (1) und das Licht empfangende Element (3) an dem Rahmen (4) so befestigt sind, daß sie auf einander ausgerichtet sind und einen Spalt zwischen sich begrenzen, so daß ein zu messendes Organ (31) in dem Spalt ohne zusammengepreßt zu werden, aufgenommen werden kann;
sowie einen Vorverstärker (5), der mit dem Licht empfangenden Element (3) verbunden ist und eine Funktion aufweist, um die Empfindlichkeit umzuschalten;
einen Summierverstärker (7), der für eine Justierung des Nullpunktes und der Empfindlichkeit mit der Ausgangsseite des Vorverstärkers (5) verschaltet ist und einen Gleichspannungs-Ausgangsanschluß (8) aufweist, und ein Gleichspannungsausgangssignal, das durch den Gleichspannungs-Ausgangsanschluß (8) bereitgestellt wird und die Biopermeabilität wiedergibt, sowie
ein Gleichspannungs-Meßinstrument (9), das zwischen den Gleichspannungs-Ausgangsanschluß (8) und Masse geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen invertierenden Wechselspannungsschaltkreis (13), der mit dem Gleichspannungsausgangsanschluß (8) verbunden ist und ein CR-Glied (Hochpaß) (10) und einen Verstärker (11) aufweist, der einen festen Verstärkungsfaktor hat, sowie einen Wechselspannungsausgang, der von dem invertierenden Wechselspannungsschaltkreis (13) bereitgestellt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einheit zur Datenverarbeitung (300), die sowohl mit dem Gleichspannungsausgangsanschluß (8) als auch mit einem Wechselpannungsausgangsanschluß (14) des invertierenden Wechselspannungsschaltkreises (13) verbunden ist, wobei die Einheit zur Datenverarbeitung (300) dazu geeignet ist, automatisch Gleichspannungs-Ausgangs-Daten von dem Gleichspannungsausgangsanschluß (8), der die Permeabilität wiedergibt, und/oder Wechselspannungs-Ausgangs-Daten von dem Gleichspannungsausgangsanschluß (14) zu verarbeiten und das Ergebnis der Verarbeitung darzustellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (4) ein Metallrahmen mit einer hohen mechanischen Festigkeit ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Teil einer Baugruppe ist, die entweder aus einem Gaslaser, einem Licht aussendenden Halbleiterelement, oder einer Lampe besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Licht hoher Helligkeit aussendende Diode (LED) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht empfangende Element (3) eine Photodiode ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht empfangende Element (3) eine Lichteinfallsöffnung mit einer Fläche hat, die den gesamten Lichtstrom aufnehmen kann, der von der Lichtquelle (1) ausgesendet wird und durch das zu messende Organ (31) hindurch strahlt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht, das von der Lichtquelle (1) ausgesendet wird, nicht ein paralleler Lichtstrom ist, und das optische System (2) zwischen der Lichtquelle (1) und dem zu messenden Organ (31) angeordnet ist, um den ausgesendeten Lichtstrom in einen parallelen Lichtstrom umzusetzen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (5) ein Operationsverstärker ist, der zwei unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweist, die durch Umschalten wählbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Empfindlichkeiten eine einfache Empfindlichkeit und andere eine hundertfache Empfindlichkeit ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (7) eine Einrichtung zum Einstellen des Nullpunktes (15) und eine Einrichtung zum Einstellen des Verstärkungsfaktors (16, 17) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einstellen des Verstärkungsfaktors vorzugsweise eine Einrichtung zum Einstellen der Empfindlichkeit (16), sowie einen Operationsverstärker (17) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichspannungs-Meßinstrument (9) einen Vollausschlag von 10 Volt hat, die Einrichtung zum Einstellen des Nullpunktes (15) so eingestellt ist, daß das Gleichspannungs-Meßinstrument (9) Null Volt anzeigt, wenn eine Permeabilität von Null % gemessen wird, und die Einrichtung zum Einstellen des Verstärkungsfaktors (16, 17) so eingestellt ist, daß das Gleichspannngs-Meßinstrument (9) Zehn Volt anzeigt, wenn eine Permeabilität von 100% gemessen wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (11) einen Verstärkungsfaktor von 50 aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Verstärkerschaltkreis (13) einen invertierenden Verstärker (12) aufweist, der mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers (11) verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluß des invertierenden Verstärkers (12) als Wechselspannungsausgangsanschluß (14) des invertierenden Verstärkerschaltkreises (13) dient.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Verstärker (14) einen Verstärkungsfaktor von eins aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (18) zwischen dem CR-Glied (10) und dem Verstärker (11) vorgesehen ist, und betätigbar ist, um ein Entladen eines Kondensators in dem CR-Glied (10) zu bewirken, um so die Grundlinie der gemessenen Kurvenform auf Null zu korrigieren.

19. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einheit zur Datenverarbeitung (300) einen Analog-Digital-Wandler (21) aufweist, um die Gleichspannungs- und die Wechselspannungsausgangssignale in entsprechende digitale Gleichspannungs- und Wechselspannungsausgangsdaten umzuwandeln;
eine DSP-Untereinheit (20), um eine Frequenzanalyse der Gleichspannungs- und der Wechselspannungsausgangsdaten von dem Analog-Digital-Wandler (21) durchzuführen;
einen Speicher (23, 24), um die Daten der Kurvenform und der Frequenzspektren von der DSP-Untereinheit (20) zu speichern;
eine Anzeige-Untereinheit (25, 26, 27, 28), um die Daten der Kurvenform und die Daten der Frequenzspektren anzuzeigen;
sowie eine Steuer-Untereinheit (19), um die Arbeitsweise der Einheit zur Datenverarbeitung (300) zu steuern.