DE4201927A1 - Evakuierter behaelter zum messen der viskositaet von fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen evakuierten Behälter zum Messen der Viskosität von Flüssigkeiten; dieser Behälter kann in einer Viskositätsmeßvorrichtung für Flüssigkeiten eingesetzt werden, ist einfach zu betreiben und ermöglicht derartige Viskositätsmessungen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums.

Bekanntlich wird die Viskosität von Blut durch den Gesund­ heitszustand eines Menschen beeinflußt. Die Viskosität von Blut eines Patienten, der unter Anämie, chronischer renaler Insuffizienz, die eine Hämodialyse erfordert, unter myocar­ dialem Infarkt, Diabetes mellitus oder unter einer bösarti­ gen Geschwulst leidet, unterscheidet sich stark von der Blutviskosität einer gesunden Person. In hochentwickelten Ländern nehmen die Krankheiten von Erwachsenen, wie bei­ spielsweise myocardialer Infarkt, Thromboembolismus und Dia­ betes mellitus, mit zunehmendem Alter der Bevölkerung stark zu. Die Viskositätsmessung von Blut ist daher wichtig und ein wesentlicher Faktor bei der Therapie und/oder Prävention von Krankheiten.

Bislang sind verschiedene Vorrichtungen zum Messen der Vis­ kosität von Flüssigkeiten oder Lösungen entwickelt worden. Im Bereich der klinischen Medizin sind jedoch im wesentli­ chen nur zwei Vorrichtungen eingesetzt worden, nämlich das Kapillarviskometer und das Rotationsviskometer. Im Kapillar­ viskometer wird die Viskosität dadurch gemessen, daß man die Flüssigkeit in das Kapillarviskometer einleitet und dann die Flüssigkeit unter Einwirkung äußerer Kräfte wie der Gravita­ tionskraft, durch eine Kapillare oder ein dünnes Rohr mit einer gleichmäßigen Bohrung strömen läßt, wobei die Zeit er­ mittelt wird, die der Flüssigkeitsmeniskus zum Durchlauf zwischen vorgegebenen Pegeln benötigt. Derartige Kapillar­ viskosimeter werden in großem Umfang eingesetzt, um die Vis­ kosität von Blutplasma zu messen. Selten werden jedoch diese Kapillarviskosimeter eingesetzt, um die Viskosität von Blut zu messen, da das natürliche Blut hinsichtlich der Strö­ mungseigenschaften Nicht-Newtonianisch ist.

Um die intrinsische Viskosität zu bestimmen, muß die Visko­ sität mehrmals mit der gleichen Flüssigkeit und mit Kapilla­ ren mit verschiedenem Durchmesser gemessen werden. Die Be­ stimmung der intrinsischen Viskosität ist daher sehr aufwen­ dig.

Die Viskosität von Blut wird im allgemeinen mit Rotations­ viskosimetern gemessen. Ein typisches Rotationsviskosimeter weist zwei konzentrische Zylinder auf, wobei der innere Zy­ linder in dem feststehenden äußeren Zylinder oder der äußere Zylinder um den feststehenden inneren Zylinder gedreht wird. Die Flüssigkeit befindet sich dabei zwischen den zwei Zylin­ dern, wobei das Drehmoment des um seine Achse gedrehten Zy­ linders gemessen wird.

Drehviskosimeter haben jedoch die folgenden Nachteile: (a) mehrere Messungen müssen mit dem gleichen Blut bei verschie­ denen Scherbeanspruchungen durchgeführt werden, um die intrinsische Viskosität zu bestimmen; (b) die Berechnungen sind schwierig und führen zu erheblichen Fehlern, da eine graphische Differenzierung von logarithmischen Werten durch logarithmische Werte erforderlich ist; (c) spezielle und in­ stabile Strömungen, wie die sogenannte Taylor-Vortex treten bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten auf; (d) die zu unter­ suchende Flüssigkeit erzeugt aufgrund ihrer Viskosität Wärme; (e) es besteht die Gefahr, daß aufgrund der Zentrifu­ galkraft Blutteilchen abgelenkt werden; (f) die Messung je­ der Probe erfordert einen langen Zeitraum; und (g) die Hand­ habung des Viskosimeters ist schwierig, da es bei jeder Mes­ sung gereinigt werden muß und zwar durch Waschen mit Wasser und anschließendem Trocknen, um das anhaftende Blut zu ent­ fernen.

Um diese Probleme zu lösen, werden verschiedene neue Verfah­ ren angewendet, die beispielsweise eine Rollenpumpe oder ein Hohlfasermodul einsetzen, um die Viskosität von Blut zu mes­ sen. Derartige Viskosimeter erfüllen jedoch nicht alle Be­ dingungen, die bei der Anwendung in der klinischen Medizin erfüllt sein mussen.

Bekanntlich sind die Strömungseigenschaften von Blut Nicht- Newtonianisch, während Blutplasma sich Newtonianisch ver­ hält. Das Nicht-Newtonianische Verhalten von Blut beruht auf der Gegenwart von Blutteilchen, die innerhalb des Blutplas­ mas schweben. Vermutlich werden die Strömungseigenschaften von Blut durch die Orientierung der Blutteilchen und ihre verschiedenen Formen beeinflußt, wie z. B. die Scheibenformen mit konkaven Oberflächen, die Stromlinienform oder die Pro­ jektilform. Die Wirkung derartiger Faktoren auf die Strö­ mungscharakteristika variiert mit der ablaufenden Zeit nach der Blutaufnahme und wird weiter beeinflußt durch die Zugabe anderer Substanzen, wie beispielsweise Antikoagulationsmit­ tel, zum Blut. Die Strömungscharakteristika von Blut mit seinem Nicht-Newtonianischen Verhalten können daher am be­ sten dadurch bestimmt werden, daß man das in den Blutgefäßen des Körpers zirkulierende Blut direkt mißt.

Bislang gibt es jedoch kein Viskosimeter zur direkten Mes­ sung der Strömungseigenschaften von Blut, das in den Blutge­ fäßen des Körpers zirkuliert. Es muß daher das abgenommene Blut, d. h. es müssen die Strömungscharakteristika des Blutes korrekt in der kürzestmöglichen Zeit nach der Blutabnahme gemessen werden, wobei das aufgenommene Blut keine anderen Materialien, wie Antikoagulationsmittel, enthalten darf.

Um ferner rheologische Blutuntersuchungen in der klinischen Medizin routinemäßig vorzunehmen, müssen die folgenden drei Bedingungen erfüllt werden: (a) die Messung wird mit natür­ lichem Blut vorgenommen; (b) die Messung wird unmittelbar am Bett des Patienten durchgeführt; und (c) das Viskosimeter ist einfach zu handhaben.

Um diese Probleme zu lösen, ist in der JP-Patentanmeldung 2-4 18 855 eine Vorrichtung zum Messen der Viskosität von Flüssigkeiten vorgeschlagen worden, die einen evakuierten Behälter aufweist, der aus einem Hohlzylinder und einem Paar Stopfen besteht, die an den beiden Enden des Zylinders vor­ gesehen sind, um im Behälter einen niedrigen Druck aufrecht­ zuerhalten; eine Hohlnadel soll einen der Stopfen durchste­ chen und in den Behälter führen; ein Drucksensor ermittelt den Innendruck des Behälters; eine Verbindungsnadel durch­ sticht den anderen Stopfen, um eine Verbindung zwischen dem Drucksensor und dem Behälterinnenraum herzustellen; schließ­ lich ist noch eine Einrichtung zum Berechnen der Viskosität der Flüssigkeit aus der Änderung des Innendrucks des Behäl­ ters vorgesehen. Diese Vorrichtung kann leicht betrieben werden und ermöglicht eine genaue und schnelle Messung der Viskosität einer Flüssigkeit, wobei lediglich eine geringe Menge der Flüssigkeit erforderlich ist.

Bei dieser Vorrichtung wird die in einem Flüssigkeitsbehäl­ ter zu messende Flüssigkeit in den evakuierten Behälter durch die Hohlnadel aufgrund der Differenz zwischen dem In­ nendruck des Behälters und dem Atmosphärendruck eingeleitet. Zum praktischen Einsatz muß ein preiswerter evakuierter Be­ hälter entwickelt werden, der einfach in großen Mengen her­ gestellt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen evakuierten Behälter zum Messen der Viskosität von Flüssigkeiten bereit­ zustellen, der preiswert ist und einfach in großen Mengen hergestellt werden kann, so daß genaue und schnelle Viskosi­ tätsmessungen von Flüssigkeiten leicht durchgeführt werden können, wobei nur geringe Flüssigkeitsmengen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen, evakuier­ ten Behälters;

Fig. 2 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen, evakuierten Behälters; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Viskositäts­ meßvorrichtung für Flüssigkeiten mit dem evakuierten Behälter gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen evakuierten Behälter 1 mit einem Hohlkör­ per 1, der an beiden Enden offen ist, und einem Paar Dich­ tungselementen 3, 4, die in jede Öffnung des Behälterhohl­ körpers 2 eingepaßt sind, um die beiden Enden zu ver­ schließen.

Der Behälterkörper 2 ist ein Hohlzylinder mit einer gleich­ förmigen Bohrung mit einer Kapazität von z. B. 2 bis 50 ml und besteht im wesentlichen aus durchsichtigem und gasun­ durchlässigem Material, wie Glas oder Polyethylenterephtha­ lat. Der Behälterkörper 2 ist hermetisch durch die Dichtele­ mente 3 und 4 verschlossen, um den Innendruck des Behälters auf einem bestimmten Unterdruck zu halten, beispielsweise bei -240 mbar bezogen auf den Umgebungsdruck.

Die Dichtelemente 3 und 4 sind in Form von Stopfen ausgebil­ det und passen jeweils in eine Öffnung des Behälterkörpers 2. Die Dichtelemente können jedoch auch kappenförmig ausge­ bildet sein. Die Dichtelemente bestehen aus einem Material, das ausgezeichnet gasundurchlässig ist, mittels einer Hohl­ nadel durchstochen werden kann und dessen gelochter Teil sich nach dem Entfernen der Nadel wieder dicht schließt. Ty­ pische Materialien für die Dichtelemente 3 und 4 sind gum­ mielastische Materialien, wie Synthetikkautschuk und natür­ licher Kautschuk. Synthetikkautschuk umfaßt beispielsweise Butyl-, Isopren- und Butadien-Kautschukarten. Besonders be­ vorzugt ist Butylkautschuk, da die Dichtelemente eine hohe Gasundurchlässigkeit haben müssen. Die Gasundurchlässigkeit ist besonders wesentlich für Dichtelemente, die in Form einer dünnen Kappe ausgebildet sind. Die Dichtelemente 3 und 4 können konisch ausgebildet sein oder an jedem Ende mit einem Flansch versehen sein, um zu verhindern, daß sie auf­ grund der Druckdifferenz zwischen dem Behälterinnenraum und der umgebenden Atmosphäre in den Behälterkörper 2 gezogen werden.

Bei der vorstehenden Ausführungsform ist der Behälterkörper 2 hohlzylindrisch mit gleichförmiger Bohrung ausgebildet. Der Behälterkörper 2 kann jedoch auch andere Formen mit einem geeigneten Querschnitt haben. Beispielsweise kann der Behälterkörper 2 als eine Hohlsäule mit polygonalem Quer­ schnitt ausgebildet sein. Ferner können die Dichtelemente so ausgebildet sein, daß lediglich ein Mittelabschnitt, wo die Hohlnadel eingestochen werden soll, aus einem gummielasti­ schen Material besteht.

Wenn der Behälterkörper 2 ein Hohlzylinder mit relativ klei­ nem Durchmesser ist, können die beiden Enden des Zylinders als Mündungen des Behälters verwendet werden. Wenn jedoch der Behälterkörper 2 eine Hohlsäule mit nicht-kreisförmigem Querschnitt oder mit einem relativ großen Durchmesser ist, so werden vorzugsweise Mündungen oder Öffnungen mit kreis­ förmigem Querschnitt an den beiden Enden des Behälters vor­ gesehen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man einen kleinen hohlzylindrischen Abschnitt an jedem Ende des Behälterkörpers 2 vorsieht (vgl. Fig. 2).

Der evakuierte Behälter 1′ gemäß Fig. 2 weist einen Behäl­ terkörper 2′ auf, der aus einem relativ großen Hohlzylinder 2a mit einer gleichförmigen Bohrung und einem Paar kleiner zylindrischer Mündungsabschnitte 2b besteht, die sich von jeder Endwand des Hohlzylinders 2a in einer Richtung paral­ lel zur Achse des Hohlzylinders erstrecken und mit dem In­ nenraum des großen Hohlzylinders 2a in Verbindung stehen. Die Form und die Größe des evakuierten Behälters werden für den jeweiligen Anwendungszweck festgelegt.

Die vorstehend beschriebenen evakuierten Behälter 1 oder 1′ werden als ein Teil einer Viskositätsmeßvorrichtung für Flüssigkeiten oder in dem nachstehend beschriebenen Viskosi­ meter verwendet.

Fig. 3 zeigt eine Viskositätsmeßvorrichtung für Flüssigkei­ ten mit einem evakuierten Behälter 1, einem Flüssigkeitsbe­ hälter 5 zum Aufbewahren der zu messenden Flüssigkeit 6, einer Hohlnadel 7, einer Hohlnadel 8, einem Drucksensor 9 zum Ermitteln des Innendrucks des Behälters, einem A/D-Wand­ ler 10, einem Computersystem 11 zum Berechnen der Viskosität der Flüssigkeit, einem Nadelhalter 13 und mit einem Thermo­ stat 12.

Die Nadeln 7 und 8 sind dünne Röhrchen mit einer gleichför­ migen Bohrung und einer scharfen Durchstechspitze und beste­ hen vorzugsweise aus einem Metall, beispielsweise einem rostfreien Stahl, wie SUS 304 nach dem japanischen Indu­ striestandard JIS. Die erste Nadel 7 durchsticht das erste Dichtelement 3, um die Flüssigkeit 6 im Behälter 5 in den Behälter 1 einzuleiten, während die zweite Nadel 8 das zweite Dichtelement 4 durchsticht, um den Innendruck des Be­ hälters 1 zum Drucksensor 9 zu übertragen.

Die Nadel 7 ist in dem Halter 13 konzentrisch fixiert. Die­ ser Halter 13 weist ein kurzes Rohrelement auf, das am einen Ende geschlossen ist, und hält die Nadel 7 in Position und führt sie richtig zu einem mittleren Abschnitt des Dichtele­ ments 3 des Behälters 1, wenn die Nadel 7 in das Dichtele­ ment 3 einsticht. Die Länge eines Teils der Nadel 7, der sich in den Halter von der Unterseite aus erstreckt, ist so bemessen, daß die Stechspitze der Nadel 7 sich in das Innere des Behälters 1 erstrecken kann, wenn die Nadel 7 in das Dichtelement 3 eingestochen worden ist, so daß die Unter­ seite des Halters 13 in Kontakt mit der Unterseite des Dichtelements 3 kommt.

Der Flüssigkeitsbehälter 5, der die Flüssigkeit 6 enthält, wird in den Thermostaten 12 gegeben, um während der Messung die Temperatur konstant zu halten. Bei der Benutzung ist der evakuierte Behälter 1 unbeweglich durch einen geeigneten, nicht dargestellten Halter fixiert, und danach wird die Na­ del 8 in das Dichtelement 4 eingestochen, bis ihr unteres Ende sich in das Innere des Behälters 1 erstreckt (vgl. Fig. 3).

Nach oder vor der vorstehenden Handhabung wird der Flüssig­ keitsbehälter 5, der eine zu messende Flüssigkeit 6 enthält, in den Thermostaten 12 gegeben, der bei einer Prüftemperatur gehalten wird; der Flüssigkeitsbehälter 5 verbleibt dort während eines bestimmten Zeitraums, der ausreichend ist, um die Temperatur der Flüssigkeit konstant zu halten, während das freie Ende 15 der Durchstechnadel 7 in die Flüssigkeit 6 im Behälter 5 eintaucht.

Nach Inbetriebsetzen des Computers 11 wird die Durchstech­ spitze 14 der Nadel 7 durch das Dichtelement 3 gestochen. Sobald die Durchstechspitze 14 in den Innenraum des Behäl­ ters 1 gelangt, wird die Flüssigkeit 6 im Behälter 5 durch die Nadel 7 in den Behälter 1 gedrückt, und zwar aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Innendruck des Behälters 1 und dem auf die Oberfläche der Flüssigkeit 6 einwirkenden Druck (d. h. Atmosphärendruck).

Mit zunehmendem Einströmen der Flüssigkeit 6 nimmt das freie Volumen im Behälter 1 ab, während der Innendruck des Behäl­ ters allmählich zunimmt. Das Einströmen der Flüssigkeit setzt sich solange fort, bis der Innendruck des Behälters 1 Atmosphärendruck erreicht.

Während des Einströmens der Flüssigkeit werden Änderungen des Innendrucks des Behälters 1 durch den Drucksensor 9 ge­ messen und in elektrische Signale umgewandelt, die dann mit Hilfe des A/D-Umsetzers 10 in Digitalsignale umgewandelt werden. Die Ausgangssignale des A/D-Umsetzers 10 werden dem Computer 11 in bestimmten Zeitintervallen zugeführt, um Än­ derungen des Innendrucks des Behälters 1 festzustellen. Diese Druckänderungen werden in Volumenänderungen des freien Raumes des Behälters 1 auf der Basis des Boyle′schen Geset­ zes umgewandelt.

Die Änderungsgeschwindigkeit des Innendrucks des Behälters 1 während eines vorgegebenen Zeitraums hängt von der Strö­ mungsgeschwindigkeit der durch die Nadel 7 strömenden Flüs­ sigkeit ab, und diese Strömungsgeschwindigkeit der Flüssig­ keit variiert mit der Viskosität der Flüssigkeit. Daher kann die Viskosität der Flüssigkeit durch Messen der Änderung des Innendrucks des Behälters 1 ermittelt werden. Da der Visko­ sitätskoeffizient von im stationären Zustand strömenden Flüssigkeiten als Verhältnis der Scherbeanspruchung zum scheinbaren Schergefälle an einer Stelle der Wand der Nadel 7 definiert ist, und da die Scherbeanspruchung und das scheinbare Schergefälle von der Änderung des Innendrucks des Behälters 1 bzw. von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüs­ sigkeit abhängen, kann der Viskositätskoeffizient durch Be­ rechnen der Scherbeanspruchung und des scheinbaren Scherge­ fälles aus der Druckänderung des Behälters 1 und der Volu­ menänderung des freien Raumes im Behälter 1 mittels Glei­ chungen bestimmt werden, die theoretisch entsprechend dem Strömungsmodell von Flüssigkeiten abgeleitet wurden. Die Be­ rechnungen werden mit Hilfe des Computers 11 ausgeführt; die Programme zur Ermittlung der Viskosität von Flüssigkeiten werden hier weggelassen, da sie für die Erläuterung der Er­ findung nicht wesentlich sind.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen, evakuierten Behälters als Teil einer Vorrichtung zum Messen der Viskosität von Flüssigkeiten führt zu den folgenden Vorteilen:

• a) Die Effizienz der Messungen kann erheblich verbessert werden, und die Viskositätsmeßvorrichtung mit dem erfin­ dungsgemäßen, evakuierten Behälter kann zur Viskositäts­ messung von Blut eingesetzt werden, das eine vollstän­ dige Messung innerhalb von etwa 10 Minuten nach der Blutabnahme erfordert. Bei bekannten Viskosimetern muß die Viskosität der Flüssigkeit mehrmals bei verschie­ denen Druckdifferenzen gemessen werden, um die intrinsi­ sche Viskosität zu bestimmen. Im Gegensatz dazu muß bei einer Viskositätsmeßvorrichtung mit dem erfindungsge­ mäßen, evakuierten Behälter die Viskositätsmessung nicht wiederholt werden, da die Flüssigkeitsviskosität durch Messen des Innendrucks des Behälters ermittelt wird, der sich mit der Zeit kontinuierlich ändert: dabei wird die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck des Behälters und dem Atmosphärendruck bestimmt, und danach werden die entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssig­ keit aufgrund des Boyle′schen Gesetzes berechnet, so daß die Viskosität von Blut in einem Zeitraum von etwa 1 bis 2 Minuten gemessen werden kann, wobei lediglich eine ge­ ringe Menge der Flüssigkeit in der Größenordnung von 5 bis 8 ml erforderlich ist.
• b) Der evakuierte Behälter muß nach der Viskositätsmessung nicht gereinigt werden, da der Behälter weggeworfen wer­ den kann.
• c) Die erfindungsgemäßen, evakuierten Behälter können preiswert hergestellt werden, da sie einfach aufgebaut sind.
• d) Der erfindungsgemäße, evakuierte Behälter ermöglicht eine einfache Viskositätsmessung, da diese Messung da­ durch ausgelöst werden kann, daß man die Nadeln in die Dichtelemente des Behälters einsticht.
• e) Auch toxische Flüssigkeiten können gemessen werden, da die Flüssigkeit nie in Berührung mit der Bedienungsper­ son kommt.

Claims (6)

1. Evakuierter Behälter für Flüssigkeitsviskositätsmessun­ gen, mit einem Behälterkörper (2, 2′), der an beiden En­ den offen ist, und mit einem Paar Dichtelementen (3, 4), durch die die beiden Offnungen des Behälterkörpers ver­ schließbar sind, wobei die Dichtelemente (3, 4) aus ei­ nem Material bestehen, das mittels einer Hohlnadel durchstochen werden kann und dessen durchstochener Teil sich nach dem Herausziehen der Nadel wieder schließt, und wobei der Innenraum des Behälters bis zu einem be­ stimmten Druck evakuiert ist.

2. Behälter nach Anspruch 1, wobei der Behälterkörper ein Hohlzylinder mit gleichförmiger Bohrung ist.

3. Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälterkörper an jedem Ende mit einem kleinen hohlzylindrischen Abschnitt versehen ist, der sich von jeder Endwand des Hohlzylinders in einer Richtung paral­ lel zur Zylinderachse erstreckt und mit dem Innenraum des Hohlzylinders in Verbindung steht.

4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dichtelemente (3, 4) in Form eines Stopfens ausgebildet sind und in die Öffnungen des Behälters passen.

5. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtelemente in Form einer Kappe ausgebildet sind.

6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtelemente aus einem Material bestehen bzw. der Durchstechabschnitt der Dichtelemente aus einem Material bestehen, das die Gruppe der synthe­ tischen Kautschuke und Naturkautschuke umfaßt.