DE60312737T2

DE60312737T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Blutbestandteilen

Info

Publication number: DE60312737T2
Application number: DE60312737T
Authority: DE
Inventors: Magnus Petterson; Anna Dahlström; Hans Petterson
Original assignee: Optoq AB
Current assignee: Optoq AB
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: WO2004057313A1; ATE357652T1; EP1748292A1; US20050243303A1; DE60312737D1; JP4643273B2; CA2501360C; US20080275320A1; EP1579196B1; CA2501360A1; EP1579196A1; ES2285200T3; AU2003291591A1; JP2006510902A; US7420658B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Hämatokrit ist die Konzentration der roten Blutkörperchen (RBC) im Blut. Die Messung von Hämatokrit-Werten ist von großer Bedeutung bei der Beurteilung des Zustands eines Patienten. Die übliche Methode zur Messung von Hämatokrit sieht vor, dass Blut von einem Probanden (Patienten) genommen wird. Viele Methoden zur optischen Messung von Hämatokrit mit Hilfe von optischen Einrichtungen oder Ultraschalleinrichtungen wurden versucht und beispielsweise während einer Dialysebehandlung eines Patienten eingesetzt. Hierbei ist nicht nur die Höhe des Hämatokrit-Wertes von großer Bedeutung, sondern auch die relative Veränderung dieses Parameters. Um eine optimale aber sichere Dialysebehandlung durchzuführen, muss die Änderung des Hämatokrit-Wertes oder das relative Blutvolumen während der Behandlung überwacht werden. Die Versuche, diese Überwachung durchzuführen, haben bisher nicht zu einem Erzeugnis geführt, welches den Hämatokrit ohne eine Spezialkuvette messen kann, die in der Transportschlauchleitung integriert ist. Die bisher eingesetzten Methoden haben daher zu höheren Kosten bei der jeweiligen Dialysebehandlung geführt, da die Transportschlauchleitungen mit dieser Einweg-Kuvette versehen sein muss. Die vorliegende Erfindung macht keine spezielle Kuvetten erforderlich, sondern es wird die Möglichkeit bereitgestellt, den Hämatokrit zu messen oder die Änderung des relativen Blutvolumens direkt bei einer üblichen Dialysetransportschlauchleitung, die es auf dem Markt gibt, zu überwachen, ohne dass die Kosten bei der jeweiligen Behandlung größer werden.
Technisches Gebiet
Die Erfindung befasst sich mit der Messung von unterschiedlichen Blutbestandteilen mittels optischer Einrichtungen. Blut wird vorzugsweise mit einem Licht in der Nähe des Infrarotbereiches oder mit einem Infrarotlicht bestrahlt. Die Lichtstreuung und -dämpfung wird gemessen, und neuartige Kompensationen für die optischen Veränderungen in den Behältniswandungen, der Strömungen etc. werden eingesetzt, um die Blutbestandteile, wie Hämatokrit, zu ermitteln. Die Erfindung ermöglicht, dass eine solche Hämatokrit-Messung ohne nennenswerte Veränderungen in einem beliebigen Dialysesystem vorgenommen werden kann. Dieses zusätzliche Merkmal lässt Bluvolumenmessungen auf einfache Weise zu.
Stand der Technik
Hämatokrit wurde mit unterschiedlichen Methoden seit Anbeginn der medizinischen Diagnose gemessen. Eine ständige Messung ist insbesondere während der Dialysebehandlung vorteilhaft. Während des Dialyseverfahrens werden Flüssigkeiten aus dem Blutstrom extrahiert. Als Folge hiervon steigt der Hämatokrit-Wert während des Behandlungsverfahrens an. Um eine gute Qualität der Dialysebehandlung sicherzustellen, sollte der Hämatokrit-Wert überwacht werden, da dies dem behandelnden Personal wesentliche Informationen bezüglich der Fluidextraktionsrate aus dem Blutstrom des Patienten gibt.
Unterschiedliche Techniken wurden auf dem Gebiet der optischen Messungen von Hämatokrit im Blut eingesetzt. Einige machen Gebrauch von dem Streuef fekt von RBC bei einem durch das Blut in einem Behälter, einer Kuvette oder dergleichen gehenden Lichtstrahl. Oppenheimer gibt in US 5,601,080 ein Verfahren zur Messung des Streuungsgrades an, um Blutbestandteile zu ermitteln.
Andere Patente sind US 4,745,279 von Karkar, welches einen Streueffekt von Blut in einer Kuvette beschreibt. US 6,493,567 von Krivitski et al beschreibt ein Messinstrument, bei dem eine Licht emittierende Diode und ein Sensor eingesetzt werden. US 6,064,474 von Wylie et al beschreibt eine weitere Hämatokrit-Messmethode unter Einsatz des Streueffekts von RBC auf Licht. Die bekannten Verfahrensweisen und Einrichtungen liefern aber keine zufrieden stellende Präzision.
Aus US 6,388,752 ist ein optisches Messsystem zur Bestimmung von durchgeleiteter Strahlung und gestreuter Strahlung einer Flüssigkeitsprobe bekannt, welches ein Kapillarrohr enthält und bei der eine Messung mittels Strahlung erfolgt. Ein erster Detektor erfasst die durchgeleitete Strahlung und ist in der Nähe oder auf der Achse der Messstrahlung angeordnet. Ein zweiter Detektor ist in einem Abstand von dem ersten Detektor angeordnet und erfasst die gestreute Strahlung längs der Kapillarachse. Die beiden Detektoren liegen auf unterschiedlichen Seiten einer Ebene, welche die Kapillarachse enthält, die senkrecht zu der Achse der Messstrahlung ist.
Erfindung
Um die Schwierigkeiten beim Stand der Technik zu überwinden, wird eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, welche Lichtemitter aufweist, welche in Form einer Gruppe angeordnet sind, welche ein längliches Behältnis oder eine Schlauchleitung in Längsrichtung an einer Stelle um den Umfang des Behältnisses oder der Schlauchleitung umgibt. Eine Gruppe von Lichtdetektoren umgibt ebenfalls die Schlauchleitung oder das Behältnis an einer in Längsrichtung unterschiedlichen Stelle des Behältnisses oder der Schlauchleitung. Die Lichtstrahlemitter und -sensoren sind derart ausgefegt, dass die Sensorsektoren der Sensoren nicht den Strahl der Lichtquelle in dem Behältnis oder der Schlauchleitung schneiden.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Messen von Blutbestandteilen, beispielsweise der Dichte von Blutzellen im Blut mit einer Sensorvorrichtung der vorstehend genannten Art bereit, bei dem Messproben mit Gruppen genommen werden, welche einen Lichtemitter und einen oder zwei Detektoren in ein oder zwei Gruppen von Lichtdetektoren aufweisen.
Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren liefert Hematokrit-Werte mit unübertroffener Genauigkeit auf diesem Gebiet selbst dann, wenn man die Messung durch eine transparente Schlauchleitung vornimmt, welche sich hinsichtlich der Dicke und Gestalt ändert.
Man kann auch in Betracht ziehen, mehrere Paare von Sensoren versetzt längs der Schlauchleitung und stromauf und stromab einzusetzen, um die Genauigkeit der Präzision zu verbessern. Auch kann ein dritter Sensor zu jedem Paar hinzugefügt werden, wobei dieser dritte Sensor in der Nähe der Lichtquelle angeordnet wird.
Die Erhöhung der Empfindlichkeit bezüglich der relativen Änderungen wird größer, während eine kleinere Versetzung eine genauere absolute Messung des Hämatokrit-Wertes ermöglicht. Es ist daher möglich einen Satz von Sensoren einzusetzen, um einen Absolutwert zu erfassen und dann den Satz von weiter versetzten Sensoren einzusetzen, um die Werte während der Dialyse zu überwachen und zu kontrollieren.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen und der vorliegenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht einer optischen Sondenanordnung 1, welche Licht emittierende Dioden 5 in Öffnungen 4 in einem Gestell umfasst, welches zwei Hälften 2 und 3 aufweist, die passend zu einem Behältnis 8, wie einer Schlauchleitung für Blut 9, ausgelegt sind.
2 ist eine Schnittansicht einer optischen Sondenanordnung 1, welche Lichtdetektoren 6 in Öffnungen 4 in einem Gestell umfasst, welches zwei Hälften 2 und 3 aufweist, die passend zu einem Behältnis 8, wie einer Schlauchleitung für Blut 9 ausgelegt sind.
3 zeigt die Anordnung der Gruppe von Lichtdetektoren 5 und Licht emittierenden Dioden 6 der optischen Sondenanordnung 1. Hierbei wird ein Vorschlag unterbreitet, bei dem die Gruppen nach den 1 und 2 an Stellen "A-A" für Licht emittierende Dioden und mit "B-B" für Lichtdetektoren angegeben sind.
4 zeigt die Anordnung einer zweiten Gruppe von Lichtdetektoren 7.
5 zeigt die optische Sondenanordnung 1 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform von Licht emittierenden Dioden 9 und Photodetektoren 8.
6 zeigt die erhaltenen Hämatokrit-Werte unter Bezugnahme auf die Messungen, welche in einem klinischen Labor vorgenommen wurden.
Beschreibung
Es wurden sehr gute Ergebnisse unter Einsatz der folgenden Anordnung von Licht emittierenden Dioden (LED's) und Photodetektoren erhalten, wenn Hämatrokrit-Werte zu erfassen waren. Diese Werte stimmen sehr gut mit laborgewonnenen Referenzwerten überein.
Vier LED's sind vorzugsweise – aber nicht beschränkend – senkrecht zueinander um ein Behältnis, wie eine Schlauchleitung, für Blut entsprechend 1 angeordnet. Die Lichtdetektoren sind auf eine solche Weise angeordnet, dass sie in ähnlicher Weise vorzugsweise senkrecht zueinander nach 2 angeordnet sind, aber in Längsrichtung in dem von dem LED's gebildeten Umkreis in einem Abstand angeordnet sind, wie dies in 3 verdeutlicht ist. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Umkreis von Lichtdetektoren in passender Weise vorgesehen. Eine solche Anordnung ergibt sich aus 4.
Die Anordnung aus LED und Photodektor sollte zum besseren Verständnis als Gruppen von LED's und Photodetektoren angesehen werden. Beispielsweise bildet LED 5a und der Photodetektor 6b eine Gruppe. Eine weitere Gruppe kann die LED 5b und den Photodetektor 6a und 6c umfassen. Es ist noch anzumerken, dass keine der LED's und der Photodetektoren derart ausgerichtet sind, dass sie direkt durchgeleitetes Licht erfassen können. Die Erfindung nutzt nicht direkt durchgeleitetes Licht, wie dies häufig beim Stand der Technik der Fall ist. Eine Lichtprobe, die von einer Gruppe aus einem oder mehreren Photodetektoren erfasst worden ist, kann innerhalb einer kurzen Zeit genommen werden. Eine weitere Probe kann von der gleichen oder einer weiteren Gruppe als eine zweite Probe genommen werden. Vorzugsweise wird eine erste Probe von einer ersten Gruppe genommen, welche die LED 5a und die Lichtdetektoren 6b und 6d aufweist, und eine zweite Probe wird von einer zweiten Gruppe genommen, welche die LED 5b und die Lichtdetektoren 6a und 6c aufweist, und es wird eine dritte Probe von einer dritten Gruppe genommen, welche die LED 5c und die Lichtdetektoren 6b und 6d aufweist, und schließlich wird eine vierte Probe von einer vierten Gruppe genommen, welche die LED 5d und die Lichtdetektoren 6a und 6c aufweist. Ein erstes Ergebnis wird von diesen vier sequentiell genommenen Proben mittels Signalverarbeitung abgeleitet. Diese Verarbeitung kann das Variieren von Verstärkungsfaktoren für die Signale von den Detektoren umfassen, um die Detektion des zu messenden Blutbestandteils zu verbessern. Hierdurch erhält man ein erstes Ergebnis für die Blutbestandteile, wie Hämatokrit. Bei dieser Vorgehensweise werden die von Abweichungen der Querschnittsgestalt herrührenden sich ändernden Strömungsmuster im Behältnis reduziert. Eine weitere Ermittelung kann die Auswirkung der Behältniswandung auf die Messung reduzieren. Dies ist von großem Vorteil, wenn das Behältnis der extrakorporale Kreislauf eines Dialysesystems ist. Einer der Hauptvorteile nach der Erfindung ist darin zu sehen, dass man eine neuartige Möglichkeit hat, um Hämatokrit durch die Wandungen des extrakorporalen Kreislaufs der Dialysebehandlung zu messen, insbesondere durch die so genannte Transportschlauchleitung in dem Kreislauf. Es ist von großem Vorteil, dass keine speziellen Kuvetten oder andere besondere Einrichtungen an den Einweg-Blutleitungen erforderlich sind. Diese Verfahrensweise macht es überflüssig, besondere Schlauchleitungen an dem extrakorporalen Kreislauf vorzusehen. Hierdurch lassen sich beträchtliche Kosten bei der Gesundheitsversorgung einsparen. Wenn man die hierbei angegebene Einzelvorrichtung auf eine Transportleitung passend anwendet, erhält man auch den Vorteil, dass die Sonde nicht die Funktion des Dialysesystems behindert. Auch erhält man die äußerst vorteilhafte Möglichkeit, jegliches vorhandene Dialysesystem mit der Messung von Hämatokrit nachzurüsten, selbst wenn hierfür keine Vorbereitungen getroffen waren. Folglich lassen sich Blutvolumenänderungen ermitteln und anzeigen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung werden zwei Gruppen von Detektoren eingesetzt. Stromabwärts (oder stromaufwärts) einer Blutströmung in einem Behältnis, wie einer Schlauchleitung, ist in passender Weise eine zweite Gruppe von Detektoren angeordnet. Dies ist beispielsweise aus 4 zu ersehen. Die mathematische Signalverarbeitung lässt sich dadurch verbessern, wenn man diese "zweite Gruppe" von Detektoren in die Signalverarbeitung mit einbezieht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ist eine zweite Anordnung von LED's und Photodetektoren vorgesehen, welche in passender Weise eine zweite Gruppe von Detektoren umfasst. Dies ist beispielsweise in 5 verdeutlicht. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform geben die LED's Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ab. Hierdurch wird eine begrenzte Spektralanalyse zur weiteren Ermittlung von Blutbestandteilen ermöglicht, wie beispielsweise die Hämoglobinsättigung. Die Ergebnisse, die man von der zweiten Gruppe erhält, können zweckmäßigerweise bei einer Signalverarbeitung mit Werten verknüpft werden, welche man von der vorstehend beschriebenen ersten Gruppe erhalten hat. Eine solche Signalverarbeitung ermöglicht nicht nur die Ausgabe aller Parameter von den Blutbestandteilen, sondern der Sättigungswert beeinflusst die Signaleingänge von der ersten Gruppe bei der Signalverarbeitung. Dies ist von Vorteil, da die Blutsättigung die ersten Ergebnisse für die Blutbestandteile von der ersten Verarbeitung mittels der ersten Gruppe beeinflussen kann.
In der Zeichnung und in der voranstehenden Beschreibung ist eine transparente Bluttransportschlauchleitung gezeigt, welche zwischen zwei im Wesentlichen V-förmigen Profilen eingespannt ist, in deren Wandungen die LED's und die Sensoren angeordnet sind. Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform können V-förmige Ausnehmungen in Blöcken eingesetzt werden, mittels denen die Schlauchleitung eingespannt und verformt wird, so dass die Wandungen derselben im Wesentlichen an den LED's und den Sensoren abgeflacht sind.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Sensoren in kleinen Öffnungen mit noch kleineren Öffnungen angeordnet werden, welche als Kollimatoren in Richtung auf die Schlauchleitung dienen.
Bis heute ist es nicht eindeutig, warum die erfundene Messmethode dem Stand der Technik überlegen ist, wobei eine Theorie darin gesehen werden könnte, dass die Versetzung zwischen den Sensoren und der Lichtquelle vorhanden ist. Nur Licht, welches von dem Blutvolumen in dem Lichtgang gestreut worden ist, und zu dem Sensorsektor des Sensors gelangt und von diesem in dem Sensor selbst wird bei dieser Messmethode erfasst. In anderen Worten bedeutet dies, dass nur Licht den Sensor erreicht, welches wenigstens zweimal gestreut worden ist. Wenn man die Quelle und den Sensor senkrecht zu den Blutzellen bezüglich eines Hauptteils des Schlauchleitungsquerschnitts anordnet, so kann dies dazu beitragen, dass die Signale von den Sensoren eine Funktion des Hämatokrit-Wertes sind.

Claims

Sensorvorrichtung zur Messung von Blutbestandteilen, beispielsweise zur Messung der Dichte der Blutzellen im Blut, bei der Licht wenigstens zwei mal gestreut wird, und welche Lichtemitter aufweist, welche als eine Gruppe angeordnet sind, die ein längliches Behältnis oder eine Schlauchleitung in Längsrichtung an einer Stelle um den Umfang des Behältnisses oder der Schlauchleitung umgibt, ferner eine Gruppe von Lichtdetektoren aufweist, welche ebenfalls die Schlauchleitung oder das Behältnis an einer in Längsrichtung unterschiedlichen Stelle des Behältnisses oder der Schlauchleitung umgeben, wobei die Lichtemitter und -sensoren derart ausgelegt sind, dass die Sensorsektoren der Sensoren nicht den Strahl der Lichtquelle in dem Behältnis oder der Schlauchleitung schneiden.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine zweite Gruppe von Lichtdetektoren in Längsrichtung an einer dritten Stelle angeordnet ist, welche das Behältnis oder die Schlauchleitung umgibt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, bei der eine dritte Gruppe von Lichtdetektoren in Längsrichtung an einer vierten Stelle angeordnet ist, die das Behältnis oder die Schlauchleitung umgibt, und bei der eine zweite Gruppe von lichtemittierenden Dioden in Längsrichtung an einer fünften Stelle angeordnet sind, welche das Behältnis oder die Schlauchleitung umgibt.
Sensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Halter mit V-förmigen Ausnehmungen für das Behältnis oder die Schlauchleitung aufweist, so dass der Schlauchleitung ein quadratischer Querschnitt verliehen wird, und dass die Lichtquellen und -sensoren an den abgeflachten Flächen der Schlauchleitung angeordnet sind.
Verfahren zum Messen von Blutbestandteilen, beispielsweise zum Messen der Dicht von Blutzellen im Blut mit einer Sensoreinrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der Lichtemitter als eine Gruppe angeordnet sind, welche ein längliches Behältnis oder eine Schlauchleitung an einer in Längsrichtung liegenden ersten Stelle um den Umfang des Behältnisses oder der Schlauchleitung umgibt, und bei der Lichtdetektoren angeordnet sind, welche das Behältnis oder die Schlauchleitung an einer unterschiedlichen Umfangsstelle umgeben, wobei die Lichtemitter und -detektoren derart ausgerichtet sind, dass die Sensorsektoren der Lichtdetektoren nicht den Strahl der Lichtquelle im Volumen schneiden, wobei die Messproben mit Gruppen genommen werden, welche einen Lichtemitter und ein oder zwei Detektoren in ein oder zwei Gruppen von Lichtdetektoren aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine sequenzielle Probenahme von den Gruppen aus Lichtemittern und Detektoren um die Schlauchleitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe von Lichtemitter und Detektoren einen Lichtemitter aus ein und derselben Gruppe von Lichtemittern und Lichtdetektoren aus ein und derselben Gruppe von Lichtdetektoren aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit bezüglich relativen Änderungen mit dem Abstand zwischen der Lichtdetektorgruppe und der Lichtemittergruppe gesteuert wird, wobei die Empfindlichkeit bezüglich den relativen Änderungen mit dem Abstand größer wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Anordnung von lichtemittierenden Dioden und eine zweite Gruppe von Detektoren vorgesehen sind, diese lichtemittierenden Dioden Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge abgeben, um eine begrenzte Spektralanalyse für die weitere Ermittlung der Blutbestandteile, wie die Sättigung von Haemoglobin, zu ermöglichen, und/oder den Sättigungswert zu erfassen, welcher die Eingangssignale von der ersten Gruppe beeinflusst.