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Meßeinrichtung zur Untersuchung der Bewegungen von Organen im Innern
des menschlichen Körpers Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Untersuchung
der Bewegungen von Organen im Innern des menschlichen Körpers, bei der ein Sender
für elektrische Strahlungen vor und ein Empfänger hinter dem Körper angeordnet sind.
Die Erfindung besteht darin, daß Ultrakurzwellen und in der Ultrakurzwellentechnik
bekannte Sende- und Empfangseinrichtungen Anwendung finden.
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In neuerer Zeit haben alle Methoden, welche die funktionelle Tätigkeit
von Organen im Körperinnern; insbesondere des Herzens, objektiv zu registrieren
erlauben, stark an Bedeutung gewonnen. Unter diesen Methoden steht an erster Stelle
die Elektrokardiographie, und dahinter folgen Venen- und Radialispulsregistrierungen
sowie Registrierungen des Herzschalls. Der Elektrokardiographie liegt unmittelbar
ein physikalischer Effekt, nämlich derjenige der von der Herzmuskulatur bei jeder
Kontraktion erzeugten bioelektrischen Aktionsströme, zugrunde. Die Elektrokardiographie
kann aber nur den zeitlichen Verlauf des Aktionsstromes liefern und läßt damit zugleich
seine pathologischen Veränderungen erkennen, ermöglicht aber keine eigentliche Funktionsprüfung
des Herzens. Man ist daher keinesfalls in der Lage, wie man wohl früher gehofft
hatte, aus dem Elektrokardiogramm ein Maß für die Herzarbeit oder für die im Fall
besonders großer Anstrengungen zur Verfügung stehende Kraftreserve des Herzmuskels
abzuleiten. Die Registrierung des Erregungsablaufs, der sich in erster Linie im
spezifischen Reizleitungssystem und nicht einmal in der eigentlichen Kammermuskulatur
abspielt, besagt über die Funktionstüchtigkeit des Herzens wenig; sie ist vielmehr
als eine rein morphologische, nicht aber als eine funktionelle Untersuchungsmethode
anzusehen.
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Um die vom Herzmuskel unter normalen Verhältnissen sowie auch bei
oder unmittelbar nach besonders großen körperlichen Anstrengungen geleistete Arbeit
meßtechnisch zu erfassen und auf objektive Weise zu einer diagrammatischen Darstellung
bzw. Registrierung zu bringen, ist man dazu übergegangen, das Herz bzw. den Brustkorb
zwischen die Platten eines Kondensators zubringen und nun die Kapazitätsschwankungen
zubeobachten, die durch die rhythmischen Schwankungen des als Dielektrikum mit veränderlicher
Dichte wirkenden Herzens, d. h. durch die Herzrevolutionen entstehen. Da sich das
Herz, dessen Dielektrizitätskonstante ungefähr mit der von Wasser übereinstimmt,
innerhalb der mit Luft gefüllten Brusthöhle befindet, bewirken die rhythmischen
Schwankungen der das Herz regelmäßig passierenden Blutwellen analoge Pulsationen
der Dielektrizitätskonstanten, so daß man aus deren Beobachtung unmittelbar auf
das Schlagvolumen des Herzens und damit auf die vom Herzmuskel geleistete Arbeit
Rückschlüsse ziehen kann.
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Die einfachste Methode, um die Größe des Schlagvolumens auf Grund
dieser rhythmischen Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten meßtechnisch verfolgen
zu können, besteht darin,
daß man den Brustkorb in das Feld eines
Kondensators bringt, dessen Belegungen auf konstantes Ruhepotential aufgeladen sind.
AlleVeränderungen in dem zwischen den Platten befindlichen Dielektrikum haben Schwankungen
der Plattenkapazität zur Folge, und hieraus resultieren proportionale Schwankungen
der Plattenpotentiale, wenn man dafür sorgt, daß die Ladung des Kondensators konstant
bleibt. Man braucht also nur die Kondensatorspannung mit einem elektrometrisch,
d.h. ohne Stromverbrauch arbeitenden Registrierinstrument zu verfolgen, um ein quantitatives
Maß für alle dielektrischen Veränderungen im Kondensatorfeld und damit für die Größe
des Schlagvolumens zu erhalten. Der praktischen Durchführung dieses an sich einfachen
Verfahrens stehen jedoch große Schwierigkeiten entgegen, und zwar einmal wegen der
hohen Anforderungen, die an die Isolation des Meßkondensators und des Meßgerätes
gestellt werden müssen, und zum anderen wegen der relativen Unempfindlichkeit, die
aus dem durch den Brustdurchmesser gegebenen großen Abstand der Kondensatorplatten,
den das Herz ja nur zum Teil ausfüllt, zwangsläufig resultiert. Nun hat sich aber
bei der Durchflutung des Thorax mit ultrakurzen Wellen, einer Methode, bei welcher
das Herz bekanntlich nicht einem stationären, sondern einem hochfrequenten Kondensatorfeld
ausgesetzt wird, herausgestellt, daß die rhythmischen Schwankungen des Herzdielektrikums
die hochfrequenten Schwingungsvorgänge so stark beeinflussen, d. h. so stark auf
den das Ultrakurzwellenfeld liefernden Hochfrequenzgenerator zurückwirken können,
daß sie an den dem Herzschlag entsprechenden Schwankungen des Anodenstroms der Senderöhre
kenntlich werden. Auf Grund dieser Beobachtung ist eine wesentliche verfeinerte
Meßmethode für das Schlagvolumen entwickelt worden, indem man den Kondensator, zwischen
dessen Platten sich das Herz befindet, als Kapazität eines Sekundärkreises schaltet,
diesen von einem besonderen Ultrakurzwellengenerator mit konstant bleibender Wellenlänge
und Energie erregt und nun die hochfrequenten Spannungsschwankungen am Sekundärkreis,
die sich als Folge der durch die Herzrevolutionen bedingten rhythmischen Verstimmungen
desselben ergeben, mit einem empfindlichen Spannungsindikator, beispielsweise mit
einem Röhrenvoltmeter, beobachtet und nach entsprechender Verstärkung registriert.
Damit sich die Kapazitätsschwankungen in bezug auf die sekundären Resonanzspannungen
optimal auswirken, muß die Einstellung der Apparatur nach der bekannten Methode
der halben Resonanzkurve vorgenommen werden.
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Wenn man bedenkt, daß es sich natürlich auch bei diesem Hochfrequenzverfahren
um außerordentlich geringe Kapazitätsschwankungen handelt, dann ist leicht einzusehen,
daß die Empfindlichkeit oder Meßgenauigkeit grundsätzlich um so höher wird, je kürzer
die für die Resonanzabstimmung in Frage kommende Wellenlänge des erregenden Primärsenders
gewählt werden kann. Nun ergeben sich aber aus den ttleren Dimensionen des menschlichen
Körpers, in erster Linie aus dem Brustdurchmesser, gewisse Mindestmaße für den Abstand
der Kondensatorplatten und den als kleinste Selbstinduktion einzusetzenden Verbindungsbügel,
der das Unterschreiten einer bestimmten Wellenlänge praktisch verhindert. Aus demselben
Grund ist man auch auf relativ kleine Kondensatorplatten angewiesen, so daß die
elektrischen Felllinien bei dem großen Plattenabstand keinesfalls mehr als parallel
laufend angesehen werden können, sondern tonnenförmige Ausbuchtungen aufweisen werden.
Aus dieser Tatsache ergibt sich, daß man nicht die durch ein bestimmtes, eng begrenztes
Raumvolumen des Herzens hindurchtretende Blutmenge messen kann, sondern daß man
gewissermaßen über das ganze Herzvolumen integriert. Gerade diese Erscheinung erschwert
aber die Auswertung der dielektrischen Schwankungskurve außerordentlich, weil sich
die Tätigkeit der Vorhöfe und Kammern, die zum Teil sogar gegenläufig erfolgt, nicht
mehr trennen läßt, sondern sich in dem das ganze Herz einschließenden Dielektrogramm
sogar bei der Aufzeichnung gegenseitig auslöschen kann.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, nämlich erstens um die dielektrische
Schlagvolumenregistrierung von der erwähnten Wellenlängebeschränkung frei zu machen
und zweitens um die Volumenregistrierung auf sehr kleine Raumvolumina im Körperinnern,
d. h. zum Beispiel auf die Vorhöfe oder die Kammern oder die großen Blutwege konzentrieren
zu können, wird gemäß der Erfindung ein ultrakurzweiliges Strahlenbündel verwendet,
welches durch den Thorax bzw. den Körper hindurchgeschickt wird. Dieser Wellenstrahl
erleidet auf seinem Weg durch den Körper dielektrische Beeinflussungen seiner Konzentration
sowie Energieabsorptionen, die im Rhythmus der Änderungen in dem durchlaufenen Zwischenmedium,
d. h. bei Durehflutung des Herzens, im Rhythmus der Schlagtätigkeit schwanken. Mißt
man erfindungsgemäß die Intensität des aus dem Körper wieder austretenden Wellenstrahls
mittels eines geeigneten, hinreichend trägheitslosen Wellenindikators, so lassen
sich die Rhythmusschwankungen und Herzrevolutionen gegebenenfalls nach vorheriger
Verstärkung registrieren und in bezug auf die Leistungsfähigkeit und Tätigkeit des
durchfluteten Organs auswerten. Man erkennt, daß bei dieser Methode für die Wahl
der Wellenlänge lediglich apparative Gesichtspunkte, d. h. der
allgemeine
Stand der Ultrakurzwellentechnik, maßgebend sind. Da sich ultrakurze elektrische
Wellen ähnlich wie Lichtwellen außerordentlich scharf bündeln lassen, ist man in
der Lage, aus dem Körper gewissermaßen einen schmalen Zylinder oder Kegel auszuschneiden,
wie er der Divergenz oder Konvergenz des in den Körper eindringenden Wellenstrahls
entspricht. Bei hinreichend scharfer Bündelung kann man beispielsweise die Tätigkeit
des rechten und des linken Herzventrikels für sich registrieren und bestimmte Schädigungen
einwandfrei lokalisieren. Der große Vorzug der neuen Methode gegenüber den bisher
bekannten Verfahren liegt also auf der Hand.
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An sich ist bereits vorgeschlagen worden, Volumenänderungen im Innern
des lebenden Körpers dadurch zu registrieren, daß der Körper mit Röntgenstrahlen
durchleuchtet wird, also mit einer Strahlung, die jenseits des optischen Lichtspektrums
liegt, und die durch verschiedene Energieabsorption entstehenden Intensitätsschwankungen
mittels einer Photozelle aufzunehmen und aufzuzeichnen. Die Durchleuchtung mit Röntgenstrahlen
ist aber gesundheitsschädigend, wobei hinzukommt, daß bei der Registrierung zahlreicher
Herzpulsationen die Durchleuchtung über längere Zeiträume hinweg vorgenommen werden
muß. Nachteilig ist ferner, daß Röntgenstrahlen den Körper trotz seiner nicht homogenen
Beschaffenheit im allgemeinen geradlinig durchdringen, so daß die Modulation nur
auf einer reinen Energieabsorbtion, d. h. auf der Helligkeit des austretenden Strahlenbündels,
beruht. Bei der geringen prozentualen Dilatation, die das menschliche Herz bei seinen
natürlichen Bewegungen beispielsweise in der Strahlenrichtung erfährt, sind die
Modulationsschwankungen außerordentlich gering, und sie sind nur schwer von dem
Störpegel, der von den übrigen nicht durchstrahlten Körperteilen herrührt, zu unterscheiden.
Diese Nachteile vermeidet der Gegenstand der Erfindung, da für die Fortpflanzung
von ultrakurzen elektrischen Wellen nicht die molekulare Struktur des durchfluteten
Mediums, sondern die makroskopische elektrische Definition, als da sind Leitfähigkeit
und Dielektrizitätskonstante, maßgebend sind. Dieser Umstand ermöglicht es, den
Ultrakurzwellenstrahl konvergent oder divergent durch den Körper hindurchzuschicken
und die Strahlenbrechung im Körper zur Modulation auszunutzen oder sogar stehende
Wellen zu erzeugen und die durch Änderung der Dielektrizitätskonstante bedingte
Knotenverschiebung mit heranzuziehen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung einige
Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.
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Gemäß Abb. r bedeutet 0 einen Ultrakurzwellengenerator zur Erzeugung
des Prüfstrahls, im vorliegenden Beispiel ein kleiner Mikrooszillator, bestehend
aus zwei Metallzylindern Y und Z, die mit Hochspannung gespeist werden und die durch
die zwischen ihnen übergehenden Funkenentladungen in elektrische Schwingungen versetzt
werden. Der ganze Oszillator befindet sich im Inneren einer metallischen Hohlkugel
K, aus der die Wellen nur durch den Tubus T in Form eines scharfen Wellenstrahls
austreten können.
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Der Strahl ist auf den menschlichen Körper P gerichtet und durchdringt
denselben an der Stelle, wo sich das durch Schraffur hervorgehobene Herz H befindet.
Im Rücken des Patienten befindet sich der Empfänger E, in diesem Fall ein einfacher
Detektordipol, der mit dem Verstärker V in Verbindung steht und auf den Oszillographen
S arbeitet, welcher seinerseits den Registrierstreifen R auf photographischem Wege
beschriftet. Man sieht leicht ein, daß es bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel
weniger auf Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten als auf Energieabsorption
durch das Blut ankommt, um den aus dem Körper austretenden Wellenstrahl in seiner
Intensität zu beeinflussen und um das Schlagvolumen auf dem Registrierstreifen R
zur Darstellung zu bringen. Um unbeabsichtigte Schwankungen der Senderintensität
zu eliminieren, die gerade bei Funkensendern bekanntlich schwer zu vermeiden sind,
ist noch ein Kontrollempfänger F vorgesehen, auf welchen ein Teil des Senderstrahls
vermittels der halbdurchlässigen Spiegelscheibe Q reflektiert wird. Die Ströme dieses
Empfängers werden den des Empfängers E entgegengeschaltet, so daß der Verstärker
V nur die durch das Schlagvolumen des Herzens bedingten Stromschwankungen zugeführt
erhält, während sich alle anderen Schwankungen des Senders selbst automatisch kompensieren.
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Da die Energieabsorption im Blut von zahlreichen unkontrollierbaren
Faktoren abhängt, wie z. B. von der Blutzusammensetzung und von der benutzten Wellenlänge,
und infolgedessen je nach den individuellen Verhältnizsen starken Schwankungen unterworfen
ist, welche eine absolute Eichung der Anordnung für verschiedene Patienten unmöglich
machen, ist in der Abb. 2 eine Anordnung gezeigt, bei welcher hauptsächlich die
Änderung der Dielektrizitätskonstanten innerhalb des vom Suchstrahl durchfluteten
Raumes zur Beeinflussung der Feldstärke am Empfangsort herangezogen wird. Zu diesem
Zweck wird von dem Sender 0 und dem parabolischen Reflektor K ein mehr oder weniger
konvergentes Strahlenbündel ausgesandt, welches -die volle Senderenergie auf den
im Rücken der Versuchsperson P befindlichen Empfänger E konzentriert. Da der Strahl
verschiedene Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten
nacheinander
passiert, wird er an den Trennungsschichten nach optischen Gesetzen gebrochen, so
daß der Fokus näher an den Sender heranrückt, als wenn sich der Strahl nur in Luft
fortpflanzen würde. Da sich nun die räumliche Ausdehnung der durchsetzten Schichtungen
im Rhythmus des Herzschlags periodisch verändert, resultieren auch periodische Verschiebungen
des Brennpunkts vom Sender weg und zu diesem hin, so daß man im Empfänger E wieder
Stromschwankungen erhält, welche registriert werden können und die Schlagtätigkeit
des Herzens erkennen lassen. Zweckmäßig wird man die Lage des Empfängers E so wählen,
daß sich der Fokus bei Füllung des Herzens vom Ort des Empfängers fortbewegt, weil
sich dann der Absorptionseffekt dem rein dielektrischen Effekt überlagert, während
im umgekehrten Fall die Gefahr einer Kompensation oder zum mindesten einer Empfindlichkeitsreduktion
besteht.
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Gegenüber der zuerst beschriebenen Anordnung weist die Anordnung nach
Abb. 2 den Nachteil auf, daß man wegen der Konvergenz des Strahlenbündels eine relativ
ausgedehnte Zone des Körpervolumens durchflutet, wodurch der Vorteil einer scharfen
Lokalisierung der Meßstelle wieder verlorengeht. Um nun auch die Beeinflussung eines
scharfen Strahlenbündels durch die Dielektrizitätskonstante des Herzens zu erzielen,
kann man'gemäß dem Schema der Abb. 3 so vorgehen, daß man zwischen einer hinter
dem Patienten P aufgestellten Reflexionswand W und dem Sender 0 stehende Wellen
erzeugt und deren Intensität mittels des Kontrollempfängers E oder an Rückwirkungen
auf den Sender selbst beobachtet. Bekanntlich erreicht die Intensität derartiger
stehender Wellen ein Maximum, wenn der Abstand zwischen W und 0 gleich nA/2
+ Z/4 (n = r, 2, 3 ... ) beträgt, weil sich an der Reflexionswand
ein Schwingungsknoten und am Sender ein Schwingungsbauch ausbilden muß. Diese Gesetzmäßigkeit
gilt natürlich nur dann, wenn das durchlaufene Medium zwischen W und 0 vollständig
homogen ist; sie wird gestört, sobald es sich um ein geschichtetes Medium handelt,
weil dann innerhalb der Zwischenschichten die im Verhältnis der Wurzeln aus den
Dielektrizitätskonstanten verkürzten Wellenlängen einzusetzen sind. Schwanken daher
die oder eine der durchsetzten Schichten in ihrer Ausdehnung oder in ihrer Dichte,
dann erfahren auch die stehenden Wellen entsprechende Intensitätsschwankungen, so
daß auch auf diese Weise die Herzrevolutionen registriert werden können. Man erkennt,
daß bei dieser Methode das Suchstrahlbündel in keiner Weise in seiner räumlichen
Ausdehnung beschränkt ist.
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Diese Beispiele mögen genügen, um den Erfindungsgedanken klar zu umreißen.
Selbstverständlich lassen sich die als besonders einfache Ausführungsbeispiele zu
betrachtenden Anordnungen noch bedeutend verbessern und verfeinern, wenn man an
Stelle der gedämpften Wellen eines Funkensenders mit ungedämpften Röhrenschwingungen.
arbeitet, die eine wesentlich größere Stabilität und Meßgenauigkeit verbürgen. Ebenso
kann an Stelle des in den Ausführungsbeispielen benutzten Detektors jeder andere
Empfänger, vor allem ein Röhrenempfänger, treten. Um eine Verstärkung hinter dem
Empfänger zu ermöglichen, erscheint es angebracht, den Sender mit einer nieder-
öder hochfrequenten Zwischenwelle zu modulieren und diese konstante Hilfsschwingung
nach erfolgter Verstärkung gegebenenfalls wieder auszusieben. Anstatt die Hilfsschwingungen
in einem besonderen Ton- oder Hochfrequenzgenerator zu erzeugen und dem Sender aufzumodulieren,
kann man sie auch durch Selbstmodulation des Röhrensenders herstellen oder dadurch,
daf man die Ausgangsspannungen des Empfängers auf den Sender zurückkoppelt, so daß
die ganze Anlage ins Pfeifen kommt. In analoger Weise lassen sich alle aus der Ultrakurzwellentechnik
bekannten Maßnahmen zur Empfindlichkeitssteigerung der Anordnung ausnutzen, ohne
von dem Grundprinzip des Verfahrens abzugehen.