-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen
Detektor für Geräte zum Messen einer Substanz in einer Flüssigkeit.
-
Insbesondere läßt sich die vorliegende Erfindung vorteilhaft in
Geräten zum Messen des Hämoglobins in in einem extrakorporalen
Kreislauf, der an das Gefäßsystem eines Patienten angeschloßen ist, an
dem eine Behandlung des Blutes (Dialyse, Oxygenierung usw.)
vorgenommen wird, fließendem Vollblut einsetzen.
-
EP 0 059 140 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen einer
Substanz in einer in einem Rohr fließenden Flüssigkeit, die einen Körper
mit zwei parallelen Aufnahmen enthält, und zwar einer ersten Aufnahme
für ein durchsichtiges Rohr, in dem die die Substanz enthaltende
Flüssigkeit im Kreislauf geführt wird, und einer zweiten Aufnahme für
ein durchsichtiges Rohr für eine Vergleichsflüssigkeit. Eine
Lichtstrahlungsquelle ist in einer Ausnehmung zwischen den zwei
Aufnahmen so angeordnet, daß die ausgesandte Lichtstrahlung durch
jedes der Rohre treten und auf einen entlang jedem Rohr gegenüber der
Lichtstrahlungsquelle angeordneten Photodetektor treffen kann. Die
beiden Detektoren sind an einem Differenzialverstärker angeschlossen.
-
US 4 136 818 beschreibt eine Vorrichtung zum Festhalten einer
durchsichtigen Röhre im Strahlengang in einem Schlitz in einer oberen
Oberfläche eines optischen Sensors, um die durch die Röhre
durchtretende Lichtmenge zu erfassen und um den optischen Sensor
gegen aus externen Quellen stammendes Licht abzuschirmen.
-
EP 0 120 565 beschreibt einen Wandlerhalterungsaufbau zur
Verwendung in Verbindung mit Geräten zur Messung des Anteils an
Feststoffteilchen in einer durch ein Rohr fließenden Suspension, mit
einer aufklappbaren Manschette, die rund um einen Abschnitt des Rohrs
befestigt werden kann. Eine Strahlungsenergiequelle ist an einem ersten
Ort am Umfang der Manschette gehaltert, um diffuse Strahlungsenergie
in das Rohr einzustrahlen. Ein erster Strahlungsenergiedetektor ist an
einem zweiten Ort am Umfang der Manschette gehaltert, um beim
Durchfließen einer Suspension durch das Rohr vorwärtsgestreute diffuse
Energie im Rohr zu erfassen. Ein zweiter Strahlungsenergiedetektor ist
an einem dritten Ort am Umfang der Manschette, benachbart dem ersten
Ort, gehaltert, um durch eine durch das Rohr fließende Suspension
rückwärtsgestreute diffuse Energie im Rohr zu erfassen.
-
Zu den aus dem Stand der Technik bekannten Detektoren zählt eine
Schelle mit einer Aufnahme für eine durchsichtige Röhre, die
geschlossen wird, um die Röhre während der Durchführung von Messungen
festzuhalten. Die Schelle umfaßt eine Strahlungsquelle mit einer
bestimmten Wellenlänge sowie einen optischen Sensor zum Erfassen der
von der zu messenden, in der in der Röhre fließenden Flüssigkeit
vorliegenden Substanz nicht absorbierten Strahlungsintensität. Dabei
wählt man die Wellenlänge so, daß sie von dieser Substanz selektiv
absorbiert wird.
-
Zuverlässig sind derartige optische Detektoren zur Messung einer
Substanz in einer Flüssigkeit dann, wenn die Abschwächung des sich
durch die Flüssigkeit fortpflanzenden Lichts ausschließlich durch
Absorption verursacht wird. In diesem Fall kann, da die Wellenlänge des
Lichts und die optische Weglänge bekannt sind, die Konzentratiön der
Substanz durch Anwendung des Beer Gesetzes berechnet werden:
-
P&sub2; = P1e-ecL
-
wobei P&sub1; die einfallende Energie, P&sub2; die in dem Lichtstrahl nach
Zurücklegen einer Weglänge L durch die die zu messende Substanz
enthaltende Flüssigkeit verbleibende Energie, c die Konzentration der
Substanz und e deren Absorptionskoeffizienten bedeuten, wobei dieser
Koeffizient eine Funktion der Wellenlänge ist. Dieses Gesetz ist
insbesondere auf die Bestimmung der Hämoglobinkonzentration in
hämolysiertem Blut anzuwenden, d.h. in Blut, in dem die roten
Blutkörperchen zerstört worden sind und so ihr Hämoglobin freigesetzt
haben.
-
Diese optischen Detektoren verlieren aber an Interesse, wenn die
Abschwächung des Lichts durch die Flüssigkeit nicht ausschließlich
durch Absorption verursacht wird und die Konzentration der zu
messenden Substanz daher nicht mehr durch das Beer Gesetz berechnet
werden kann. Das trifft insbesondere dann zu, wenn es sich bei der zu
messenden Substanz um Hämoglobin in Vollblut handelt, da die
Abschwächung von sich durch Vollblut fortpflanzendem Licht auf ein
komplexes Zusammenwirken von Absorption und Streuung zurückgeht,
wobei letztere vor allem durch Reflexion und Brechung des Lichtes durch
rote Blutkörperchen verursacht wird, die vielfache Änderungen der
Fortpflanzungsrichtung bewirken.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen optischen
Detektor zur Verfügung zu stellen, durch den insbesondere die
unerwünschte Lichtstreuung in einer eine zu messende Substanz
enthaltenden Flüssigkeit erheblich verringert und so ein Signal geliefert
werden kann, das eine genaue Bestimmung der Konzentration der
Substanz ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen optischen
Detektor für Geräte zum Messen einer Substanz in einer in einem
durchsichtigen Behälter vorliegenden Flüssigkeit gelöst, wobei der
Detektor einen Körper mit einer Aufnahme für den Behälter, eine
Lichtstrahlurigsquelle sowie einen optischen Sensor umfaßt, die quer zu der
Aufnahme ausgerichtet und so in entsprechenden Ausnehmungen im
Körper untergebracht sind, daß sie auf den in der Aufnahme
aufgenommenen Behälter gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aufnahme eine die Lichtstrahlung reflektierende Aufnahmefläche
aufweist.
-
Dank dieser Eigenschaft wird die Genauigkeit des vorstehend
erwähnten Detektortyps erheblich verbessert. Zum Beispiel ist es mit
einem erfindungsgemäßen Hämoglobindetektor möglich, die
Hämoglobinkonzentration im Vollblut mit einer durchschnittlichen
Abweichung von nur ca. 2,5% gegenüber der entsprechenden Messung in
hämolysiertem Blut zu messen, während diese Abweichung bei einem
herkömmlichen Detektor etwa 16% beträgt.
-
Um ein noch besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu
vermitteln, sei nachstehend eine beispielhaft dargestellte bevorzugte
Ausführungsform des optischen Detektors anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
-
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Detektors in offenem Zustand darstellt;
-
Figur 2 eine Querschnittsdarstellung des Detektors in
geschlossenem Zustand zeigt;
-
Figur 3 den Querschnitt der Figur 2 in offenem Zustand darstellt.
-
Was Figur 1 betrifft, so bezeichnet die Ziffer 5 gattungsmäßig
einen optischen Detektor für Geräte zur Messung des Hämoglobins im in
einer durch Strichpunktlinien angedeuteten Röhre für klinische Zwecke 6
fließenden Blut. Die Röhre 6 hat einen annähernd konstanten
kreisförmigen Querschnitt und besteht aus einem biegsamen,
durchsichtigen Kunststoffmaterial, zum Beispiel Polyvinylchlorid (PVC).
Sie kann auf bekannte Weise an das Gefäßsystem eines Patienten
angeschlossen werden, zum Beispiel eines Patienten, an dem eine
Dialyse vorgenommen wird.
-
Detektor 5 umfaßt einen Körper aus zwei Teilen, nämlich einem
Unterteil 8 und einem Deckel 7 aus einem lichtundurchlässigen Material
(Kunststoff, Metall usw.), das den Durchtritt von Licht oder
Infrarotstrahlung völlig ausschließt.
-
Das Unterteil 8 und der Deckel 7 sind mittels eines Stiftes 9
aneinander angelenkt und grenzen gemeinsam eine im wesentlichen
zylindrische Aufnahme 11 ab, die die Röhre 6 aufnehmen kann. Sie sind in
einer hinsichtlich Aufnahme 11 diametralen Ebene 12 so
zusammengefügt, daß der Teil der Aufnahme 11 in jedem Teil des
Körpers einen Halbzylinder darstellt. Die Aufnahme 11 erstreckt sich
über den Körper des Detektors hinaus als zwei herausragende, sich
jeweils von den Seitenflächen des Körpers erstreckende Glieder 29, 30.
Jedes der herausragenden Glieder 29, 30 umfaßt zwei
halbröhrenförmige, jeweils mit dem Deckel 7 und dem Unterteil 8 eine
Einheit bildende und gemeinsam ein äußerstes Ende 11', 11" der
Aufnahme 11 bildende Teile.
-
Vorteilhafterweise weisen die herausragenden Glieder 29 und 30
eine solche Länge auf, daß die Gesamtlänge der Aufnahme 11, 11', 11"
des Detektors 5 mindestens das Vierfache des Durchmessers der Röhre 6
beträgt. Diese hat im allgemeinen einen Durchmesser um 6,5 mm.
Insbesondere liegt die Länge jedes herausragenden Gliedes 29 und 30 in
der selben Größenordnung wie die Breite "I" des Körpers 7, 8. Zum
Beispiel kann die Breite des Körpers 7,8 um 20 mm liegen, so daß die
Gesamtlänge "L" des ganzen Detektors 5 um 60 mm liegen kann.
-
Dank dieser herausragenden Glieder 29 und 30 wird in
geschlossenem Zustand des Detektors 5 (Figur 2) die Röhre 6 über eine
beträchtliche Länge in einer geraden Linie festgehalten. Auch wird durch
die herausragenden Glieder 29 und 30 sichergestellt, daß in die Röhre 6
von außen eintretende Störstrahlung (zum Beispiel Umgebungslicht)
durch Diffusion weitgehend absorbiert wird, bevor sie den mittleren Teil
der Aufnahme 11 erreicht, wo die Lichtaussendungs- und
Erfassungselemente des Detektors angeordnet sind, wie nachfolgend
beschrieben.
-
Erfindungsgemäß werden die Innenflächen der Aufnahme 11, 11',
11" durch entsprechende Behandlung verspiegelt, zum Beispiel durch
Beschichten oder Polieren. So wird die Auswirkung der Streuung in der
Flüssigkeit wesentlich herabgesetzt, da diese Aufnahmen hinsichtlich
der von den in der gemessenen Substanz vorhandenen korpuskularen
Bestandteilen abgelenkten Strahlung als reine Reflektoren wirken.
-
Der Deckel 7 auf der dem Stift 9 gegenüberliegenden Seite ist mit
einer Rippe 13 versehen, an der ein Haken 14 einrasten kann. Dieser ist
an einem Stift 16 im Unterteil 8 angelenkt und wird durch eine
Druckfeder 17 in eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn gedrückt (Figur
2). Ist der Haken 14 an der Rippe 13 eingerastet, so bleibt er zwischen
den zwei Flanschen 15 des Deckels 7 eingeschlossen, während Deckel 7
und Unterteil 8 zugehalten werden und eine etwa zwischen sie
eingeführte Röhre 6 festhalten.
-
Indem man auf den Haken 14 in Richtung des Pfeils "a" in Figur 3
drückt, um die von der Feder 17 ausgeübte Rückstellkraft zu überwinden,
löst sich der Haken 14 von der Rippe 13, so daß der Deckel 7 geöffnet
werden kann, indem man ihn in Richtung des Pfeils "b" dreht. Eine
gebrauchte Röhre 6 kann daher aus der Aufnahme 11 in herausgenommen
und eine andere eingesetzt werden.
-
Deckel 7 ist mit einer Ausnehmung 21 versehen, in der eine Quelle
22 für Lichtstrahlung mit einer ausgewählten Wellenlänge in einem
eingeschränkten Bereich des Infrarotsspektrums untergebracht ist. Die
wichtigsten absorbierenden Blutkomponenten bei Wellenlängen im nahen
Infrarot sind nämlich Hämoglobin (Hb) und Oxyhämoglobin (HbO&sub2;). Bei
einer Wellenlänge zwischen 805 und 810 nm sind die
Absorptionskoeffizienten der zwei Komponenten gleich. Bei dieser
isosbestischen Wellenlänge wird die Lichtabsorption durch Umwandlung
zwischen Hb und HbO&sub2; nicht beeinflußt, hängt jedoch von der Summe der
Konzentrationen der zwei Komponenten ab.
-
Zum Beispiel kann im Deckel 7 eine Leuchtdiode, nachstehend als
LED ("Light Emitting Diode") bezeichnet, zum Einsatz gelangen, und diese
LED ist mit Hilfe von Leitern 24 an eine elektrische Schaltung (nicht
dargestellt) des Meßgerätes angeschlossen.
-
Entsprechend ist das Unterteil 8 mit einer Ausnehmung 26
versehen, in der ein optischer Sensor 27 untergebracht ist, zum Beispiel
eine Photodiode oder ein Phototransistor. Dieser kann auf die Intensität
der empfangenen Lichtstrahlung ansprechen, die jenen Teil der von LED
22 ausgesandten Strahlung darstellt, der von dem in der Röhre 6
fließenden Blut nicht absorbiert wird.
-
Der Sensor 27 liefert daher ein Signal mit einem dieser Intensität
entsprechendem Pegel. Da diese Absorption auf das Hämoglobin
zurückgeht, kann das Meßgerät (nicht dargestellt) aus dem Pegel des
vom Sensor 27 abgegebenen Signals ein Maß für die Konzentration dieses
Hämoglobins gewinnen.
-
Die Ausnehmungen 21 und 26 sind in dem Deckel 7 und Unterteil 8
so angeordnet, daß bei geschlossenem Detektor LED 22 und Sensor 27
entlang einer Achse 28 ausgerichtet sind, die senkrecht zur Aufnahme
11 und daher auch zur Röhre 6 steht. Die Achse 28 steht auch senkrecht
zur Berührungsebene 12.
-
Auch ist der Deckel 7 mit einer Ausnehmung 31 versehen, in der
ein weiterer optischer Sensor 32 angeordnet ist. Die Ausnehmung 31
erstreckt sich in ein zur Achse 28 senkrecht verlaufendes zylindrisches
Loch 33, wodurch der Sensor 32 Strahlung direkt von LED 22 empfangen
kann. Der Sensor 32 ist an eine bekannte elektronische
Korrekturschaltung angeschlossen, mittels derer das Gerät die
gelieferte Messung unter Berücksichtigung der optischen
Verschlechterung der LED 22 korrigieren kann.
-
Damit die Röhre 6 als zylindrische Linse wirken kann, bringt man
sie in eine entsprechende Lage hinsichtlich einer Emissionsquelle oder
eines Punktes, auf den hin das Lichtbündel fokussiert werden soll.
-
Insbesondere sind das vordere Ende der LED 22 und die Röhre 6 in einem
solchen Abstand D&sub1; voneinander angeordnet, daß die von LED 22
ausgehenden und auf die gekrümmte Oberfläche der Röhre 6 einfallenden
Lichtstrahlen annähernd an einem in der Achse einer Röhre 6 selbst
angeordneten Brennpunkt gebündelt werden. Ebenso ist Sensor 27 in
einem solchen Abstand D&sub2; von der Röhre 6 angeordnet, daß die
Lichtstrahlen nach Verlassen des Brennpunkts bei Einfall auf die Innenfläche
der Röhre 6 von der Röhre 6 gebrochen werden und annähernd parallel an
einer empfindlichen Oberfläche 35 des Sensors 27 ankommen.
-
Es versteht sich, daß an dem beschriebenen Detektor 5
verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen vorgenommen werden
können, ohne dadurch über den Schutzbereich der Ansprüche
hinauszugehen.