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Verfahren und Vorriditung zur unblutigen Oximetrie
Die bekannten Meßverfahren
zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des Blutes machen von der Tatsache Gebrauch,
daß die Lichtabsorption von oxydiertem und reduziertem Blut im monochromatischen
Rotlicht von 600 mmcr eine gleiche ist. Die Cuvettenmessung des Blutes ist bisher
die einzig sichere, da sie nur zwei Faktoren enthält, nämlich den Gehalt an Sauerstoff
und die Hämoglobinsättigung. Der Sauerstoffgehalt wird durch Rotlichtabsorption
bestimmt, nachdem zuvor der Hämglobingehalt durch Infrarotmessung festgestellt worden
ist.
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Um zu einer unblutigen Messung zu kommen, wurden Körperteile, wie
Ohr oder Finger, direkt in den Lichtweg eingebracht und durch den Grad der Hellrotabsorption
nach empirischer Eichung der O2-Gehalt bestimmt Diese Messung unterliegt großen
Abweichungen, da der Grad der Absorption ja nicht nur durch den 02;Gehalt, sonden
vor allem durch das Maß der Durchblutung bestimmt wird.
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Um nun die Durchblutungsschwankungen möglichst zu kompensieren, wurde
eine Hellrotzelle gegen eine Infrarotzelle geschaltet. Dadurch werden die Blutschwankungen
teilweise aufgehoben,
teilweise deshalb, weil die Absorptionskurven
von Hellrot und Infrarot verschieden sind. Eine gewisse Eichung läßt sich bei diesen
Geräten durchführen, wenn die Kompensation Del einem bestimmten Wert, und zwar bei
einer normalen Sauerstoffsättigung von 970/ob vorgenommen wird. Es wird dabei vorausgesetzt,
daß jeder Mensch diesen Wert bei guter Durchatmung, eventuell mit Sauerstoff, erreicht.
In pathologischen Fällen ist das aber nicht gewährleistet.
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Das bekannteste Verfahren dieser Art arbeitet mit Selenzelien verschiedener
Oberflächengröße mit vorgesetztem Filter. Da aber die Empfindlichkeit der Selenzelle
um mindestens eine Zehnerpotenz geringer ist für Infrarot als für Hellrot, muß die
Restkompensation außerhalb der Zelle mit verhältnismäßig niederohmigem Potentiometer
erfolgen, was großeVerluste zur Folge hat. Ein weiteres Verfahren verwendet deshalb
anstatt der wenig infrarotempfindlichen Selenzelle eine infrarotempfindliche Photozelle.
Beide Verfahren unterliegen grundsätzlichen Fehlern. Zunächst behandeln sie das
Ohr, das sie zur Messung verwenden, als ein homogenes Ganzes. Ferner verstoßen sie
gegen das photometrische Gesetz, das eine Division der beiden logarithmischen Meßwerte
verlangt, während hier die arithmetischen Werte voneinander subtrahiert werden.
Das erste Verfahren arbeitet mit einer Anzeigevorrichtung, die eine lineare Funktion
der von den Photozellen abgegebenen Spannungen darstellt und deren Auswertung erst
mittels einer logarithmischen Skala zu der gewünschten Ermittlung der Sättigungswerte
führt. Bei der Gegeneinanderschaltung beider Photozellen wird nicht die Differenz
der Logari thmen der Photozellenspannungen, sondern die Differenz der Spannungen
selbst gebildet und dies ist der bekannte hauptsächliche Nachteil dieser Anordnung.
Die Ablesung ermöglicht zwar für die Einzelwerte eine Ablesung im logarithmischen
Maßstabe, bei einer Gegeneinanderschaltung wird jedoch der Logarithmus der Differenz
und nicht die Differenz der Logarithmen gebildet. Die Anzeige muß um so genauer
werden, je niedriger die Sauerstoffsättigung ist. Eine weitere Fehlerquelle besteht
beim ersten Verfahren darin, daß sich ein großes bestimmendes Blutgefäß ausschließlich
im Lichtpfad einer der beiden Wellenlängen befinden kann, während bei dem zweiten
Verfahren dieser Fehler dadurch vermieden wird, daß er durch einen teilverspiegelten
Spiegel den Lichtpfad quantitativ teilt.
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Bei einem dritten Verfahren wird der Weg des einheittichen optischen
Lichtweges beschritten, indem er abwechselnd hell- und infrarotes Licht durch den
gleichen Pfad sendet und so zwei Kurven gleichzeitig registriert, die eine genaue
Vergleichsmöglichkeit zwischen dem Verlauf der Sauerstoftsättigung und der Blutfüllung
ermöglichen.
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Weitere Verfahren gehen von der Tatsache aus, daß das Ohr meßtechnisch
aus zwei im Verhältnis völlig verschiedenen Elementen besteht, und zwar erstens
aus Grundstoffen, Geweben, Pigmenten usw., und zweitens aus dem eigentlichen Blut.
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Das Blut selbst ist nach zwei Gesichtspunkten zu bewerten, die sein
Verhalten in helirotem Licht bestimmen, nämlich nach dem Hämoglobingehalt oder der
Dichte und dem Gehalt- an Sauerstoff. Die Werte für Grundstoffe und Hämoglobingehalt
können für jedes einzelne Ohr als feste Werte angenommen werden und gehen in jede
02-Messung als Konstanten ein, die aber irgendwie eliminiert werden müssen. Aus
diesem Gesichtspunkt heraus messen diese Verfahren den Absorptionswert des blutleeren
Ohres und verwenden die so erhaltene Konstante in einem Kurvenblatt, das nach Erhalt
des Instrumentenwertes des blutgefüllten Ohres eine absolute Feststellung des 02-Gehaltes
gewähr leistet. Abgesehen von der Umständlichkeit dieses Verfahrens bewirkt es einen
grundsätzlichen Fehler, indem zur Korrektur des Endwertes nur der Wert der Infrarotmessung
verwendet wird, um die Rechnung zu vereinfachen, während in Wirklichkeit doch auch
der Hellrotwert in die Messung eingeht. Darüber hinaus zeigt auch hier das Ausgangsinstrument
als Endergebnis der Messung den Differenzwert der beiden Zellenwerte, aber nicht,
wie es erforderlich wäre, den Quotientenwert ihrer Logarithmen an.
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Die nachfolgend beschriebene Erfindung vermeidet alle diese Fehler
und erledigt alle Zusatzrechnungen durch ihren Aufbau in mathematisch richtiger
Form, so daß das Ableseergebais der einmal empirisch geeichten Skala für jedes Ohr
unabhängig von Dicke, Farbe und Hämoglobingehalt den tatsächlichen 02-Wert direkt
abzulesen. und somit.auch zu registrieren gestattet. Die Grundformel für Vergleichsmessungen
von Abeorptionen in zwei monochromatischen Lichtbändern für blutgefüllte Organe
lautet:
| sauerstoffsättigung S = f ( IOg I =logI -) |
Hierin ist IOR die Intensität im Rotbereich bei blutleerem Ohr, IR die Intensität
im Rotbereich mit blutgefülltem Ohr, IOIR die Intensität im Infrarotbereich bei
blutleerem Ohr und IIR die Intensität im Infrarotbereich bei blutgefülltem Ohr.
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Erfindungsgemäß lassen sich die beschriebenen Fehler dadurch vermeiden,
daß zunächst, z. B. mittels logarithmischer Verstärker, die Logarithmen der Infrarot-
und Rotintensität am blutleere Ohr gemessen, darauf die Einzelmeßwerte z. B. durch
Verstellung der Verstärkung oder Zellensaugspannungen gleichgemacht und sodann die
beiden nunmehr gleichen Werte durch eine Gegenspannung auf Null gebracht werden
und daß mit dem so eingestellten Meßgerät nun das blutgefüllte Ohr hinsichtlich
Rot- und Infrarotintensität gemessen wird. Auf diese Weise wird eine echte Bildung
des Logarithmuswertes sowohl für die Rotwie für die Infrarotmessung vorgenommen,
und es wird durch Bildung des Quotienten der Differenzen je zweier Logarithmen eine
unmittelbare Anzeige des Sauerstoffwertes erzielt, die exakt und frei von mathematischen
Vereinfachungen ist.
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Die Erfindung sei an einem Ausführungsbeispiel in einer Abbildung
veranschaulicht: Das dargestellte Meßgerät besteht im wesentlichen aus einer Zellenkombination
mit einer hellrotempfindlichen Zelle 1 und einer infrarotempfindlichen Zelle 2,
zwei logarithmischen Verstärkern 3, 4 mit je einem Ausgangsspannungsanzeiger 5,
6 und einem Quotientenmeßwerk 7.
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Als lichtempfindliche Zellen können Selenzellen mit vorgesetzten
Filtern oder Photozellen verschiedener Farbempfindlichkeit oder eine Kombination
von beiden verwendet werden. Geeignet sind solche Anordnungen, bei denen insbesondere
die beiden Zellen I und 2 im gleichen Lichtpfad liegen.
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Zur Verstärkung können in Verbindung mit einer gleichmäßig starken
Lichtquelle logarithmische Gleichstromverstärker, in Verbindung mit einer intermittierenden
Lichtquelle Wechselstromverstärker mit anschließender Gleichrichtung verwendet werden.
Von den beiden Verstärkern wird zweckmäßig einer eichbar ausgebildet, um Kontroll
messungen der Lichtintensität durchzuführen, die für ein bestimmtes Gerät immer
gleichbleiben muß.
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Auch der Abstand zwischen Lichtquelle und Lichtzelle muß gleichbleibend
sein. Der andere Verstärker ist ebenfalls regelbar, um die beiden Ausgangsspannungen
auf den gleichen Wert bringen zu können, was ebenso erreicht werden kann durch Veränderung
der Saugspannung an einer der beiden Zellen oder durch unterschiedliche Beeinflussung
der die Zellen treffenden Lichtintensitäten durch Blenden od. dgl.
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Um die beiden Ausgangsspannungen an den Instrumenten 5 und 6 nach
ihrer Gleichmachung auf Null bringen zu können, sind zwei Kompensationsspannungsquellen
8 und g vorgesehen, mit Hilfe deren über je einen Spannungsteiler I0, II die beiden
gleichgemachten Ausgangsspannungen auf Null zurückgebracht werden können.
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Das Quotientenmeßwerk ist unmittelbar in 02-Werten geeicht.
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Die Sauerstoffmessung wird auf folgende Weise durchgeführt: Vor der
eigentlichen Messung werden Verstärker und Lichtquelle geeicht. Die Eichung der
Verstärker erfolgt durch Anlegen einer Eichspannung.
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Mit dem so geeichten Verstärker wird der Ausschlag gemessen, den das
Licht einer Zelle erzeugt.
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Bei den späteren Messungen kann dann der so ermittelte Wert als Vergleichswert
dienen. Die Eichung der 02-Skala am Quotientenmeßwerk 7 erfolgt auf empirischem
Wege.
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Mit dem so geeichten Gerät werden die einzelnen Messungen auf folgende
Weise durchgeführt: Zunächst werden bei blutleergemachtem Ohr die beiden Meßwerte
an den Instrumenten 5 und 6 abgelesen und durch Verstellung des nicht geeichten
Verstärkers, vorzugsweise des Infrarotverstärkers 4, der Ausschlag am Instrument
6 auf den gleichen Wert gebracht wie der Ausschlag am Instrument 5.
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Dies kann statt durch Verstärkungsregelung auch durch Veränderung
der Saugspannung der Infrarotzelle geschehen. Die so gleichgemachten Spannungswerte
werden dann durch Einstellung des Doppelpotentiometers 10, II auf Null zurückgebracht.
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Damit ist das Gerät für den betreffenden Patienten für die eigentliche
Sauerstoffmessung so eingestellt, daß der Einfluß des Grundstoffes ausgeschaltet
ist, und bei der nun folgenden Messung mit blutgefüllteln Ohr am Quotientenmeßwerk
7 unmittelbar der O2-Gehalt abgelesen werden kann.
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Das oben angegebene Verfahren stellt eine exakte meßtechnische Lösung
der angegebenen Gleichung für die Sauerstoffsättigung dar. Gegenüber der idealisierten
Durchstrahlung planparalleler Küvetten mit streng monochromatischem Licht sind in
der praktischen Anwendung noch Abweichungen der Meßwerte gegenüber der Formel möglich,
die durch Annahme zusätzlicher korrigierender Glieder berücksichtigt werden können.
Man kann die Messung z. B. dadurch verfeinern, daß man auf Grund einer Zwischenbestimmung
des Hämoglobingehaltes eine Korrektion vornimmf. Hierzu kann eine Mehrzahl von Skalen
am Anzeigeinstrument vorgesehen sein, deren Wahl durch die Infrarothilfsmessung
bestimmt wird.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt,
vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und auch andere Ausführungsfofmen möglich.
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I)ATENTANSPR1DCHE: 1. Verfahren zur unblutigen Oximetrie des Blutes
durch Absorptionsmessung im roten und im infraroten Lichtband am blutleeren und
anschließend am blutgefüllten Ohr, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst, z. B. mittels
logarithmischer Verstärker, die Logarithmen der Infrarot- und Rotintensität am blutleeren
Ohr gemessen, daraufhin die Einzelmeßwerte, z. B. durch Verstellung der Verstärkung
oder Zellensaugspannungen, gleichgemacht und sodann die beiden nunmehr gleichen
Werte durch eine Gegenspannung auf Null gebracht werden, und daß mit dem so eingestellten
Meßgerät nun das blutgefüllte Ohr hinsichtlich Rot- und Infra rotintensität gemessen
wird.