DE3215879A1 - Geraet zur spektrenmessung in der blutbahn - Google Patents

Description

FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)

10 Gerät zur Spektrenmessung in der Blutbahn

35 1 P

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Gerät zur Spektrenmessung in der Rlutbohn

j Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Spektrenmessung in der Blutbahn mit ι einer Li ent leiter sonde und einem Diodenzeilenspektrometer.

i Eine photometrische Messung in der Blutbahn hat z.B. Bedeutung für die

¹ kontinuierliche Messung des Sauerstoff geholtes von Blut. Dieser ist für

j die Anästhesie von besonderer Wichtigkeit, da eine Sauerstoffunterver-

; sorgung während einer Narkose zu schweren irreparablen Schaden beim

' lOpatienten führen kann. Die einzige bisher in der Routine verbreitete

i Meßmethode ist eine polarographische Methode ("Oxymeter" von Dräger AG

; und Hellige GmbH), die seit 1975 eingeführt ist und auf einen Vorschlag

von Huch und Lübbers zurückgeht (Arch. Gynäkol. 207, 443, 1969). Die Methode hat die fiachteile einer "Einlaufzeit" von 15 bis 20 min, einer 15systembedingten Verzögerungszeit von etwa 15 see, der Notwendigkeit der

1 Kalibrierung vor jeder Messung und einer ebenfalls systembedingten Drift

j von 10 - 15 % über einige Stunden. Außerdem besteht die Notwendigkeit ' gelegentlich durchzuführender arterieller Blutgasanalysen zur Funktions-| j kontrolle der Elektrode.

'■■ Aus der DE-OS 27 26 606 ist ein Spektralphotometer zur Messung an Gewe-

j beoberflachen bekannt, bei dem das Spektrum auf einem Oszillogrcphen sichtbar gemacht wird. Das Photometer ist mit einem Photozellenarray ausgerüstet; der Meßkopf ist über einen Lichtleiter mit dem Gerät ver —

! 25bunden.

ι In der Zusatz-üS 28 15 074 zu der erwähnten Anmeldung hat der Sichtschirm des Oszillographen an den charakteristischen Punkten des Hcmoalo- ! binspektrums liegende Marken zur Erleichterung der Auswertung.

¹ Es ist bekannt, z.B. aus Documenta Geigy, wissenschaftliche Tcbellen, 6.

, Auflage, I960, aaP> sich die Absorptionsmaxima der Spektren von Hämoglo-

ι bin, der reduzierten Form, und Oxyhämoglobin, der oxydierten Form, in j charakteristischer Weise verschieben: das langwellige Absorptionsmaximum: I 35von 560 nach 577 nm, das kurzwellige von 430 nach 412 nm. Der Abstand | I der beiden Maxina ändert sich also als Funktion des Sauerstoffgehalts um i 35 nm, und ,zwar unabhängig vom Absolutwert der Absorption. Diese Unab—

S-

hängigkeit vom Absolutwert der Absorption ist die wesentl IcHk-' e 'for r, ·.■■■}.-sejtsung für die Durchführbarkeit einer exakten Sauerstof i\;obai tsb'-v/: L· -mung. Es ist bekannt und einleuchtend, daß der Sauerstof frjor.-ai t ' jvivo" nur unter Ausschluß von Luftsauerstoff bestimmt werden Iran-:,. -!7; ist weiterhin bekannt, daß die Zahl der Erythrocyten, der Träger des Hämoglobins, rund 5 Millionen pro Kubikmill imeter beträgt i·-¹"· b.i c <-5 dejs Blutvolumens), bei einem mittleren Durchmesser von 7,5 u<^. Γ;·;.·;= ,:■■■?- deutet, daß wegen der hohen Streukoeffizienten eine photomet^isch« ί-Λ?-- sung in Transmission unmöglich wäre. Andererseits ist aber die Orari, '·'■: noch so groß, daß auch eine echte Reflexionsmessung nicht möglich i r. ■;-

Aufe einer Veröffentlichung von Curtis C. Johnson (J»o.t.Associc;i-' f.t.Advancement ο. Medical Instrumentation 5j_ 77, (1971)) ist bskrn .-, eine Reflexionsmessung in vivo mit einem Lichtleitermeßkopf äurc'i::;.."·^.--ren, der in ein Herzkatheter eingeführt wird. Die Messung erfolgt bsi zwei Wellenlängen; als Lichtquellen dienen zwei LED, als Empfänger eins Silizum-Photodiode. Die Messung im Herzinneren ist wegen des -.,-oHen Durchmessers des Lichtleiters notwendig. Es ist selbstversto^dl \c'-~-. "i . : eine derartige Messung nur in Ausnahmefällen in Frage komme und r;c? ; für die Routine bei normalen Operationen geeignet ist.

In energetischer Hinsicht ist eine Vorrichtung sehr viel günstiger, :H? von U. Tutschke (Biomedizinische Technik 21, 279 (1976)) beschri-c·;-.--ist. Für die Erzeugung des Meßlichtes bei zwei verschiedenen Vv-slisniängen werden ein He-Ne-Laser und ein Impuüs-Farbstofflaser verv&naat. Die gegenüber herkömmlichen Lichtquellen sehr viel größeren Lichtintensiia-

ten heben entsprechende Rückstreusignale zur Folge, so daß gegenübe" j anderen Verfahren mit einem günstigeren Signal-Rausch-Verhältnis gar;es - j sen werden kann und/oder Lichtleiter mit kleinerem Durchmesse'" /-?rv<e-.-.■■;:=.--- , werden können, die eine intravasale Messung ermöglichen. Für -;5 ί ·.-■:':■;--nische Routine ist eine Messung mit zwei Lasern jedoch zu au^winüy, .;? . daß ein derartiges Gerät nicht die Anforderungen der Praxis erfüll :. \

Die Messung bei zwei Wellenlängen kann die spektrale Vorr..cKi er.yw r!-:-r \ Absorptionsmaxima nicht direkt erfassen, oondern nur die InI:er%i^ots- j Änderung einer charakteristischen Wellenlänge gegenüber oinern iso":;,ti~ sehen Punkt. Für quantitative Bestimmungen ist es günstiger, i<r> rolevan- >

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ten Bereich den gesamten Spektrenverlauf verfügbar zu haben und danit j die Genauigkeit zu verbessern. Außerdem ist ein Gerät, welches den ge- j

samten Spektrenverlauf mißt, universell einsetzbar. I

5 Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein für den! I medizinischen Routinebetrieb geeignetes Gerät zu schaffen, das die Mes- ' ι sung des Streulicht-Spektrums von Blut innerhalb einer peripheren Vene j I j

I oder Arterie ermöglicht, ohne den freien Durchfluß des Blutes durch das ;

Blutgefäß zu unterbinden.
! 10

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die
Lichtleitersonde mit einem Durchmesser von maximal 0,5mm ausgebildet
ist, daß die Lichtleitersonde durch Steckverbindungen mit genau definierter Lage der Lichtleiter mit einem Diodenzeilenspektrometer und mit
15 einer Beleuchtunqseinrichtung verbunden ist und daß das Diodenzeilenspektrometer ein Öffnungsverhältnis hat, das die Apertur des Lichtleiters ohne Beschnitt aufnimmt.

Durch die Steckverbindungen mit genau definierter Lage der Lichtleiter
20 kann die Lichtleitersonde ausgewechselt werden, ohne daß irgendwelche
Justier- oder Befestigungsvorgänge erforderlich sind und ohne daß die
Bedienungsperson mit unsterilen Gegenständen in Berührung kommt. Dies J

I l

j ist für den Routinebetrieb ein wesentlicher Vorteil, da die Lichtlei- Ϊ

ι I

ι tersonde entweder zum Sterilisieren ausgewechselt werden muß oder als
j 25steri1isiertes Wegwerfteil für die Einmalbenutzung ausgebildet ist.

¹ Durch das große Öf fnungs verhäl tnir> des Spekt rometers , das die Apertur i

! des Lichtleiters ohne Beschnitt aufnimmt, werden günstige Energiever- j ! I

hältnisse erreicht, obwohl am Meßort nur ein kleines Volumenelement

30 erfaßt wird, da von dein kleinen Volumenelement die in einen großen Raum-

! winkel gestreute Strahlung ausgenutzt wird.

! Es ist zweckmäßig, die Sonde aus mehreren Lichtleitfasern für die Hinj lf»ituny des Lichtes zum Meßort und aus mehreren Lichtleitfasern für die

! 35 Fort lfii tuncj des Lichtes vom Mel'ort zusammenzusetzen und sie mit inerten

Hüllen zum Schutz gegen Bruch und Blutgerinnung zu umgeben.

In einer besonders vorteilhaften Aus führung^form sind die Licht 1 ei '·: ί <~,-sejrn in der Steckverbindung für das Diodenzeilenspektrometer ,"iberr-ir-ir. ■ der angeordnet, wobei die Endflachen der Lichtleitfasern den Eintrittespalt des Spektrometers bilden.

Am Meßkopf- können die Lichtleitfasern für die Beleuchtung kcr. zer.tr i s'_r·- anlgeordnet und ringförmig von den Lichtleitfasern für die i'/essu^a Mm:--- ben sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei der Messing :."■; B:-_ infolge der starken Streuung auch eine Durchmischung aer Lic'nuieittcs~r lOgünstig ist, sofern diese einigermaßen statistisch erfolgt.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Lichtleitersonde für ciit Einführung in ein Verweilkatheter ausgebildet. Besonders günstig ist c-s in der Lichtleitersonde einen oder mehrere Spülkanäle vorzuseher,, d.Oi-.--^l\ 15das Festsetzen von Blutkörperchen am Meßkopf verhindert werden konn.

Die Verwendung einer Xenonlampe als Lichtquelle bietet nicht nur einerenergetischen Vorteil, sondern auch eine höhere Betriebssicherheit, Cr eine Xenonlampe am Ende ihrer Lebensdauer sich nicht mehr zOrdon Ir^r₁ 2Qober so gut wie nie während des Betriebes ausgeht.

j Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüci-e^ he^r vor.

25Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 5 näher· eriöutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus des neuen Gerätes,

-30F^9- 2 die Ausbildung des Kopfes der Lichtleitersonde zusammen ^it

t einem Verweilkatheter,

Fig. 3 ein Beispiel für die Verteilung der Lichtleitfasern £(3r Beleuchtung und Messi-Tig am Meßkopf,

Fig. 4 ein Auüführungsbeiopi el für die Steck vorn i nd'jncv^n yud

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Fig. 5 Ausführungsbeispiele für die Anordnung der Lichtleiter in den Steckverbindungen.

In Fig. 1 ir.t mit 11 eine Beleuchtungseinrichtung, mit 12 ein Spektrometer und mit 13 das Netzteil und die Elektronik für Beleuchtungseinrichtung und Spektrometer bezeichnet. Die Beleuchtungseinrichtung 11 besteht aus der Xenonlampe lla, einem elliptischen Hohlspiegel lib und einem Fassungsteil 41 für die Steckverbindung 42 der Lichtleitersonde 21. Die zweite Steckverbindung 43 der Lichtleitersonde 21 sitzt im Fas-

"IO sungsteil 41 des Spektrometers 12, das außerdem ein Konkavgitter 12a und eine Diodenzeile 12b enthält. Der Meßkopf 21a der Lichtleitersonde 21 ist in Fig. 2 im größeren Maßstab dargestellt. Er kann an Stelle der Kanüle 22 in den Verweilkatheter 23 eingeführt werden, nachdem dieses zusammen mit der Kanüle 22 und gegebenenfalls mit der Injektionsspritze 24 in eine periphere Vene oder Arterie eingeführt worden ist.

Der Meßkopf 21a besteht aus einer dünnwandigen Kanüle, welche die einzelnen Lichtleitfasern, aus denen der Lichtleiter besteht, umgibt. Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Spitze 21b des Meßkopfes von 21a. Die mit 1 bezeichneten Lichtleitfasern kommen von der Beleuchtungseinrichtung 11; die mit 2 bezeichneten Lichtleitfasern gehen zum Spektrometer 12. Die einzelnen Lichtleitfasern sind in bekannter Weise von einem inerten Kunststoff, z.B. Teflon, ummantelt, der in einem Polymerasationsprozeß aufgebracht wird. Diese Ummantelung verbessert die Bruchfestigkeit der Lichtleitfasern wesentlich, verhindert die Blutgerinnung und bewirkt den Zusammenhalt des in Fig. 3 als Ausführungsbeispiel gezeigten fireiecksförmigen Querschnittes des Lichtleiters. Die Zwischenräume 3? zwischen diesem dreiecksförmigen Querschnitt und der Kanülenwand 31 können für den Durchfluß einer Spül flüssigkeit verwendet werden, mit der verhindert wird, daß sich an der Spitze des Meßkopfes Blutkörperchen festsetzen.

Die einzelnen Lichtleitfasern 1 bzw. 2 haben einen Durchmesser von z.B. 50 μπι. Für die Anordnung der zum Spektrometer 12 gehenden, mit 2 bezeichneten Lichtleitfasern hat sich eine statistische Verteilung innerhalb der übrigen Lichtleitfasern als ausreichend erwiesen.

Am Ende des Meßkopfes 21α sitzt als Übergang zu dem ws xiblen Lichtleiter 21 des Befestigungsteil 25, welches mit einer Ven ivgelung 25a und einem leicht konischen Teil 25b im Verweilkuthotor 2" eine zuverlässige und dichte Befestigung ermönlicht. Dabei s^Hlirfßt ^r':.-:- Spitze 21b des Meßkopfes mit der vorderen Spitze 23b des Verwei Ιί· -.οι Meters bündig ab.

Nach dem Befestigungsteil 25 hat die äußere Umhüllung des Licht j ei -cerr eine Verzweigung 26 mit welcher die in Fig. 3 dargestellten Kanäle ~-i'.i für die Spülflüssigkeit in einen Schlauchteil 27 abgezweigt wercion. Dieser Schlauchteil schließt mit einer durchstechbaren Membran 28 ob.. die in bekannter Weise von der Injektionsnadel 29 zum Einbringen der

Spül^:flüssigkeit durchstochen werden kann.

Die Teilung des Lichtleiters 21 in die beiden Zweige für Beleuchtungseinrichtung 11 und Spektrometer 12 erfolgt zweckmäßigerweise er-t cic^t vor diesen Geräten, damit praktisch nur eine Verbindung zwischen i>-iV:op^:~ 21a und den Geräten besteht. In einer vorteilhaften Ausfühnjngsvonn sind die Lichtleitfasern mit einem Schrumpfschlauch ummantelt, der r,!---- f-ϊ.τ= Sterilisieren aufgeschrumpft wird.

Fig. 4 zeigt die in das Fassungsteil 41 eingeführte Steckverbindung 42 der Lichtleitersonde 21 im vergrößerten Maßstab. Dabei ist in Fig. 4c ein Schnitt in der Ebene der optischen Achse der Lichtleitersonde 21 und, in Fig. 4b ein Schnitt senkrecht dazu, d.h. parallel zur Gehäusewana eier Beleuchtungseinrichtung Π dargestellt. Die Steckverbindung 42 bestehe aus zwei Teilen 42a und 42b. Diese können z.B. als Kunststoffspritz- _: gießteile mit großer Genauigkeit hergestellt werden. Sie werden nach dem, Einlegen der Lichtfasern in die Aussparung 42c zusammengeklebt ocer au^f andere Weise zusammengehalten. Die Griffmulden 42d erleichtern öas hineinstecken und Herausnehmen aus dem Fassungsteil 41. Dieses Fassungstj-il hat eine prismatische Anlagefläche 41a und einen Anschlag 41b, gegen ::; das Teil Hb der Steckverbindung nach dem Hineinstecken durch die ^pi*r 41c und das drehbar gelagerte Teil 41d gedrückt wird. Auf diese w'sis-?

kommen die in der Aussparung 42c angeordneten Lichtfasern immer ;·--■- si'vs genau definierte Lage. Wenn die Steckverbindung 42 aus der Faa&u^ri-! ^l herausgezogen wird, klappt das drehbar gelagerte Teil 41 d in die in r-irj.

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ι 4c dargestellte Lage und verschließt die Beleuchtungseinrichtung, so keine Strahlung der Xenonlampe nach außen dringen kann.

Die Anordnung der Lichtleitfasern an den gerätevseitigen Fnden der Steckverbindungen 42 bzw. 43 ist in der Fig. 5a für die Beleuchtungseinrichtung 11 und in der Fig. 5b für das Spektrometer 12 dargestellt. Ebenso wie in der Fig. 3 sind die Lichtfasern, die zur Beleuchtungseinrichtung gehen mit 1 und die Lichtfasern, die zum Spektrometer gehen mit 2 bezeij chnet. In der Fig. 5o hat das Teil 42b eine dreiecksförmige Aussparung

• 1042c, die so dimensioniert ist, daß z.B. gerade 15 Lichtfasern in dichtester Packung hineingehen. Auf die Anfangsflächen dieser Lichtfasern wird ■ der Leuchtfleck der Xenonlampe lla abgebildet, wie dies in den Fig. 1

: und 4 dargestellt ist. Durch die dreiecksförmige Anordnung der Lichtfa- i sern wird auf einfache Weise eine gute Ausnutzung der Strahlungsintensi- : 15tät der Lichtquelle erreicht. Selbstverständlich ist auch eine vierecki-

ge, sechseckige oder kreisförmige Anordnung der Lichtfasern möglich.

Fig. 5b zeigt die Anordnung der mit 2 bezeichneten Lichtfasern in der ' Steckverbindung zum Spektrometer. Das Teil 42b hat in diesem Fall eine !

20rechteckförmige Aussparung 42d, die so dimensioniert ist, daß z.B. gerade sechs Lichtfasern 2 hineinpassen. Die Endflächen dieser Lichtfasern _: bilden den Eintrittsspalt des Spektrometers 12. Außer diesem derart ! ausgebildeten Eintrittsspalt besteht das Spektrometer nur noch aus dem holographisch erzeugten Konkavgitter 12a und der Diodenzeile 12b. Ohne irgendwelche weiteren Abbildungsmittel wie Linsen, Spiegel oder ähnli-

• ehern wird das Spektrometer direkt von den Lichtfaserenden einerseits vollständig ausgeleuchtet und andererseits die Apertur des Lichtleiters vol1 ständig erfaßt. Nur mit einem holographisch erzeugten Beugungsgitter ist eine derartige Anordnung möglich, weil nur mit diesen die wichtig-

' 30sten Abbildungsfehler (Astigmatismus und Spektrenkrümmung) korrigiert ι

werden können, sofern das Gitter mit der gleichen Geometrie betrieben

wird mit der es holographisch erzeugt wurde. Als Beispiel für eine gej eignete Dirnensionierung des Spektrometers seien folgende Daten genannt: koiiuf. dt;! L-ohärischen Konkavgitters = 2 χ Brennweite 116,3 mm; Durch-

' 35messer der freien Öffnung des kreisrunden Gitters όθ mm; das Öffnungsi

vet ticJltr.i^r. :■---=. Spt'ktrometers ist damit 1 : 1,94, das entspricht einem Öffnungswinkel von 30° und damit dem Öffnungswinkel von Lichtleitern.

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Die beiden Steckverbindungen 42 und 43 sind zweckmäßigerweis<=> so O'.«s::f— führt, daß sie unverwechselbar sind, so daß die Anschlüsse an Beleuchtungseinrichtung und Spektrometer nicht vertauscht werden können. Ein

j wesentlicher Vorteil der dargestellten Ausführungsform der Stec'.· -/erhi■--.-

j Sdungen ist, daß beim Auswechseln der Lichtleitorsonde die BeWi er. ungsperson nur die Lichtleitersonde 21 und die Steckverbindungen 42 i;nn 43 anfassen muß und dadurch mit keinen unsterilen Teilen, wie z.B. der Geräten oder den Fassungsteilen 41, in Berührung kommt. Die Lichrieitersonde kann entweder als Wegwerfteil für die Einmalbenutzur..: oder als 10leicht sterilisierbares Teil ausgeführt werden.

Für die Messung "in vivo" wird zunächst der Verweilkatheter 23 mit der Injektionsnadel 22 in eine Vene oder Aterie des Patienten eingeführt. Anschließend wird die Injektionsnadel 22 aus dem Verweilkatheter 23

! 15herausgezogen und der Meßkopf 21a in den Verweilkatheter 23 eingeführt. Wenn die Steckverbindungen 42 und 43 in die Fassungen 4 1 eingesteckt sind, ist das Gerät meßbereit. Ein mit der Diodenzeile 12b des Spektrometers 12 verbundener Rechner ermittelt aus der L π π ¹S der Maxima die Sauerstoffkonzentration des Blutes und zeigt diese für den Anästhesiste

j 20an. Selbstverständlich ist auch eine Registrierung und/oder eine akustische Signalgabe beim Unterschreiten eines kritischen Wertes möglich.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   f 1-,'Gerät zur Spektrenmessung in der Blutbahn mit einer Lichtleitersonde und einem Diodenzeilenspektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitersonde mit einem Durchmesser von maximal 0,5 mm ausgebildet j ist, daß die Lichtleitersonde durch Steckverbindungen mit genau definierter Lage der Lichtleiter mit einem Diodenzeilenspektrometer und mit einer Beleuchtungseinrichtung verbunden ist und daß das Diodenzeilenspektrometer ein Öffnungsverhältnis hat, das die Apertur des Lichtleiters ohne Beschnitt aufnimmt.

   2. Gerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitersonde aus mehreren Lichtleitfasern für die Hinleitung des Lichtes zum Meßort und mehreren Lichtleitfasern für die Fortleitung des Lichtes vom Meßort besteht, wobei die Lichtleitfasern von inerten Hüllen zum Schutz gegen Bruch und Blutgerinnung umgeben sind.

   3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern in der Steckverbindung für das Diodenzeilenspektrometer überein-j ander angeordnet sind, wobei ihre Endflächen zugleich der Fintrittsspalt des Spektrometers sind.

   4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßort die Lichtleitfasern für die Beleuchtung und für die Messung durchmischt angeordnet sind.

   5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter mit einem Schrumpfschlauch ummantelt sind, der bei

   j der Sterilisation aufgeschrumpft wird.

   j 6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitersonde für die Einführung in einen Verweilkatheter ausgebildet ist.

   7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitersonde mit einem oder mehreren Spülkanälen ausgebildet ist.

   Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ;

   die Lichtleitersonde einschließlich der Stecker als sterilisiertes ■

   i Wegwerfteil für Finmalbenutzung ausgebildet ist. [

   59. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Xenonlampe vorgesehen ist.

   i 10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch seine ■; Anwendung zur Direktbestimmung des Oxygenisierungsgrades (Sauerstoff-| j 10 partialdruckes) im Blut. f