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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts
einer Blutprobe.
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Die
Sauerstoffsättigungsmessung
oder auch Messung des Sauerstoffgehalts des Bluts ist seit den 60er
Jahren als sogenannte Pulsoximetrie hinlänglich bekannt. Dabei wird
ausgenutzt, dass die Farbe des Bluts von dessen Sauerstoffsättigung
abhängt. Für den Transport
des Sauerstoffs im Blut ist das Hämoglobin (Hb) zuständig, das
durch Anlagerung von O2 zu Oxyhämoglobin
(O2Hb) wird. Wenn viel Sauerstoff im Blut
gebunden ist, weist dieses einen roten Farbton auf. Bei einem geringeren
Sauerstoffgehalt im Blut verfärbt
sich das Blut in Richtung eines blauen Farbtons. Dieser Effekt ist
auf die optischen Eigenschaften des Hämoglobinmoleküls zurückzuführen. Ein
Oximeter misst die Farbunterschiede des Bluts und errechnet daraus
den Sauerstoffsättigungsgehalt
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Die
Substanz Hämoglobin,
die zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung analysiert werden soll, besteht
hauptsächlich
aus vier Anteilen. Das sind O2Hb und Hb
als funktionelle Fraktion sowie COHb (Carboxyhämoglobin) und MetHb (Methahämoglobin)
als dysfunktionelle Fraktion. Die zuvor genannten Bestandteile des
Hämoglobins
besitzen für
Licht unterschiedliche Absorptionscharakteristika. Diese unterschiedlichen
Absorptionseigenschaften können mittels
eines spektral-fotometrischen Messverfahrens ausgewertet werden
und für
die Bestimmung der Sauerstoffsättigung
herangezogen werden. Diese Zusammenhänge sind in den Fachkreisen
hinlänglich
bekannt (vgl. hierzu auch 1).
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Ein
herkömmliches
Pulsoximeter lässt
sich nicht einsetzen, wenn das Blut nicht pulsiert, wie es bereits
der Name "Pulsoximeter" vermittelt. Die
für die
Pulsoximetrie notwendige Gefäßausdehnung
ist bei einer Messung der Sauerstoffsättigung außerhalb des menschlichen Körpers nicht
gegeben.
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Die
US 4,44,498 offenbart eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Blutsauerstoffsättigung.
Dabei wird im Rahmen einer Blutsauerstoffanreicherung mittels einer
Herz-Lungen-Maschine eine kontinuierliche Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung
in einer Messzelle vorgenommen. Die
DE 3828 618 A1 offenbart ein Verfahren und
eine Einrichtung zur Überwachung
von Blutbestandteilen. Dabei fließt das Blut durch einen transparenten
Kanal und wird überwacht,
indem Licht längs
einer den Kanal schneidenden Achse geschickt wird. Die
DE 2417115 A1 offenbart
ein Verfahren zum Ableiten einer Sauerstoffbindungskurve bei einer
Blutprobe. Aus der
DE
3726 524 C2 ist eine Vorrichtung zur fotometrischen Untersuchung
von Stoffen nach der Doppelwellenlängenmethode bekannt. Aus der
Offenlegungsschrift 2512561 ist eine Steuerschaltung zum Betrieb
von mehreren lichtemittierenden Dioden zur Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung
bekannt. Aus der
DE
2114 064 B ist ein Fotometer zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes
von Blut bekannt. Die
DE
19821903 A1 offenbart ein Blutanalysesystem mit einer Messeinheit
und einer Messzelle, die wechselweise mit Blut und mit mindestens
zwei spezifischen Flüssigkeiten
gefüllt
wird. Dabei ist eine der Flüssigkeiten
eine Kalibrierungsflüssigkeit
für die Messeinheit.
Die
DE 694 28 696
T2 offenbart eine extrakorporal anwendbare Einmalleitung
zur Überwachung
von Blutbestandteilen. Die
EP
0273258 A1 offenbart eine Anordnung zur Untersuchung eines
flüssigen
Mediums und Verfahren zum Betrieb der Anordnung, wobei ein spezieller
Katheter zum Einsatz kommt, der ein äußeres und ein inneres Lumen
aufweist. Das äußere Lumen
des Katheters wird mit Infusionslösung versorgt. Durch wiederholte
Umkehrung der Strömungsrichtung
in den Lumen mittels einer umsteuerbaren Pumpe wird eine Folge von
jeweils abwechselnd gleichen Raumteilen des Messmediums und der
Infusionslösung über die
Sensoren gezogen. Die
DE
693 30 193 T2 offenbart eine Vorrichtung für die Messung
der zentralvenösen
Blutsauerstoffsättigungsrate
während
einer menschlichen kardiopulmonalen Wiederbelegung und einem klinischen
Schock und für
die Behandlung des Patienten.
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Keine
der im Stand der Technik offenbarten Vorrichtungen ist jedoch geeignet,
den Blutsauerstoffgehalt einer Blutprobe im Rahmen einer Herzkatheteruntersuchung
ohne eine nennenswerte Belastung des Patienten durch unnötige Blutentnahme
bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung
der Blutsauerstoffsättigung einer
Blutprobe bereit zu stellen, welche verlässliche Messergebnisse liefert,
wenn das Blut nicht pulsiert, insbesondere wenn sich das Blut außerhalb
des zu untersuchenden Lebewesens befindet, wobei das zu untersuchende
Lebewesen möglichst
wenig durch die Entnahme von Blut belastet werden soll.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts einer Blutprobe im Rahmen
einer Herzkatheteruntersuchung ist mit einem Herzkathetermesssystem
gekoppelt. Die Vorrichtung umfasst eine Messzelle zur Aufnahme einer Blutprobe,
welche mit einer Lichtquelle durchleuchtbar ist, wobei die Lichtquelle
und ein zur Lichtquelle korrespondierendes Mittel zur Bestimmung
von Lichtintensität
an der Messzelle zur Bestimmung der Lichtintensität des aus
der Messzelle austretenden Lichtes der Lichtquelle angeordnet sind.
Die Messzelle weist bezüglich
des Lichtes der Lichtquelle konstante, vordefinierte Eigenschaften
auf. Dadurch ist der Blutsauerstoffgehalt der Blutprobe aufgrund
einer Änderung
der Lichtintensität
des Lichtes der Lichtquelle an dem Mittel zur Bestimmung der Lichtintensität detektierbar.
Die Vorrichtung umfasst weiter eine Saugvorrichtung und ein Schlauchsystem
zum Absaugen einer Kochsalzlösung
aus der Messzelle, wodurch eine Blutprobe in die Messzelle aufgenommen werden
kann. Das Schlauchsystem ist mit dem im Herzen liegenden Katheter
gekoppelt. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinheit,
die im Betrieb eine vorgegebene Messroutine automatisch durchführt. Innerhalb
dieser Messroutine wird die Messzelle auf einer vorgegebenen Weglänge mit Licht
durchleuchtet. Die Intensität
des Lichtes wird nach dem Durchleuchten gemessen. Das Vorhandensein
von Blut in der Messzelle wird basierend auf der gemessenen Intensität des Lichts
detektiert. Sodann wird eine Messung des Blutsauerstoffgehalts der
Blutprobe in der Messzelle mittels Durchleuchten der Messzelle gestartet
und durchgeführt,
wenn im vorangegangenen Schritt das Vorhandensein von Blut detektiert
wurde. Dabei sind auch Blutsauerstoffwerte unterhalb 50% Blutsauerstoffsättigung
bestimmbar. Abschließend
wird die Kochsalzlösung mittels
der Saugvorrichtung in die Messzelle eingespült, um die Blutprobe aus der
Messzelle zu entfernen und das Blut an die Stelle des Herzens zurück zu bringen,
an der es entnommen wurde.
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Die
Messzelle zur Aufnahme einer Blutprobe ist dabei derart ausgestaltet
ist, dass sie mit einer Lichtquelle durchleuchtbar ist, und die
Lichtquelle und ein zur Lichtquelle korrespondierendes Mittel zur Bestimmung
der Lichtintensität
an der Messzelle zur Bestimmung der Lichtintensität des aus
der Messzelle austretenden Lichtes der Lichtquelle angeordnet werden
können.
Die Messzelle weist bezüglich
des Lichtes der Lichtquelle konstante, vordefinierte Eigenschaften
auf, so dass der Blutsauerstoffgehalt der Blutprobe aufgrund einer Änderung
der Lichtintensität
des Lichtes der Lichtquelle an dem Mittel zur Bestimmung der Lichtintensität detektierbar
ist.
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Die
Messzelle weist glatte Flächen
und Kanten auf, an denen die Lichtquelle und das Mittel zur Bestimmung
der Lichtintensität
angeordnet werden können.
Die Lichtquellen sind üblicherweise
Leuchtdioden oder dergleichen. Das Mittel zur Bestimmung der Lichtintensität ist typischerweise
eine Fotodiode. Vorstellbar sind jedoch auch Anordnungen mit anderen
Lichtquellen und Lichtmessmitteln, die z. B. auch auf einer Filterung
von breitbandigem Licht basieren. Da der Einfluss der Messzelle
auf die Intensität
des Lichtes bekannt ist, kann das Berechnungsverfahren zur Bestimmung
des Blutsauerstoffgehalts basierend auf der gemessenen Lichtintensität auf ein
Pulsieren des Mediums verzichten. Nach einer Kalibrierung können zukünftige Messungen
an der Messzelle ohne weitere Kalibrierungsschritte erfolgen. Auch
die anfängliche
Kalibrierung kann bei entsprechend genauer Fertigung ggf. entfallen.
Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Messzelle entweder durchleuchtet wird, so dass das Mittel
zur Bestimmung der Lichtintensität
auf der gegenüberliegenden Seite
der Messzelle angeordnet ist (Transmission) oder dass die Intensität des Lichtes
ermittelt wird, die von der Blutprobe zurückstrahlt (Reflexion). Bei
der zweiten Variante ist das Mittel zur Bestimmung der Lichtintensität (z. B.
eine oder mehrere Fotodioden) typischerweise auf der gleichen Seite
wie die Lichtquelle angeordnet. Natürlich kommen in beiden Fällen mehrere
Fotodioden zur Bestimmung der Lichtintensität in Betracht, ebenso wie Leuchtdioden,
die verschiedene Farben ausstrahlen können.
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Eine
vordefinierte Eigenschaft der Messzelle ist eine von der Messzelle
vorgegebene vordefinierte Weglänge,
welche das Licht von der Lichtquelle auf dem Weg durch die Messzelle
zu dem Mittel zur Bestimmung der Lichtintensität durchläuft. Auch dies gilt für den Fall
der Reflexion und den Fall der Transmission. Insbesondere ein solche
definierte Weglänge als
eine der bekannten und wohldefinierten Eigenschaften des Messzelle,
macht den Einfluss der Messzelle auf die Änderung der Intensität des Lichtes beim
Durchleuchten der Messzelle vorhersagbar. Natürlich ist diese Weglänge nicht
die einzige Eigenschaft der Messzelle, die entsprechend definiert
sein muss, jedoch ist diese von großer Bedeutung. Ist die Weglänge also
bekannt, und bleibt diese während der
Messung konstant, dann kann darauf geschlossen werden, dass eine Änderung
der Lichtintensität einer
geeigneten Lichtquelle auf den Blutsauerstoffgehalt der Blutprobe
zurückzuführen ist.
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Vorzugsweise
weist die Messzelle einen Innenraum zur Aufnahme der Blutprobe auf,
welcher derart ausgestaltet ist, dass das Licht der Lichtquelle auf
dem Weg zu dem Mittel zur Bestimmung der Lichtintensität durch
die Messzelle eine zweite definierte Weglänge durch den Innenraum aufweist.
Insoweit ist nicht nur die äußere Weglänge durch
die Messzelle, sondern auch die Weglänge durch die Blutprobe gegeben.
Dies ermöglicht
eine weitere Vereinfachung des Verfahrens.
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Es
ist bevorzugt, dass die Messzelle im sichtbaren Bereich transparent
ist. Bei den typischen Anwendungen zur Blutsauerstoffmessung wird
die Messzelle aus einem transparenten Material hergestellt, um die
Durchdringung mit Licht in den Wellenlängen des sichtbaren Lichts
zu erleichtern. Es sind jedoch auch Varianten vorstellbar, bei denen
das Material eine Filterung oder eine definierte Dämpfung des
Lichts vornimmt. Ein weiterer Vorteil der Transparenz besteht darin,
dass von außen
erkennbar ist, ob sich Blut in der Probe befindet.
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Die
Messzelle ist an Zuführmittel,
wie Schläuche
oder Luer-Lock-Kopplungengekoppelt, über welche
eine Flüssigkeit
oder auch die Blutprobe zuführbar
oder auch abführbar
ist. Dies ermöglicht es,
die Blutprobe in einer festen Anordnung in die Messzelle einzubringen.
So kann die Messzelle z. B. mit einem vorgegebenen Schlauchsystem
gekoppelt sein, so dass das Blut mittels einer Saugvorrichtung (Spritze)
o. Ä. direkt
aus dem Messsystem in die Messzelle verbracht werden kann. Typischerweise befindet
sich in den Zu-und Ableitungen und in der Messzelle eine Kochsalzlösung, die
abgesaugt wird, während
gleichzeitig das Blut eingesaugt wird.
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Die
Messzelle wird im Bereich der Herzkatheteruntersuchungen verwendet,
denn hier kann kein herkömmliches
Pulsoximeter eingesetzt werden. Bei der Herzkatheterdiagnostik ist
der Blutsauerstoffgehalt des Bluts in den Gefäßen des Herzens von Interesse.
Dieses wird typischerweise aus dem Herzen entnommen und auf den
Blutsauerstoffgehalt untersucht. Die Messzelle ist mit dem Herzkathethermesssystem
gekoppelt. Das Ein- und Aussaugen des Bluts kann dann in bestimmten
Intervallen während
der Untersuchung oder zwischen den Untersuchungen stattfinden. Bezüglich dieser
Anwendung weisen die Messzelle und deren Anwendung besondere Vorteile
auf. Während
es nach herkömmlichen Verfahren
erforderlich ist, dem Patienten eine Blutprobe zu entnehmen und
diese in einem Labor auf den Blutsauerstoffgehalt zu untersuchen,
ermöglicht die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eine deutliche Vereinfachung. Zum einen können unmittelbar vor Ort Blutsauerstoffwerte
ermittelt werden und stehen dem Arzt insofern für die Untersuchung zur Verfügung. Zum
anderen kann eine Blutprobe, die dem Körper zur Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts entnommen
wurde, während
der Untersuchung in den Körper
zurückgeleitet
werden. Dadurch wird der Körper
bei der Untersuchung weniger belastet und die Untersuchungsergebnisse
stehen zeitlich wesentlich schneller zur Verfügung. Vor allem tritt bei der
erfindungsgemäßen Messzelle
kein oder nur ein sehr geringer Blutverlust auf.
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Vorzugsweise
ist der Innenraum der Messzelle, der die Blutprobe aufnimmt, in
einer ersten Dimension weiter ausgedehnt als in einer zweiten Dimension.
Dabei ist die zurückzulegende
Wegstrecke vorzugsweise die kleinere Dimension. Einfach gesagt,
weist die Messzelle einen rechteckigen Querschnitt des Innenraums
auf. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird berücksichtigt,
dass der Lichtstrahl beim Durchlaufen der Messzelle und der Blutprobe
dazu tendiert, auseinander zu laufen. Dabei steht im Vordergrund,
dass dem Körper
bei jeder Untersuchung nur eine möglichst geringe Blutmenge entnommen
werden sollte. Bei einer weiten Ausdehnung in einer Ebene und einer
sehr flachen Schicht Blut wird diesem Aspekt Rechnung getragen.
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Zur
Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts einer Blutprobe werden die
folgenden Schritte durchlaufen: Durchleuchten der Blutprobe auf
einer vorgegebenen Weglänge
mit Licht, und Messen der Intensität des Lichts nach dem Durchlaufen
der vorgegebenen Weglänge.
Die beiden Schritte werden so lange wiederholt, bis eine ausreichende
Anzahl von Messwerten vorliegt, um aus den gemessenen Intensitäten des
Lichts den Blutsauerstoffgehalt berechnen zu können. Auch beim diesem Verfahren
steht die Vorgabe einer vorgegebenen Weglänge im Vordergrund, die den
Verzicht auf das Pulsieren der Blutprobe ermöglicht. Vorzugsweise wird die
Blutprobe zunächst
mit Licht einer ersten Wellenlänge,
und dann mit Licht einer zweiten Wellenlänge durchleuchtet, wobei jeweils
die Intensität
der beiden Lichtstrahlen bestimmt wird. Diese Schritte werden so
lange wiederholt, bis sich der Blutsauerstoffgehalt aus den gemessenen
Intensitäten
hinreichend genau bestimmen lässt.
Hier können
Wiederholungen zwischen ein und zehn Mal vorteilhaft sein. Selbstverständlich sind
auch andere Wiederholraten vorstellbar.
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Das
Verfahren umfasst einen ersten Schritt zum Detektieren von Blut
in dem Weg des Lichts. Gemäß diesem
Verfahrensschritt wird zunächst
das Messmedium erkannt. Das Oximeter wird dabei nicht zur kontinuierlichen Überwachung
der Sauerstoffsättigung,
sondern zu einer zeitweiligen, z. B. vom Bedienpersonal gesteuerten
Messung der Sauerstoffsättigung
verwendet. Dies ist bei der Anwendung am Herzkathetermessplatz vorteilhaft.
Normalerweise befindet sich kein Blut in der Messvorrichtung. Wird nun
Blut in die Messvorrichtung (Messzelle) eingeführt, gelangt es in einen Bereich,
in welchem mit einer bestimmten Wiederholrate geprüft wird,
ob sich Blut in der Messzelle befindet. Erst wenn diese Überprüfung stattgefunden
hat, wird eine reguläre
Messung mit Lichtpulsen einer bestimmten Wiederholrate ausgelöst. Hierdurch
kann z. B. im mobilen Einsatz deutlich Energie eingespart werden.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren eine Messzelle der vorstehend
beschriebenen Art eingesetzt, so dass die definierte Weglänge durch
die Ausgestaltung der Messzelle vorgegeben ist.
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Bei
der Anwendung an einem Herzkathetermessplatz wird die Messzelle
z. B. mit Kochsalzlösung
gefüllt
sowie das Schlauchsystem, über
welches die Messzelle mit der Blutentnahmestelle gekoppelt ist.
Zur Untersuchung wird die Kochsalzlösung aus der Messzelle abgesaugt,
so dass Blut nachfließt
und schließlich
die Messzelle befüllt.
Eine Messung erfolgt, sobald das Blut die Messzelle erreicht hat.
Eine weitere manuelle Betätigung
kann insoweit ggf. entfallen.
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Die
Vorrichtung weist eine Steuerungseinheit auf, welche so ausgestaltet
ist, dass sie das vorstehend beschriebene Verfahren ausführt. Hierzu
werden typischerweise elektronische Prozessoren, Speicher und dergleichen
benötigt.
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Ein
Weg zur sicheren Erkennung des Messmediums ist die Benutzung einer
Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge unterhalb von 600 nm. In
diesem Wellenlängenbereich
absorbieren die Hämoglobinfraktionen
nahezu vollständig,
wogegen in diesem Wellenlängenbereich
eine Kochsalzlösung
mit dem Hauptbestandteil Wasser nur sehr gering absorbiert. Eine
einfache und preiswerte Alternative zur Erkennung des Messmediums
kann die Verwendung einer der beiden vorhandenen Messwellenlängen sein. Günstigerweise
sollte die Strahlungsquelle mit der längeren Wellenlänge dafür eingesetzt
werden, weil Wasser im Wellenlängenbereich
von 600 bis 800 nm eine sehr geringe Absorption aufweist. Demnach wird
die LED mit der niedrigsten Wellenlänge zur Detektion einer unblutigen
Flüssigkeit
(z. B. Kochsalzlösung)
verwendet. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Kochsalzlösung diese
Wellenlänge
so gut wie nicht absorbiert. Es ist demnach ein großes Signal
zu erwarten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch eine Lichtquelle und ein Mittel zur Bestimmung der Lichtintensität, bei welchem
es sich typischerweise um Leuchtdioden und um Fotodioden handelt.
Die Quelle ist vorzugsweise dazu geeignet, Licht zweier verschiedener
Wellenlängen
auszusenden. Vorstellbar sind aber auch Lichtquellen, die mehr als
zwei Wellenlängen,
d. h. mehr als zwei Leuchtdioden umfassen.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der Vorrichtung ermöglicht
ein drahtloses Empfangen und Senden von Daten. Hierzu werden typischerweise
Technologien wie Bluetooth o. Ä.
eingesetzt. Hierbei handelt es sich um eine Technologie für die drahtlose Übertragung
von Daten oder Sprachsignalen.
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Im
Unterschied zur bekannten Pulsoximetrie ermöglicht die Vorrichtung auch
eine Bestimmung von Blutsauerstoffwerten von deutlich unter 50%.
Daher ist die vorliegende Erfindung für Anwendungen geeignet, die
für die
herkömmliche
Pulsoximetrie nicht in Betracht kommen. Dabei ist es besonders vorteilhaft,
wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eine
eigene Energieversorgung, eine drahtlose Datenübertragung und dergleichen
aufweist.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel und
der Gebrauch der Vorrichtung anhand der Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Darstellungen
des Licht-Absorptionsverhaltens von den vier wichtigsten Hämoglobinbestandteilen
Hb, O2Hb, MetHb und COHb, und darunter das
Lichtabsorptionsverhalten von Wasser,
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2 die
schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer Messanordnung,
wie sie zur Pulsoximetrie gemäß dem Stand
der Technik eingesetzt wird,
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3 die
Anordnung gemäß 2 mit
einer Messzelle in einer ersten Anordnung,
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4 die
Anordnung gemäß 3 mit
einer Messzelle in einer zweiten Anordnung,
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5 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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6 ein
Flussdiagramm, welches die wesentlichen Schritte der Messung zeigt,
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7 ein
Flussdiagramm für
die Messroutine,
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8 eine
typische zeitliche Abfolge von Lichtpulsen an den Leuchtdioden und
das zeitlich korrelierte Erfassen von Messwerten,
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9 eine
perspektivische Darstellung einer Messzelle mit Anschlussstücken,
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10 nochmals
die Messzelle in einer detaillierteren perspektivischen Darstellung,
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11 die
Blutmesszelle in einer Draufsicht und weiteren Darstellungen von
vorne, von hinten und einen Schnitt,
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12 eine
weitere Schnittdarstellung der Blutmesszelle und weitere Schnittdarstellungen,
und
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13 eine
schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
in der oberen Hälfte
qualitativ das Absorptionsspektrum von Hämoglobin (Hb), Oxyhämoglobin
(O2Hb), Carboxyhämoglobin (COHb) und Methämoglobin
(MetHb) in einem Wellenlängenbereich
von 600 nm bis 1000 nm. Aus dem Absorptionsspektrum ist zu entnehmen,
dass eine geeignete Wellenlänge
zur Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts etwa bei 660 nm liegt,
weil hier die Differenz der Absorptionen von Hb und O2Hb
einen hohen Wert erreicht. Für
die anderen Bestandteile sind vorzugsweise andere Wellenlängen zusätzlich einzusetzen.
Darunter ist in einer eigenen Grafik das Absorptionsverhalten von
Licht in Wasser in Abhängigkeit
von der Wellenlängen
des Lichts dargestellt. Es ist zu erkennen, dass Wasser in einem
Bereich unterhalb von 700 nm kaum noch Licht absorbiert. Dieser
Effekt kann ausgenutzt werden, um zu erkennen, ob sich ein Absorbermedium
im Lichtweg befindet.
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2 zeigt
eine vereinfachte, schematisierte Darstellung einer Anordnung zur
Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts. Die Anordnung gemäß 2 wird
für die
herkömmliche
Pulsoximetrie eingesetzt. Ähnliche
Bestandteile können
jedoch auch so ausgestaltet und eingesteuert werden, dass sie für das Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet sind. 2 zeigt eine Klemme 1 zum
Anlegen einer Versorgungsspannung, welche über zwei Widerstände 4, 5 jeweils
mit einer ersten Leuchtdiode 2 und einer zweiten Leuchtdiode 3 gekoppelt
ist. In den Pfaden der Leuchtdioden 2, 3 befinden
sich je ein Schalter 7 und ein Schalter 8 zum
Unterbrechen der elektrischen Pfade. Die Schalter 7 und 8 werden
von einer nicht dargestellten Elektronik derart angesteuert, dass
die Leuchtdioden 2, 3 in regelmäßigen Pulsen und
z. B. alternierend an- und abgeschaltet werden. Natürlich ist
auch ein nichtalternierender Vorgang mit zwei Fotodioden 9 vorstellbar.
Dabei senden die Leuchtdioden Licht einer spezifischen Wellenlänge aus.
Die Leuchtdiode 2 beispielsweise Licht einer Wellenlänge von
660 nm und die Leuchtdiode 3 Licht einer Wellenlänge von
940 nm. Das wechselweise von den Leuchtdioden 2, 3 ausgesendete
Licht verschiedener Wellenlängen
dringt durch das Medium 6 und fällt auf die Fotodiode 9.
Diese erzeugt einen Strom im Ver hältnis zum einfallenden Licht,
welcher im Verstärker 10 in
eine zum Strom proportionale Spannung gewandelt und nachverstärkt wird,
und welche dann am Ausgang 11 der Messanordnung anliegt.
Das Signal am Ausgang 11 der Messanordnung wird nach einem
Verfahren, wie es später
bezüglich der 5 und 6 beschrieben
wird, weiterverarbeitet. Aus dem Ausgangssignal 11 der
Messanordnung wird der Blutsauerstoffgehalt des im Medium 6 befindlichen
Bluts bestimmt.
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3 zeigt
nun dieselbe Anordnung wie sie bezüglich 2 erläutert wurde,
wobei nun anstelle des Fingers 6 eine Messzelle 60 verwendet
wird. Die Messzelle 60 ist gekennzeichnet durch eine genau definierte
Weglänge
L, wobei diese letztlich den Abstand der Leuchtdioden 2,3 und
der Fotodiode 9 vorgibt. Insgesamt wird durch die Anordnung
und auch durch die vorgegebene Weglänge L der Messzelle also ein
definierter Absorptionspfad bereitgestellt. Zur Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts
wird eine dem menschlichen Körper
entnommene, definierte Menge Blut (Blutprobe) in die Messzelle 60 eingefüllt. Da
das Blut nun nicht mehr pulsiert, wird die Dimension der Messzelle 60,
insbesondere die Weglänge
L, die das Licht beim Durchleuchten des Bluts 70 zurückzulegen
hat, genau definiert. Zu dem sind auch die anderen Eigenschaften
der Messzelle bekannt, welche einen Einfluss auf das Licht, insbesondere
die Intensität
der Leuchtdioden 2, 3 beim Durchlaufen der Messzelle 60 haben.
Somit kommt die Vorrichtung auch ohne ein Pulsieren des Absorbermediums Blut 70 aus.
Gegebenenfalls ist eine einmalige oder auch wiederholte Kalibrierung
der Messvorrichtung erforderlich. Die Kammer für das Absorbermedium 70 weist
ebenfalls eine definierte Länge
L1 auf. So ergeben sich aus der Weglänge L1 und der Weglänge L wohldefinierte
Bedingungen für
die Messung gemäß der Erfindung.
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4 zeigt
die in vereinfachter Form ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
welches die gleiche Funktion aufweist, wie die Anordnung gemäß 3,
wobei sich jedoch diesmal die Leuchtdioden 2,3 und
die Fotodiode 9 in einer Anordnung befinden die eine Messung
in Reflexion ermöglicht.
Dabei wird das Licht der Leuchtdioden 2, 3 nicht
nach dem Durchlaufen der Messzelle auf der gegenüberliegenden Seite von der
Fotodiode 9 gemessen, sondern der reflektierte Anteil auf
der selben Seite wie die Leuchtdioden 2, 3. Auch
der reflektierte Anteil hängt
vom Blutsauerstoffgehalt des Blutes ab. In gleicher Weise, wie bezüglich 3 beschreiben,
sind auch hier die vorbestimmten Eigenschaften der Messzelle auf
der Wegstrecke auf der das Licht die Messzelle durchläuft bekannt
und vordefiniert. Dadurch kann in gleicher Weise der Blutsauerstoffgehalt der
Blutprobe bestimmt werden wie zuvor beschrieben. Es zeigt sich also,
dass die Erfindung in gleicher Weise für die Transmission, wie auch
die Reflexion geeignet ist. Die weiteren in 3 dargestellten Komponenten,
wie Schalter 7, 8, Spannungsquelle 1 oder
die Widerstände 4, 5 sind
in 4 vereinfachend weggelassen.
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5 zeigt
die Vorrichtung in einer vereinfachten schematischen Darstellung
gemäß 3, wobei
hier erfindungsgemäß auch noch
die Steuerungselektronik und weitere Peripheriegeräte berücksichtigt
sind. Gleichermaßen
kommt für
die Leuchtdioden 2, 3 und die Fotodiode 9 eine
Anordnung gemäß 4 in
Betracht. Zunächst
sind wieder die Leuchtdioden 2, 3 und die Schalter 7 und 8 zum
periodischen Ein- und Ausschalten der Leuchtdioden 2, 3 zu
sehen. Das Licht der Leuchtdioden 2, 3 mit jeweils
unterschiedlicher Wellenlänge
fällt wie
vorstehend beschrieben durch die Messzelle 60 auf die Fotodiode 9.
Das Ausgangssignal der Fotodiode wird in den Verstärkern 10 und 11 verstärkt und
in einem Mikroprozessor 12 weiterverarbeitet. Typischerweise wird
das Ausgangssignal zunächst
von einem analogen in einen digitalen Wert umgewandelt. Der Mikroprozessor 12 enthält typischerweise
einen Programmspeicher 13 und einen Datenspeicher 14.
Außerdem
weist der Mikroprozessor 12 verschiedene Steuerein- und
-ausgänge
auf, wie z. B. die Ausgänge 25 und 26 zur
Ansteuerung der Schalter 7 und 8 für die Leuchtdioden 2, 3.
Optional kann ein weiterer Ausgang 28 am Mikroprozessor 12 vorgesehen
sein, der zur Ansteuerung einer Messwertanzeige 15, insbesondere
einer LCD-Anzeige vorgesehen ist. Ein anderer Ausgang 29 ist
zur Ansteuerung einer Bluetooth-Schnittstelle 16 o. Ä. vorgesehen, über welche die
Messdaten oder auch Steuerungssignale gesendet und empfangen werden
können.
Wiederum ein anderer Ausgang 30 des Mikroprozessors 12 kann mit
einer Programmierschnittstelle 17 gekoppelt sein, welche
zum Programmieren des Mikroprozessors 12 eingesetzt werden
kann. Noch ein weiterer Ausgang 31 des Mikroprozessors 12 kann
z. B. mit einem Piezosignalgeber 18 o. Ä. gekoppelt sein, welcher beim Eintritt
bestimmter Ereignisse ein akustisches Signal abgibt. Dies kann z.
B. dann der Fall sein, wenn die Messwerte außerhalb vorgegebener Bereiche
liegen. Ein weiterer Anschluss 32 des Mikroprozessors 12 kann
mit einer Spannungsversorgung, insbesondere mit Akkumulatoren oder
Solarzellen 19 gekoppelt sein.
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Erfindungsgemäß können die
Messwerte des Blutsauerstoffs auch drahtlos übertragen werden. Es ist vorgesehen,
dass sich die Leuchtdioden nur dann für eine Messung einschalten,
wenn zuvor erkannt wurde, dass sich ein Messmedium (z. B. Blut 70)
in der Messzelle 60 befindet.
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Ein
weiterer, wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin,
dass Blutsauerstoffwerte bis herab zu 40% oder sogar 30% bestimmt
werden können.
Die üblichen
Pulsoximeter können
die Sauerstoffsättigung üblicherweise
nur in einem Bereich zwischen 95% und 99% detektieren. Die vorliegende
Erfindung ermöglicht
Anwendungen, bei denen Sauerstoffsättigungen von unter 50% zu
detektieren sind. So die Untersuchung der Koronagefäße an einem
sogenannten Herzkatheter-Messplatz. Dabei treten entweder bewusst
hervorgerufen, oder physiologisch bedingt sehr niedrige Blutsauerstoffwerte
auf.
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6 zeigt
ein vereinfachtes Flussdiagramm, welches den Ablauf des Messverfahrens
zur Bestimmung des Blutsauerstoffgehalts verdeutlichen soll. Nachdem
das Verfahren an Position 100 z. B. durch Knopfdruck oder
durch Einlegen der Messzelle in die Messvorrichtung gestartet wird,
wird zunächst überprüft, ob sich
das gewünschte
Absorbermedium, im vorliegenden Fall das Blut 70 in der
Messzelle 60 befindet. Diese Überprüfung findet im Block 200 statt. Solange
kein Blut 70 in der Messzelle 60 ist, wird keine
Messung gestartet. Die Überprüfung im
Block 200 erfolgt z. B. durch Aussenden von Licht einer
bestimmten Wellenlänge
und Überprüfen, in
welcher Intensität
dieses Licht bei der Fotodiode 9 gemäß 3 ankommt.
Solange das Licht nahezu unverändert
durch die Messzelle 60 gelangt, befindet sich dort kein
Blut 70.
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Um
besonders energiesparend zu sein, kann die Überprüfung auf Vorliegen des Messmediums
in großen
Zeitabständen
erfolgen. Sobald jedoch Blut 70 in der Messzelle 60 eintrifft,
wird eine Messung mit der Routine 300 gestartet. Entsprechend
werden die Leuchtdioden 2, 3 mittels der Schalter 7, 8 wechselweise
zum Leuchten gebracht und das Messsignal an der Fotodiode 9 wird
aufgenommen. Nachdem ein Messzyklus in der Routine 300 abgelaufen
ist, welcher nachfolgend noch detailliert erläutert wird, findet eine generelle
Kontrolle in der Routine 400 statt, ob die Messergebnisse
innerhalb bestimmter Toleranzen liegen. Ist die Kontrolle erfolgreich,
wird die Messung zunächst
beendet. Ergibt die Überprüfung in
der Routine 400, dass die Messergebnisse nicht verwertbar
sind, wird die Messung in der Routine 300 erneut gestartet.
An Position 500 ist die Routine beendet.
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7 zeigt
das Flussdiagramm in vereinfachter Form für die Routine 300 gemäß der 6. Nachdem
die Routine 300 im Block 301 gestartet wird, wird
im Block 302 zunächst
die erste Leuchtdiode 2 für eine definierte Pulsdauer
eingeschaltet. Nachdem der Puls beendet ist, wird in der Routine 303 ein
Nullabgleich für
die erste Leuchtdiode durchgeführt.
Dabei wird von dem Messwert, welcher während des Lichtpulses der ersten
Leuchtdiode 2 aufgenommen wurde, ein weiterer Messwert
abgezogen, welcher unmittelbar nach Abschalten der Leuchtdiode an
der Fotodiode 9 erfasst wird. Dadurch wird der Einfluss
von Fremdlicht eliminiert. Sodann wird in Schritt 304 der
Messwert abgespeichert. Der gleiche Vorgang wird sodann mit der
zweiten Leuchtdiode 3 in den Blöcken 312 (Pulsieren
der Leuchtdiode), 313 (Nullabgleich) und 314 (Messwert
abspeichern) durchgeführt.
Die Vorgänge
gemäß den Blöcken 302 bis 314 werden
solange ausgeführt,
bis eine bestimmte Anzahl von Wiederholungen erreicht ist. Die Überprüfung der
Anzahl der Wiederholungen für
die Messung erfolgt in Block 320. Ist die erforderliche
Anzahl der Wiederholungen erreicht, wird die Routine in Block 330 ausgeführt. Auf
diese Art können
z. B. je Leuchtdiode zehn Messwerte ermittelt werden. Sobald die
zehn Messwerte aufgenommen und abgespeichert sind, wird im Block 330 ein
Mittelwert über die
Messwerte der jeweiligen Leuchtdiode 2 bzw. 3 gebildet
und aus diesen beiden Mittelwerten das endgültige Messergebnis berechnet.
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In
Schritt 340 kehrt die Unterroutine zurück in die in 6 dargestellte
Hauptroutine und fährt
dort mit dem Block 400 fort.
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8 zeigt
eine typische Abfolge von Leuchtpulsen der Leuchtdioden 2, 3 der
Messvorrichtung bei Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. 8 zeigt
in der Zeile mit dem Bezugszeichen 20 für einen Analog-Digital-Wandler
außerdem
die Zeitpunkte, zu denen die Messwerte an der Fotodiode 9 erfasst
werden. So wird jeweils ein Messwert innerhalb des Leuchtpulses
der Leuchtdiode 2 erfasst, und sogleich ein zweiter danach
zu einem Zeitpunkt, wenn keine der beiden Leuchtdioden eingeschaltet ist.
Sodann wird ein Messwert erfasst, wenn die Leuchtdiode 3 eingeschaltet
ist, und sogleich danach, wenn keine der beiden Leuchtdioden 2 oder 3 Licht
aussendet. Die Messwerte, die unmittelbar nach den jeweiligen Pulsen
der Leuchtdioden aufgenommen werden dienen zum zuvor beschriebenen Nullabgleich.
Die Erfassung der Messwerte erfolgt typischerweise durch einen Analog-Digitalwandler 20.
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9 zeigt
eine Messzelle 60 mit Anschlussstücken 61 und Verbindern 62 in
einer perspektivischen, vereinfachten Darstellung. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Messmedium, z. B. Blut 70, über die
Schläuche
in die Messzelle 60 gezogen. Üblicherweise befindet sich
in den Schläuchen 61 und
den Verbindern 62 eine Kochsalzlösung, die auf der einen Seite
abgesaugt wird, so dass von der anderen Seite, welche mit einem
Blutgefäß gekoppelt ist,
Blut nachfließen
kann. Sobald sich die Messzelle, bzw. der Innenraum der Messzelle
mit Blut gefüllt
hat, wird eine Messung entweder manuell oder automatisch ausgelöst. Die
Messzelle 60 ist, wie zuvor beschrieben, mit den Leuchtdioden
und der Fotodiode gekoppelt. Bei den Schläuchen handelt es sich z. B. um
biokompatible und transparente Schläuche mit einer Knickfestigkeit
nach DIN EN 13868. Durch einen sehr geringen Innendurchmesser der
Schläuche kann
der Blutverlust bei der Untersuchung gering gehalten werden.
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In 10 ist
die Messzelle 60 nochmals in einer vergrößerten perspektivischen
Darstellung zu sehen. insbesondere ist hier die Messkammer 700 gestrichelt
im Innenraum der Messzelle 60 angedeutet. Die Abmessungen
der Messzelle 60, insbesondere auch die Dimensionen der
Messkammer 700 sind genau festgelegt, um die vorgegebene
Weglänge
L beim Durchlaufen der Kammer mit Licht einzuhalten. Erfindungsgemäß wird die
Blutmessvorrichtung auf eine bestimmte Messzelle kalibriert.
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11 zeigt
die Messzelle 60 nochmals in einer Draufsicht und einen
Schnitt durch die Messzelle entlang der Linie C-C. Zusätzlich ist
eine Vorder- und eine Rückansicht
der Anschlussseite 67 zu sehen. Der innere Hohlraum der
Messzelle 60 ist so ausgestaltet, dass möglichst
keine Rückstände von Blut
in der Messkammer 700 oder in anderen Bereichen der Messzelle 60 bleiben.
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12 zeigt
einen weiteren Schnitt durch die Messzelle entlang der Linie B-B, die in 10 dargestellt
ist. Zusätzlich
sind weitere Schnitte entlang der Linien A2-A2, M2-M2, M1-M1 und
A1-A1 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass die Messkammer 700 einen
rechteckigen Querschnitt aufweist. Andere Querschnitte sind jedoch
durchaus denkbar. Darüber
hinaus weist die Messzelle äußere Anschlussbereiche 67,
Einfüllbereiche 65 und
die bereits erwähnte Messkammer 700 auf.
Für die
Messzelle gilt in gleichem Maße
wie für
die Zugangsschläuche,
dass der innere Hohlraum so gewählt
werden sollte, dass eine möglichst
geringe Menge Blut bei der Messung aufgenommen wird.
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13 zeigt
eine bevorzugte Ausgestaltung der Messvorrichtung. Die Messzelle 60 ist über die Zugangsschläuche 61,
ein Ventil 72 mit dem Blut bzw. Infusionsstrom gekoppelt.
Eine Infusion ist somit z. B. am Schlauch 70 anschließbar. Eine
Spritze könnte
z. B. über
den Anschluss 71 angeschlossen werden. Am unteren Ende 73 befindet
sich eine Möglichkeit,
ein Blutgefäß über weitere
Schläuche
anzukoppeln. Üblicherweise
werden die Verbindungen über
sogenannte Luer-Lock-Verbindungen bereitgestellt. Um die Messzelle 60 herum
befindet sich das Sensormodul, welches die Leuchtdioden 3, 4 und
die Fotodiode 9 umfasst. 13 zeigt
eine Anordnung in Transmission der Messzelle 60. Gleichwohl
ist auch eine Anordnung gemäß 4 in
Reflexion für
die Dioden vorgesehen. Diese werden von der Steuereinheit 800 betrieben
und die Messsignale ausgewertet. Entsprechend befindet sich in der
Steuereinheit 800 eine Sensoreinheit 820 und ein
Treiber für
die Leuchtdioden, der die Pulse der Leuchtdioden 2, 3 auslöst. Die
Signalauswertung oder auch Mittelwertbildung der Messwerte erfolgt
im elektrischen Schaltkreis 830. Die Steuereinheit 800 beinhaltet
ebenfalls ein Modul 850, welches die Daten drahtlos an
eine Empfangsstation übermitteln
kann. Dieses Modul ist bevorzugt ein Bluetooth-Modul oÄ.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird bei der Herzkatheteruntersuchung eingesetzt. Es wurde nämlich erkannt,
dass es einen großen
Nachteil darstellt, dass es während
der kritischen Untersuchung am Herzen an einem Herzkathetermessplatz
erforderlich ist, die Blutsauerstoffwerte in umständlicher und
langwieriger Art und Weise zu bestimmen. Dabei wird herkömmlicherweise
eine Blutprobe entnommen, diese wird in ein Labor gebracht und dort
auf den Blutsauerstoffgehalt nach einem spezifischen Untersuchungsverfahren
untersucht. Wenn der Wert ermittelt wird, wird dieser dem Arzt mitgeteilt.
Es liegt auf der Hand, dass dabei viel Zeit verloren geht. Außerdem wird
dem Körper
fortwährend
Blut entnommen, was zu einem unerwünschten Blutverlust führt.
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Die
in dieser Anmeldung beschriebene Vorrichtung ermöglicht nun eine gänzlich neue
und wesentlich verbesserte Überprüfung der
Blutsauerstoffwerte. Dabei wird die Messzelle über ein Schlauchsystem o. Ä. mit einem
im Herzen liegenden Katheter gekoppelt. Die Messzelle und das Schlauchsystem sind
zunächst
mit einer Kochsalzlösung
o. Ä. gefüllt. Während der
Untersuchung wird nun von Zeit zu Zeit die Kochsalzlösung aus
der Messzelle und aus dem Schlauchsystem abgesaugt, so dass Blut über den Herzkatheter
von der interessierenden Position am Herzen in die Messzelle überführt wird.
Sobald die Messzelle mit Blut gefüllt ist, kann automatisch oder auf
Anforderung die Überprüfung des
Blutsauerstoffwerts stattfinden. Bevorzugt ist jedoch ein automatischer
Start der Messung. Da das Blut bei der Untersuchung nicht beeinflusst
wird, kann es nach der Untersuchung wieder in den Körper zurückgeführt werden,
indem lediglich Kochsalzlösung
von der anderen Seite der Messzelle gespült wird und so das Blut an
die Stelle des Herzens zurückbringt,
an der es entnommen wurde.
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In
der Herzkatheterdiagnostik kommen insbesondere die Angiokardiographie,
also die Darstellung der Herzhöhlen
und herznahen Gefäße mit Kontrastmitteln,
die Bestimmung des Herz-Zeit-Volumens nach Dr. Fick oder anderen
Verfahren, die Bestimmung der Gefäßwiderstände, die Shuntdiagnostik, die
Sondierung im Kinderherzen sowie Rechts/Links-Herzsondierungen bei
Erwachsenen in Betracht. Auch in der Intensivüberwachung kann die Vorrichtung
vorteilhaft verwendet werden. So z. B. bei der Überwachung der Atmung oder
bei der Überwachung
des Herz-Zeit-Volumens (cardiac Output).