DE19511610A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des zirkulierenden Blutvolumens eines lebenden Organismus - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des zirkulierenden Blutvolumens eines lebenden Organismus mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein der­ artiges Verfahren sieht als Ausgangsbasis die Verwendung einer dem Organismus zuzu­ führenden Markersubstanz nach dem Verdünnungsprinzip vor, wobei zunächst die Ab­ nahme einer ersten Blutprobe, nämlich einer Leerprobe aus dem Organismus und sodann die Bestimmung eines Leerwertes anhand der Leerprobe betreffend die Konzentration der anschließend zuzuführenden Markersubstanz im Blutkreislauf des Organismus vorge­ sehen ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines sol­ chen Verfahrens.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß das zirkulierende Blutvolumen intra- und perioperativ durch akute Blut- und Flüssigkeitsverluste des der Operation unterworfenen Organismus sowie durch die durchgeführte Infusions- und Transfusionstherapie am Or­ ganismus starken Schwankungen unterworfen ist. Die genaue Kenntnis und die Kontrolle des intravasalen Blutvolumens ist bekanntermaßen gerade bei solchen operativen Situa­ tionen sowie nach äußeren Verletzungen und bei kardio-chirurgischen und septischen Intensivpatienten für eine erfolgreiche Durchführung der operativen und postoperativen sowie therapeutischen Behandlung von sehr großer Bedeutung.

Stand der Technik

Als Stand der Technik ist es lediglich bekannt, das Blutvolumen am lebenden Organis­ mus nur auf indirekte Weise zu bestimmen. Die Mehrzahl der Bestimmungsmethoden be­ ruht dabei auf dem sogenannten Verdünnungsprinzip, wobei eine bekannte Menge einer Test- oder Markersubstanz intravenös dem Organismus injiziert und nachfolgend die Konzentration nach einer gewissen Durchmischungszeit im Blut gemessen wird. Da die injizierte Menge der Testsubstanz konstant bleibt, verhält sich die Konzentration der Testsubstanz umgekehrt proportional zum Verteilungsvolumen.

Unter der Voraussetzung, daß die Testsubstanz sich dabei strikt intravasal verteilt, kann dadurch je nach verwendetem Marker entweder das Erythrozyten- oder das Plasmavo­ lumen des Blutes, bzw. durch Addition beider Volumina, das Gesamtblutvolumen be­ rechnet werden.

Zur Bestimmung des Plasmavolumens stehen z. B. Farbstoffe wie Indocyanin oder radio­ aktiv-markiertes Albumin zur Verfügung. Zur Messung des Erythrozytenvolumens wer­ den ein definiertes Volumen autologen Blutes radioaktiv bzw. mit Fluoreszenzfarbstoff in vitro bzw. die Erythrozyten durch Inhalation einer definierten Menge Kohlenmonoxid in vivo markiert. Die radioaktiven Verfahren sind aufgrund ihrer Strahlenbelastung und der Gefahren für Patienten und Personal für den routinemäßigen Einsatz im Operations­ saal und auf der Intensivstation nicht geeignet. Die Anwendung von Kohlenmonoxid als Erythrozytenmarker setzt das funktionell als Sauerstoffträger nutzbare Hämoglobin her­ ab und verbietet sich daher bei kritisch Kranken. Die perioperative Anwendung anderer Methoden (z. B. Fluoreszenzmarkierung von Erythrozyten) ist durch ihren hohen perso­ nellen apparativen und insbesondere zeitlichen Aufwand stark eingeschränkt.

Es ist mithin keine Bestimmungsmethode bekannt, die routinemäßig und unproblematisch zur Messung des Blutvolumens perioperativ bzw. bei posttraumatischen oder septischen Intensivpatienten einsetzbar ist. Der Blutverlust kann nur relativ ungenau geschätzt und ein Volumenmangel bzw. eine Übertransfusion nur anhand klinischer Zeichen vermutet werden. Ein schnell und einfach durchzuführendes (automatisches) Verfahren, das pati­ entennah zur perioperativen Blutvolumenbestimmung sowie bei Intensivpatienten einge­ setzt werden könnte, wäre daher zur Durchführung einer adäquaten Transfusions- und Infusionstherapie von großer Bedeutung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, bei dem an einem Organismus eine Markersubstanz eingesetzt wird und das nach dem Verdünnungsprinzip arbeitet, derart weiterzubilden, daß es schnell durchführbar und hinlänglich genau ist und damit intraoperativ zur Bestimmung des aktuellen Blutverlustes bzw. zur Erfassung des prä- und postoperativen Volumenstatus eingesetzt werden kann. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der solch ein Verfahren weitge­ hend automatisch durchführbar ist.

Was das Verfahren anbelangt, wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung, mit der das Verfahren aufgabengemäß auto­ matisch durchgeführt werden kann, ergibt sich aus den Ansprüchen 20-25.

Als Kern der Erfindung wird es angesehen, zunächst ein Verfahren anzugeben, das als Markersubstanz Zuckerpolymere vorsieht. Eine derartige Markersubstanz ist - eine ent­ sprechende Dosierung vorausgesetzt - für Patienten unschädlich, kann in Operationsbe­ reichen ohne Wechselwirkung mit anderen während der Operation verwendeten Mitteln eingesetzt werden und liefert hinreichend genaue Blutvolumenwerte, wenn sie entspre­ chend analysiert wird, wie dies verfahrensmäßig vorgesehen ist. Das Verfahren ist im Operationssaal oder auf Intensivstationen durch Krankenschwestern oder durch Hilfs­ kräfte schnell und einfach durchzuführen, insbesondere in Verbindung mit einem Meßge­ rät, das automatisiert und prozeßgesteuert arbeitet, läßt sich das Verfahren sehr gut re­ produzierbar durchführen.

Ist die Markersubstanz nach den Ansprüchen 2-10 beschaffen, werden besonders gute und genaue Meßergebnisse erzielt, die in wenigen Minuten vorliegen und die Einschal­ tung von externen Labors unnötig machen. Die Erfindung bietet somit dem für die Infu­ sion und Bluttransfusion zuständigen Arzt innerhalb des Operationsbereichs erstmals die Möglichkeit, durch einen Vergleich mit einem präpoperativ gemessenen Ausgangs- bzw. Sollwert die Indikationen für eine Infusion bzw. Transfusion oder für die Gabe Diuretika bzw. Herz-Kreislauf-stimulierenden Medikamenten zu überprüfen und nachzuweisen.

Für die Analyse des in seine Bestandteile aufgespaltenen Zuckers läßt sich mit Vorteil ein Fotometer oder ein Biosensor verwenden. Für die Genauigkeit des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn das Blutplasma entsprechend den Verfahrensschritten 13-16 behandelt wird.

Weitere Aufschlüsse über den Zustand des Organismus werden erhalten, wenn parallel zur dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 19 durchgeführt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Blutvolumen-Bestimmungsverfahrens nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche besteht im wesentlichen aus einem Probenaufneh­ mer, der über ein Leitungssystems mit einer Reaktionskammer und nachfolgend einer Meßvorrichtung in Verbindung steht. Transport und Portionierung der Blutprobe erfolgen durch Dosiervorrichtungen in Form von Kolbenhubpumpen, die über Ventilsysteme im Leitungssystem der Gesamtvorrichtung angeordnet sind. Dosierung und Transport der Blutproben erfolgen ferner prozeßgesteuert, wozu ein Rechner/Prozessor vorgesehen ist, der zum einen die Steuerung der Einzelelemente der Vorrichtung übernimmt, zum anderen aber auch die Auswertung der Ausgangsdaten der Meßvorrichtung besorgt. Ein Datenausgang des Prozessors ist mit einem Display verbunden, auf dem die ermittelten Werte anzeigbar sind.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnungsfigur näher erläu­ tert. Diese zeigt
einen schematischen Aufbau eines mikroprozessorgesteuerten automatischen Blutvolumenmeßgerätes.

Der Einsatz der Vorrichtung setzt zunächst voraus, daß einem Patienten (Mensch oder Tier) eine Blutprobe zur Bestimmung eines Leerwertes entnommen wird. Anschließend werden dem Patienten 100 ml einer Zuckerpolymerlösung, z. B. 10%ige Hydroxyäthylstärkelösung innerhalb eines Zeitraumes von ca. zwei Minuten injiziert. Nach einer ausreichenden Durchmischungszeit im Blut (ca. fünf Minuten) wird eine weitere Blutprobe, nämlich die Meßprobe entnommen. Aus den beiden Blutproben und dem Hämatokrit des Patienten werden Plasmavolumen, Erythrozytenvolumen und Ge­ samtblutvolumen folgendermaßen bestimmt.

Die Blutproben werden zunächst von einem Probenaufnehmer 1 des Meßgerätes ange­ saugt. Das Blutplasma (Verteilungsraum der Hydroxyäthylstärke) wird darin von den Blutzellen durch ein Filter 2 mittels Unterdruck 3 getrennt und in einem Plasmareservoir 4 aufgefangen. Durch eine mikroprozessorgesteuerte Kolbenhubpumpe 5 wird dann aus dem Plasmareservoir 4 ein definiertes Volumen (z. B. 0,6 ml) Plasma angesaugt und über ein elektronisch gesteuertes Dreiwegeventil 6 in eine druckdichte Thermokammer 7 ge­ pumpt. Nach Zugabe eines bestimmten, pumpengesteuerten Volumens einer Säure (z. B. 0,15 ml 2N Hcl) aus einem Säurereservoir 8 wird die Plasmaprobe durch elektrisches Aufheizen der Thermokammer 7, gegebenenfalls mit Überdruck, gekocht, bis die Zuk­ kerpolymere (z. B. Hydroxyäthylstärke) quantitativ (d. h. vollständig) zu Monomeren (Glucose) hydrolysiert sind. Anschließend werden zur Neutralisation des Plasmas auf ein physiologisches pH (ca. 7,4) und unter Abkühlung der Thermokammer 7, über eine mi­ kroprozessorgesteuerte Pumpe Lauge (z. B. 0,55 ml 3,33 M Trispuffer) aus einem ge­ kühlten Laugenreservoir 9 in die Thermokammer 7 gepumpt. Über eine Filterpatrone 10, welche die ausgefällten Eiweiße zurückhält und die z. B. über eine mikroprozessorge­ steuerte Rotation einer automatisch bestückten Filterpatronentrommel zwischen Ther­ mokammer und einer mikroprozessorgesteuerte Kolbenhubpumpe 11 geschaltet werden kann, wird dann ein bestimmtes Volumen des Reaktionsgemisches mit den Zuckermo­ nomeren der quantitativen Analyse zugeführt. Dabei wird die Konzentration der Zuk­ kermonomere (z. B. Glucose) im Reaktionsgemisch gegebenenfalls nach einer weiteren chemisch/enzymatischen Umsetzung der Monomere in einer Reaktionskammer 12, mit einem enzymatisch/fotometrischen Verfahren bzw. mit einem Biosensor 13 gemessen.

Nach Abzug der Leerwert-Konzentration vom Verdünnungswert und unter Berücksich­ tigung des parallel dazu im Meßgerät, bzw. extern gemessenen Hämatokrits der Blutpro­ be, wird dann vom Mikroprozessor 14 das aktuell zirkulierende Volumen von Plasma, Erythrozyten, und Gesamtblut berechnet und über ein Display 15 ausgegeben.

Optional kann nach einer geräteinternen Messung bzw. Berechnung oder Eingabe einer extern erfolgten Messung der Konzentration von Hämoglobin oder eines anderen Blutpa­ rameters (z. B. Albumin) in der Blutprobe auch die aktuelle Gesamtmenge des zirkulie­ renden Hämoglobins bzw. anderer Blutparameter berechnet werden und einem gemesse­ nen Ausgangswert bzw. einem Sollwert gegenübergestellt werden.

Das zu berechnende Blutvolumen BV ist der Konzentrationsdifferenz (Meßwert minus Leerwert) der im Blutplasma gemessenen Zuckermonomere (MoS.Konzdifl) umgekehrt proportional.

BV = k* (1/MoS.Konzdiff)

Die Konstante k ist dabei abhängig vom injizierten Volumen des Zuckerpolymers (PoS.V) und einer Funktion des Hämatokrits (f(Hkt)):

k = PoS.V*f(Hkt)

Die Funktion des Hämatokrits wird aus einer in vitro bestimmten Standardkurve ermit­ telt, die aus der Abhängigkeit der MoS.Konzdiff vom Verdünnungsverhältnis des Zuk­ kerpolymers im Blut bei unterschiedlichen Hämatokritwerten per Regressionsanalyse be­ rechnet wird.

In der Regel wird diese Funktion linear sein, d. h. f(Hkt) = a + b*Hkt.

Für das Zuckerpolymer Hydroxyäthylstärke in 10%iger-Lösung als Blutvolumenmarker berechnet sich das Blutvolumen eines Patienten nach Injektion von 100 ml Hämofusin und nach Bestimmung der Konzentrationsdifferenz der Glucose im Plasma (vor und nach Injektion) [in mg%] und dem Hämatokrit [in %] folgendermaßen;

BV [in ml] = (2578 + 64,63*Hkt) * (100/Gluc.Konzdiff).

Bezugszeichenliste

 1 Probenaufnehmer
 2 Filter
 3 Unterdruck
 4 Plasmareservoir
 5 Kolbenhubpumpe
 6 Dreiwegeventil
 7 Thermokammer
 8 Säurereservoir
 9 Laugenreservoir
10 Filterpatrone (Eiweißfilter)
11 weitere Kolbenhubpumpe
12 Reaktionskammer
13 Biosensor
14 Mikroprozessor
15 Display

Claims (25)

1. Verfahren zur Bestimmung des zirkulierenden Blutvolumens eines lebenden Organis­ mus unter Verwendung einer dem Organismus zuzuführenden Markersubstanz nach dem Verdünnungsprinzip, mit folgenden Verfahrensschritten:

• - die Abnahme einer ersten Blutprobe (Leerprobe) aus dem Organismus zur Bestim­ mung eines Leerwertes betreffend die Konzentration einer anschließend zuzuführen­ den Markersubstanz im Blutkreislauf des Organismus,
• - intravasale Einleitung von Zuckerpolymeren als Markersubstanz in definierter Men­ ge in den Organismus,
• - Abnahme einer weiteren Blutprobe (Meßprobe) nach einer kreislaufbedingten Durchmischungszeit aus dem Organismus,
• - Hydrolysierung der Zuckerpolymere in der Leer- und Meßprobe zu Monomeren;
• - Berechnung des Blutvolumens aus der Differenz der Monomerkonzentrationen im Plasma vor und nach der Einleitung der Zuckerpolymere in den Organismus.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Zuckerpolymeren als Marker, die nach folgender Formel linear oder verzweigtkettig aus glykosidisch gebundenen Monosacchariden (MoS) aufge­ baut sind: (MoS1-MoS2 . . . -MoSm)-(MoS1-MoS2- . . . MoSm)-(MoS1-MoS2- . . . MoSm)nmit m = 1-10 verschiedenen MoS und n=1-x beliebig vielen Wiederholungen der Ket­ tenglieder.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Monosaccharide Aldosen und Ketosen verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Monosaccharide Glucose, Galaktose, Mannose, Fruktose, Xylose und/oder Arabinose bzw. Kombinationen aus genannten Monomeren verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Monosaccharide des als Marker verwendeten Polymers derivatisiert sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Marker Hydroxyäthylstärke verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Markermonoiner Hydroxymonosaccharid verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Markermonoiner Desoxymonosaccharid verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Markermonomer ein Aminomonosaccharid verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Marker eine 10%ige Hydroxyäthylstärkelösung verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Leerprobe als auch die Meßprobe dem Probenaufnehmer eines Meß­ gerätes zugeführt werden, in dem das Blut prozeßgesteuert in korpuskuläre Elemen­ te und Blutplasma aufgetrennt wird, das Blutplasma nachfolgend portioniert einer Thermokaminer zugeleitet wird, in der der Zucker durch Zugabe von Säure unter Einwirkung von Wärme in seine Bestandteile aufgespalten und einer nachfolgenden Analysevorrichtung zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse des in seine Bestandteile aufgespaltenen Zuckers durch ein Fotome­ ter oder einen Biosensor erfolgt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blutplasma nach der Hydrolysierung der Zuckerpolymere in Monomere un­ ter Zufügung von Lauge neutralisiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutralisation des Blutplasmas auf einen physiologischen Ph-Wert von etwa 7,4 erfolgt.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauge aus einem gekühlten Laugenreservoir in die Thermokammer gepumpt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Thermokammer während der Zugabe von Lauge abgesenkt wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blutplasma über eine Filterpatrone geleitet wird, durch welche die aus dem Plasma ausgefällten Eiweiße abgesondert werden.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gefilterte Plasma zusammen mit den Zuckermonomeren einer weiteren Re­ aktionskammer zugeführt wird, in welcher die Zuckermonomere che­ misch/enzymatisch umgesetzt und einem enzymatisch/fotometrischen und/oder ei­ nem biosensitiven Auswerteverfahren zugeführt werden.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im Organisinus aktuell zirkulierende Volumen von Plasma, Erythrozyten und Gesamtblut unter Berücksichtigung des parallel dazu im Meßgerät und/oder extern bestimmten Hämatokrits (prozentualer Volumenanteil der korpuskulären Elemente am Gesamtblutvolumen) der Blutprobe berechnet wird.

20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
Die Vorrichtung weist einen Probenaufnehmer (1) zur Aufnahme einer aus einem Organismus abgezogenen Blutprobe auf, der mit einer Thermokammer (7), in wel­ cher die Blutprobe einer physikalisch-chemischen Behandlung unterzogen wird, in Verbindung steht, wobei eine Filterung der Blutprobe erfolgt und das gefilterte Blutplasma über eine Dosiervorrichtung (Kolbenhubpumpe 5) abgezogen und auto­ matisch der Thermokammer (7) zugeführt wird, welche mit mindestens einem Säure­ reservoir (8) in Verbindung steht, aus welchem automatisch steuerbar eine dosierba­ re Menge Säure in die Thermokammer (7) einführbar ist und der Thermokammer (7) eine Filtervorrichtung (Eiweißfilter 10) nachgeschaltet ist, über die eine automatisch dosierbare Probe des gefilterten Reaktionsgemisches aus der Thermokammer (7) ei­ ner Meßvorrichtung (13) zur Bestimmung der Monomerkonzentration im Reakti­ onsgemisch zugeführt wird.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Thermokammer (7) ein Laugenreservoir (9) verbunden ist, aus welchem eine autoinatisch dosierbare Laugenmenge in die Thermokammer (7) einführbar ist.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierung der in die Thermokammer (7) automatisch einführbaren Plasma­ probe, Säureprobe und Laugenprobe sowie die Dosierung und Weiterleitung der aus der Thermokammer (7) abgezogenen Reaktionsgemischproben in nachfolgende Baugruppen der Vorrichtung (gegebenenfalls eine weitere Reaktionskammer) und Meßvorrichtung über einen Prozessor gesteuerte Kolbenhubpumpen erfolgt.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangsbereich des Probenaufnehmers (1) ein Vakuumanschluß (3) vorge­ sehen ist, mit welchem die Abflußseite eines im Probenaufnehmer (1) angeordneten Filters (2) mit Unterdruck beaufschlagbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der vorliegenden Ansprüche 20-23, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung ein Biosensor (13) ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Biosensors (13) einem Mikroprozessor (14) zugeführt wird, der mindestens einen Steuerausgang (16) zur Steuerung der Kolbenhubpum­ pen und einen Datenausgang (17) zur Ausgabe von Daten an eine Anzeigevorrich­ tung (Display 15) aufweist.