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Verfahren zur Analyse des Koagulationsverhaltens von Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Analyse des Koagulationsverhaltens von Flüssigkeiten,
wie Blut, Latex etc.. Besonders bei Blut ist die Bestimmung des Koagulations-, d.h.
des Gerinnungsverhaltens, z.B. zur Diagnostik von Koagulopathien, Angiopathien und
Leberkrankhelten, sowie zur Überwachung von Patienten unter der Einwirkung von gerinnungshemmenden
bzw. gerinnungsfördernden Medikamenten eine wichtige Untersuchungsmethode. Auch
die RUckbildung,Fibrinolyse von Gerinnungskdrpern ist von Interesse.Deshalb sind
in Kliniken speziell eingerichtete Laboratorien nur damit beschäftigt, das Gerinnungsverhalten
von Blut zu bestimmen.
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Auch in der Chemie,etwa der Dispersionslacke, besteht großes Interesse
hinsichtlich der Untersuchung von Härtungsprozessen' Polymerisationsvorgängen und
der Ausscheidung fester Konglomerate aus Flüssigkeiten.
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Die bekannten Verfahren und Einrichtungen beruhen einerseits darauf,daß
bei der Gerinnung in den Flüssigkeiten feste Ausscheidungen
erkennbar
werden. So bleiben etwa beim Umrühren mit dünnen Drähten,Kapillaren etc. sich bildende
Fasern hängen und können gesehen werden. In mechanisch-optischen Anordnungen kann
die bei der Koagulation sich ändernde Beweglichkeit der Flüssigkeit bestimmt werden.
Alle diese Verfahren haben den Nachteil, daß sie entweder umständlich sind oder
ungenau, weil die auftretenden Veränderungen schon vor oder erst nach der Bildung
der ersten Ausscheidungen erscheinen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, nicht die optisch erkennbaren
Veränderungen zu benutzen, sondern diejenige der Viskosität. Ein hierzu verwendbares
bekanntes Gerät besteht aus einer Glasröhre, in welcher eine Kugel aus Stahl mittels
eines Magneten gehalten wird. Außerdem wird die Flüssigkeit durch eine oszillierende
Bewegung der Röhre mitbewegt, so daß unter der gleichzeitigen Einwirkung des magnetischen
Feldes und der Relativströmung der Flüssigkeit die Kugel eine Oszillation um eine
Gleichgewichtslage ausfülirt. Sobald die Viskosität der Flüssigkeit größer wird,
wird auch die Mitbewegung der Kugel größer, was leicht nachweisbar ist. Diese Methode
hat den Nachteil, daß sie wegen der immer erforderlichen neuen Einrichtung wenigstens
des Probenglases mit der Kugel aufwendig ist, sowie daß die für die Untersuchung
erforderliche Flüssigkeitsmenge groß ist. Andererseits ist es nachteilig, wenn das
Blut mit einer Vielzahl von Flächen tz.B. Glas, Stahlkugel oder Viskosimeteroberfläche
etc.) in Kontakt komst,wegen der damit verbundenen Verunreinigungen, die das System
stören und- z.B. Hämolyse verursachen können.
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Erfindungsgemäß sind die obengenannten Nachteile bei einem Verfahren
zur Bestimmung des Koagulationsverhaltens in FlUssigkeiten, wie Blut, Latex etc09
dadurch vermieden, daß die zu untersuchende Flüssigkeit in einem Behälter in ein
Magnetfeld eingebracht, einem hochfrequenten Wechselfeld ausgesetzt und das kernmagnetische
Verhalten der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt wird0
Die
Wirksamkeit dieser Methode läßt sich so erklären, daß durch die elektromagnetische
Beeinflussung-der Flüssigkeit eine Kernresonanz auftritt, die in der vorliegenden
Anordnung meßbar ist.
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Dies beruht darauf, daß die Wasserstoffkerne (Protonen) der in ein
Magnetfeld eingebrachten Materie polarisiert werden. Dieser magnetischen Kernpolarisation
wirkt die Wärmebewegung des die Kerne umgebenden Atom- und Molekülgitters entgegen.
Nach einer gewissen Zeit, entsprechend dem Kopplungsgrad der Kerne mit ihrer Umgebung,
stellt sich ein Gleichgewicht ein. Man spricht dann von einer Gleichgewichtsmagnetisierung
der Atomkerne. Die exponentielle zeitliche Annäherung an diese Gleichgewichtsmagnetisierung
wird durch die longitudinale Kernspingitterrelaxationszeit T1 charakterisiert. Diese
wird bestimmt durch die inneren, durch die Wärmebewegung der Atome und Moleküle
verursachten Wechselfelder und deren Frequenzanteil bei der magnetischen Kernresonanzfrequenz
T1 stellt ein Maß für die molekularen und atomaren Bewegungsvorgänge der Probensubstanz
dar. Mikroskopisch gesehen bestimmen diese u.a. auch die Viskosität der Substanz.
Die Koagulation z.B. des Blutes wird in ihrem Ablauf im wesentlichen durch die Änderung
der inneren molekularen Bewegungsvorgänge bestimmt.
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Der Nachweis der Kernmagnetisierung M ist etwa durch magnetische Kerninduktion
nach Ploch oder Kernabsorption nach Purcell et.al. möglich. Durch Anwendung eines
zur Richtung eines konstanten Magnetfeldes Ho senkrechten Hochfrequenzmagnetfeldes
H1 bei der charakteristischen Kernresonanzfrequenz
kann man M aus der konstanten Magnetfeldrichtung von Ho herausdrehen.
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Der um Hg präzessierende Vektor M kann dann mit einer Hochfrequenz-Empfangsspule
durch die damit induzierte elektrische Wechselspannung nachgewiesen werden. Diese
Wechselspannungsamplitude stellt somit ein Maß für die Magnetisierung dar. Da diese
andererseits vom Zustand der Probe abhängt, ist daraus ein Maß über den ablaufenden
Koagulationsvorgang zu erhalten.
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Beim Abschalten des erregenden Wechselfeldes klinkt die Magnetisierung
mit einer zweiten Zeitkonstanten T2 ab. T ist die sog. transversale oder Spin-Spin-Relaxationszeit.
Für niederviskose Flüssigkeiten ist T1 = T2 anzusetzen, während mit zunehmender
Substanzverfestigung T1> T2 wird. Die magnetischen Kernrelaxationszeiten T1 und
T2 geben daher in empfindlicher Weise Aufschluß über die molekularen Bewegungsvorgänge
in der Probe (sh. das Buch "Nuclear Magnetic Relaxation" von N.Bloemberger, W.A.
Benjamin, Inc., New York 1961).
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Um z.B. in einer Blutprobe Aufschluß über das Gerinnungsverhalten
zu erhalten, bestimmt man die Relaxationszeit T1 und T2 fortlaufend, weil ihre änderung
von den Änderungen in der Flüssigkeit abhängt. Als Meßmethoden kann man dabei z.B.
die direkte Sättigungs-Erholungsmethode, die kontinuierliche Sättigungsmethode und
die 180 0-Umkehrimpulsinethode anwenden. Bei der ersten Methode wird das Protonenresonanzsystem
der Probe durch eine große Hochfrequenzamplitude bei der Kernresonanz gesättigt,
d.h. die Magnetisierung M durch die "Aufheizung" mittels der Hochfrequenz des Spinsystems
zu Null gemacht. Die Frequenz beträgt dabei tUr die Protonen 4257,6 Hz/Gauss. Nach
Abschalten des starken Hochfrequenzfeldes steigt M entsprechend M = M0 (1-e- (t/T1))
wieder an. T1 läßt sich nun aus der Anstiegssteilheit der charakteristischen Exponentalkurve
bestimmen.
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Bei dem zweiten Verfahren der kontinuierlichen SSttigungsmethode erfolgt
eine kontinuierliche Anwendung eines relativ starken Hochfrequenzfeldes bei der
Kernresonanzfrequenz, die bei der Blutuntersuchung etwa 4000 Hz bis 80 MHz beträgt.
Die Kernresonanzsignalamplitude nimmt ab, entsprechend der inneren Parameter, die
T1 und T2 der untersuchten Substanz bestimmer mit sunehmender Amplitude des anregenden
Hochfrequenz-Magnetfeldes H1. Die An'regungsfeldstärke der Hochfrequenz wird dann
konstant gehalten, so daß das erhaltene Signal vom Zustand der Bu untersuchenden
Probe abhängt.
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Bei der dritten Methode bedient man sich einer Hochfrequenz-Impulsmethode.
Dabei wird mit einem kurzen starken Hochfrequenzfeld die Anfangsmagnetisierung umgekehrt.
Die Relaxationszeit T1 läßt sich dann bei der Beobachtung des Relaxationsprozesses
aus dem Nulldurchgang des Kernresonanzsignales bestimmen.
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Auch andere Methoden zur T1-Bestimmung sind noch bekannt. Diesen ist
gemeinsam, daß entweder von einer Nicht-Gleichgewichts-Magnetsierung ausgehend beobachtet
wird bzw. eine mit der natUrlichen Kernrelaxation in Konkurrenz stehende bekannte
entmagnetisierende oder magnetisierende Beeinflussung auf die Kerne zur Einwirkung
gebracht wird. Unter diesen veränderten Gleichgewichtsbedingungen ergeben sich neue
Resonanzsignale zur Bestimmung von T1.
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Die Spin-Spin-Relaxationszeit T2 kann in hinreichend homogenem Magnetfeld
aus der Resonanzlinienbreite
direkt bestimmt werden, entsprechend T2 =
Bei niederviskosen diamagnetischen Flüssigkeiten werden lange RelaxatXonszeiten
T2 erhalten, die nur schmale Linienbreiten aufweisen. Um hier die Linienbreite messen
zu können, sollte die Inhomogenität des Magnetfeldes im Probevolumen klein sein.
Zur Vereinfachung und Verbilligung des Magneten wird man daher meist größere Magnetfeldhomogenitäten
in Kauf nehmen und sich einer anderen Methode bedienen. Neben den mehr indirekten
Verfahren, bei denen meist das Produkt aus T1 und T2 erhalten wird, liefern die
Impulsechoverfahren T2 auf direktem Wege. Hierbei muß der Einfluß der Magnetfeld-inhomogenität
erst eliminiert werden. Bei dem sog. Hahntschen Impulsechoverfahren, welches später
von Carr und Purcell verbessert wurde, wird der Kernmagnetisierungsvektor Mo erst
durch einen starken Hochfrequenzimpuls bei der Resonanzfrequenz aus der HO-Feldrichtung
um 900 gedreht. Wenn H1 die Hochfrequenzfeldstärke darstellt, dann ist die Impuls-
| länge H2, ist |
| hältnis. EntspAechend der |
dabei das sog. gyromagnetische Vere Magnetfeldinhomogenität laufen nun die in der
zu Ho senkrechten Ebene um Ho präzessierenden Spins auseinander. Ein zweiter in
einer Zeit t < wirkender Hochfrequenzimpuls von der Länge nun alle Spins um 1800.
Die nun vom ursprun
| T2 auf die Spins |
| 2t + dreht |
| glichen splnsystem |
gesehen in entgegengesetzter Richtung präzessierenden Spins laufen dann wieder zusammen
und haben nach einem weiteren Zeit intervall t wieder Gleichphasigkeit erreicht.
Die gleichphasigen Spins können dann in einer Detektorspule ein sog. Spinechosignal
induzieren, desssen Größe durch den exponentiellen Abfall M = M0e(2t/T2) gegeben
ist.
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Nachfolgend werden weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung
anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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In der Fig. 1 ist ein perspektivisches Schaubild einer erfindungsgemäß
ausgestalteten Koagulations-Analyse-Einrichtung dargestellt, in der Fig. 2 das Prinzipachaltbild
einer solchen Vorrichtung und in der Fig. 3 das Blockschaltbild einer zur einfachen
Bedienung weiter ausgebauten Anordnung.
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In der Fig. 1 ist mit 1 der Kasten bezeichnet, in welchem sich die
Meßelemente der Einrichtung befinden. An der Oberseite des Kastens 1 ist eine Stativsäule
2 anebracht, an welcher ein Ausleger 3 angeschraubt ist, der eine Pipette 4 hält,
die einen elektrisch schaltbaren Mechanismus 5 trägt, mit welchem ein Reagens in
das Probenröhrchen 6 pipettiert werden kann. Das Probenrbhrchen 6 steht in einer
Öffnung im Kasten '1. An
der Frontplatte 7 befindet sich eine Scha-lterleiste
8 und das Fenster einer Oszillographenröhre 9 mit Halteschienen 10 und 11 für eine
nicht dargestellte Aufnahmekamera, die der Oszillographenröhre 9 zugeordnet werden
kann. In einer weiteren Leiste 12 sind Einstellglieder symbolisiert, mit welchen
einerseits verschiedene Schwingkreise des Hochfrequensteils abstimmbar und andererseits
die Anzeige der Oszillographenröhre verstellbar sind. An der seitlichen Wand des
Gerätegehäuses 1 ist mit einem Viereck 13 ein Steckkontakt symbolisiert, an welchem
eine Registrier- und Rechnereinheit anschließbar ist.
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In dem Blockschaltbild der Fig. 2 sind mit 14 und 15 die. Polschuhe
eines nicht weiter dargestellten Magneten bezeichnet,in dessen Feld von etwa 1000
bis 10.000 Gauss das Probenröhrchen 6 eingeführt wird. Den Polschuhen 14, 15 sind
durch die Pfeile 16, 17 symbolisierte Spulen zugeordnet, die über einen Modulationsgenerator
18 in Betrieb gesetzt, dem konstanten Magnetfeld eine relativ kleine Wechselfeldkomponente
bei den kontinuierlichen und den Sättigungs-Erholungs-Methoden überlagern können.
Der Meßeinheit 19, in welcher sich das Proberöhrchen 6 befindet, ist ein Thermostat
20 zugeordnet, mit welchem die Probe im Röhrchen 6 und dem Inhalt der Pipette 4
auf einer Temperatur von +370 gehalten wird. Die Probe ist in dem Hohlraum der Spule
21 eingesetzt. Über dem Oszillator 22, dem Verstärker 23 und das Dämpfungsglied
24 wird in der Spule 21 ein elektromagnetisches Hochfrequensfeld erregt. Andererseits
befindet sich an der Spule der Verstärker 25, der Uber den Demolator 26 an die Auswerteinheit
27 angeschlossen ist. Zur Sichtbarmachung des Ergebnisses ist an die Auswerteinheit
27 noch die Ausgabeeinheit 28 angeschlossen. Das eigentliche Anzeigeteil der Auswerteinheit
28 besteht in einem Schreiber,der den Koagulationsverlauf registriert. Zur Funktionskontrolleist
der Oszillograph 9 vorgesehen.
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Zur Bestimmung des Gerinnungsverhaltens von Blut wird einem Patienten
eine ausreichende Menge Blut entnommen und in die Proberöhre 6 gegeben, wobei das
Blut zur Verzögerung des Koagulierens durch Bindung von positiven Calziumionen mit
Zitronensäurelösung versetzt wird. Dem Proberöhrchen 6 ist die Pipette 4 zugeordnet,
die eine Calziumsalzlösung enthält. Sobald sowohl die Probe als auch die Calziumsalzlösung
+370C erreicht haben, wird mittels der Taste 29 das Gerät eingeschaltet und durch
Drücken der Taste 30 aus der Pipette die vorgesehene Menge Calziumsalzlösung in
das Probenröhrchen gelassen.
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Dadurch wird in bekannter Weise die Gerinnungshemmung aufgehoben.
Der durch den Schalter 31 eingeschaltete Oszillator und die durch den Schalter 32
eingeschaltete Auswerteinheit zeigen dann auf dem Schreiber 28 bzw. auf dem Oszillographenschirm
das Koagulationsverhalten des Blutes in der Form einer Blutgerinnungskurve an.
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Die Wirkungsweise des Gerätes ergibt sich dabei dadurch, daß die Probe
im Röhrchen 6 in das Feld des Magneten mit den Polschuhen 14, 15 gebracht ist, so
daß die Teilchen der Probe magnetisch polarisiert und ausgerichtet sind. Gleichzeitig
wird das Röhrchen 6 mit Inhalt durch den Thermostaten 20 auf konstanter Temperatur
gehalten, bei Blut vorzugsweise auf +37ob( Durch das Wechselfeld, welches vom Oszillator
22 stammt, und über den Verstärker 23 und das zur Amplitudenanpassung vorgesehene
Dämpfungsglied 24 auf die Probenspule 21 gelangt, werden die in der Probe vorhandenen
Protonen in gleichphasige Drehbewegungen (Präzession) versetzt. Empfängerseitig
befindet sich nach dem Verstärker 25 der Demodulator 26, mit welchem das hochfrequente
Signal in ein niederfrequentes Signal verwandelt wird, welches direkt vom Oszillographen
9 sichtbar gemacht wird.
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Das dann an die Auswerteinheit 27 gelangende NSederfrequenssignal
wird dort in eine Größe umgewandelt, die von direkter medizinischer Bedeutung ist.
Mit der Ausgabeeinheit 28 werden
die medizinisch interessierenden
Größen ausgedruckt bzw. der Gerinnungsverlauf der probe als Kurvenzug, je nachdem,
in welcher Form die Einheit ausgelegt ist, ob als Typendrücker oder als Linienschreiber,
wie im dargestellten Beispiel, oder als Kombination etc..
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Zur Sichtbarmachung des Kernresonanssignals auf dem Oszillographen,
welches auch zur Einjustierung der Frequenz des Generators 22 bzw. der Feldstärke
des Magneten 14, 15 erfordZrlich ist, kann das Magnetfeld durch den Modulationsgenerator
18 über die Nodulationsspulen 16, 17 niederfrequent moduliert werden. Bei der totalen
oder partiellen Resonanz-Sättigungsmethode ist durch die Magnetieldmodulation eine
kontinuierliche Beobachtung des Kernresonanzsignals (der Kernpolarisation) möglich.
Bezüglich der Analyse des Gerinnungsverhaltens des Blutes ergibt dies den Vorteil
einer großen Zeitauflösung.
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Im Prinzip stimmt die Anordnung gemäß Fig. 3 mit derjenigen nach Fig.
2 weitgehend überein. Die einzelnen Gerätegruppen sind lediglich so mit Schaltelementen
ergänzt, daß eine fUr den alltäglichen Klinikbetrieb geeignete einfache Aufnbhmetechnik
möglich wird. Auch hier wird die Probe in einem Probendetektor 33 gebracht, der
mittels des Thermostaten 34 auf +37°C, d.h. der Körpertemperatur gehalten wird.
Dem Probendetektor 33 wird vom Oszillator 35 über die Torschaltung 36 und den Breitbandverstärker
37 das Hochfrequenzsignal Kugel bracht, welches dann zur Auswertung über das Tor
98, die Mischstute 39, den Verstärker 40, den Demodulator 41 und den Verstärker
42 zur Meßwerterfassungseinhett 43 gelangt. Von dieser Einheit aus wird das Signal
dann zur Anpassung dem Sortierer 44 zugeführt, der an den Rechner 45 angeschlossen
ist, auf den die Ausgabeeinheit 46 folgt.
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Zur Nachführung der Frequenz auf Resonanzbedingung ist der Breitbandverstärker
37 über den Kontrolldetektor 48, der sich mit einer Referenzsubstanz im Magnetfeld
befindet, mit dem Frequenzregelkreis 49 verbunden. Die im Frequenzregelkreis 49
erzeugte Nachstimmspannung stimmt den Oszillator 35 und den Oszillator 47 nach,
der mit der Mischstufe 39 in Verbindung steht.
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Das Gerät ist zur Wahl verschiedener Meßprogramme mit der Programmwahleinheit
50 versehen, die einerseits zur Einstellung des Pulsprogrammes für die verschiedenen
obengenannten Methoden mit der Pulsprogrammeinheit 51 verbunden ist und andererseits
zur Einstellung der Meßzeit auf die Meßzeiteinheit 52 einwirkt, die ihrerseits mit
dem Rechner 45 verbunden ist.
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Die Einheit 51 wird über den Trigger 53 periodisch gestartet, der
von der Programmstarteinheit 54 in Betrieb gesetzt wird..
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Die Starteinheit 54 ist außerdem noch mit dem Probenwechsler 55 verbunden,
der als Schlitten ausgebildet ist. Er könnte aber auch als karussell etc. aufgebaut
sein. Der Wechsler 55 weist für den Simultanbetrieb, d.h. der abwechselnden Messung
zweier oder mehrerer Proben bzw. der abwechselnden Messung von T1 und T2 eine Verbindung
zum Rechner 45 auf. Außerdem ist die Probenwechslereinheit 55 mit der Probenerkennungseinheit
56 verbunden, die über die Einheit 57 die Patientondaten für den Rechner 45 abruft.
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Auch bei dieser Anordnung kann ein Modulationsgenerator 58 vorgesehen
sein, mit welchem die Spulen' 59 und 60 in Betrieb gesetst werden, welche die Pole
61 und 62 des Magneten beeinflussen. Dann bestehen die in Fig. 3 noch gestrichelten
Verbindungen zwischen dem Osillator 35 und dem Probendetakter 33, sowie dem Kontrolldetektor
48* Die Verbindung vom Breitbandverstärker 37 zum Probendetektor 33 wird dafür weggelassen.Diese
Ausgestaltung ergibt sich bei der direkten SSttigungs-Erholuulgsmethode und bietet
die Möglichkeit der T1-Messung.