DE2829269C3

DE2829269C3 - Verfahren zur Bestimmung von kardiologischen Meßgrößen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2829269C3
Application number: DE2829269A
Authority: DE
Inventors: Ewald Max Christian Dipl.-Phys. 6000 Frankfurt Hennig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-04
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1981-11-05
Also published as: DE2829269B2; US4296754A; DE2829269A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung von kardiologischen Meßgrößen in Abhängigkeit von den elektrischen Eigenschaften des Körpers von Lebewesen und seinen funktionsbedingten Veränderungen, wobei an beliebigen Stellen des Körpers Einrichtungen zur Erzeugung eines Signals, das Abweichungen der Impedanz von einer Grundimpedanz darstellt, vorgesehen werden.

Insbesondere eignet sich die Erfindung als «in Verfahren zur Bestimmung des Blutdruckes, des Blutflußes und weiterer kardiologischer Größen bei Menschen und Tieren.

Blutdruck- und Blutflußmessungen sind für die Medizin von besonderer Bedeutung. Durch diese Messungen sind entscheidende Informationen für die Analyse der Herztätigkeit und der Blutversorgung von verschiedenen Körperteilen bei Menschen oder Tieren erhaltbar. Die Blutflußmessung ermöglicht eine direkte Bestimmung der mechanischen Leistung des Herzens, während andererseits die Elektrokardiologie nur aufgrund von zugehörigen Aktionsströmen eine vorwiegend qualitative Aussage über die Herztätigkeit ermöglicht

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Blutflußmessung sowie zugehörige Vorrichtungen bekannt (H. Kresse: Fortbildungsvortrag von der 51. Physiker-Tagung 197;' in Karlsruhe »Aspekte der Physik in der modernen Medizin-Technik«, Physikalische Blätter, 34. Jahrgang, Heft 4/1978).

Bei der Venenverschlußplethysmographie werden die Venen eines Körperabschnitts blockiert und die resultierende Umfangsänderung gemessen. Dies geschieht z. B. durch die Messung des Widerstandes eines um den Körperabschnitt gelegten, mit Quecksilber gefüllten Schlauches (z. B. DE-AS 15 66 075).

Bei der Eigengasmessung der Blutströmung wird das vom Herzen ausgeworfene Blutvolumen mit Hilfe der Lungendurchblutung bestimmt. Durch Registrierung der Sauerstoffaufnahme und Messung der Sauerstoffanteile von venösem Mischblut und arteriellem Blut vor und hinter der Lunge kann das Herz-Minuten-Volumen bestimmt werden. Dieses Verfahren führt zu befriedigenden Ergebnissen, jedoch ist dies in der praktischen Durchführung schwierig zu realisieren, da zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des venösen Mischblutes ein zentral venöser Katheter in die rechte Herzkammer eingelegt werden muß. Für die normale klinische Routine ist dies nicht zumutbar.

Bei der Farbstoffverdünnungsmethode wird nach Einbringen eines Farbstoffes in eine Vene durch optische Analyse am Ohr der vom Vermischungsvorgang abhängige zeitliche Konzentrationsverlauf des Farbstoffes gemessen. Neben dem Eingriff in das Gefäßsystem hat diese Methode den Nachteil, daß sie nicht kontinuierlich ist, nicht beliebig wiederholbar ist und nur einen Mittelwert liefert.

Die elektromagnetische Blutflußmessung beruht darauf, daß die Ionen im Blut innerhalb eines Magnetfeldes durch Lorentz-Kräfte abgelenkt werden. Die entstehende Potentialdifferenz ist ein Maß für den Blutfluß. Mit diesem Verfahren läßt sich das Schlagvolumen jedes einzelnen Herzschlages ermitteln, jedoch besteht der Nachteil, daß die Arterie oder Vene operativ freigelegt werden muß, um die Messung durchführen zu können. Außerdem kann das Signal nur abgeleitet werden, wenn sich die magnetische Feldstärke nicht ändert.

Es lassen sich auch mit Hilfe von Ultraschall-Echolotung und durch Ausnutzung des Dopplereffektes von Ultraschallwellen Blutflußmessungen durchführen. Bei der Ultraschall- Echolotung wird mit Hilfe von Echolauf-

zeiten der Durchmesser der Herzkammer ausgemessen, und bei bestimmten Annahmen über die geometrische Form der Herzkammern erfolgt aus der Änderung des Durchmessers das Schlagvolumen. Allerdings treten bei dieser Messung erhebliche Fehler bis zu 50¹Zo auf.

Über die Messung der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb einer Ader und der Ausnutzung des Ultraschall-Dopplereffektes ist es möglich, Blutflußmessungen durchzuführen. Die Nachteile liegen in der aufwendigen Technik, die dadurch notwendig ist, daß folgende Bedingungen erfüllt sein müssen:

a) Der Winkel zwischen dem Schallstrahl und der Blutströmung muß erfaßt werden,

b) die querschnittsgemittelte Geschwindigkeit muß berechnet werden und ''

c) der Aderquerschnitt muß gemessen werden.

Die Impedanzkardiographie nutzt die Tatsache aus, daß durch die Herztätigkeit räumliche und zeitliche elektrische Leitfähigkeitsänderungen durch den Blutfluß erfolgen, und es ist ein Meßgerät entwickelt worden, das die entsprechenden Widerstandsänderungen erfaßt. Das Meßgerät weist Elektroden auf, von denen zwei am Hals und zwei am unteren Rippenrand ringförmig angelegt werden, und es wird ein schwacher Wechselstrom eingeprägt und über eine Spannungsmessung an den beiden inneren der jeweils zwei parallel verlaufenden Elektronen die Impedanz gemessen (z. B. US-PS 33 40 864). Zu diesem Verfahren der eingangs erwähnten Art sind auch Vorrichtungen bekannt, jo welche die gemessene Widerstandsänderung und deren zeitliche Ableitung zu einer neuen, klinisch relevanten Größe verknüpfen (DE-AS 23 61 173).

Diesem Verfahren steht man jedoch kritisch gegenüber, da durch Organverschiebung und Atmung der j5 Körperwiderstand ebenfalls verändert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches Verfahren zur Bestimmung des Blutflusses und weiterer kardiologischer Größen sowie eine zugehörige Vorrichtung anzugeben, bei der weder w ein Eingriff in den Körper noch elektrische Kontaktierungen am Körper erforderlich sind.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Zur 4> Durchführung des Verfahrens dient die Vorrichtung nach Anspruch 7.

Die erfindungsgemäße Lösung geht davon aus, daß durch die Druckerhöhung beim Herzschlag eine periodische Ausdehnung der elastischen blutführenden w Gefäße erfolgt und daß sich so die dielektrischen Verhältnisse und damit die Kapazität eines an der Körperperipherie angebrachten Kondensators ändern. Die Kapazitätsänderung des kapazitiven Aufnehmers oder der kapazitiven Aufnehmer wird mit Hilfe eines v, Kapazitäts/Spannungs-Wandlers in eine Spannungsänderung umgewandelt, die mit einfachen Mitteln sichtbar gemacht werden kann. Auf diese Weise kann man von der Spannungsänderung auf die Pulsfrequenz, den Blutdruck und das die Gefäße durchfließende Blutvolu- w> men schließen.

Der Meßeffekt ist aus dem folgenden Grunde sehr deutlich. Das Blut des Menschen besteht zu etwa 56% aus Blutplasma und zu 44% aus Blutkörperchen. Die Dielektrizitätskonstante des Blutes ist von den VoIu- h5 menanteilen und den Dielektrizitätswerten der einzelnen Blutbestandteile abhängig. Das Blutplasma besteht zu 90% aus Wasser, das damit der Hauptbestandteil des Blutes überhaupt ist- Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante von Wasser von e_r=81 ergibt sich daher durch den Blutfluß eine verhältnismäßig große Kapazitätsänderung.

Es kann davon ausgegangen werden, daß im wesentlichen nur eine Variation der Größe der Blutgefäße durch die Blutflußstromänderung die Kapazität beeinflußt, da Änderungen der übrigen Dielektrika, wie z. B. des Gewebes, entweder nicht auftreten oder vernachlässigbar gering sind. Eine Ausnahme hiervon bilden Körperteile, die von großen stofftransportierenden Kanälen durchzogen sind, wie z. B. der Hals. Neben den kardiologischen Größen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Atemtätigkeit erfaßt werden, da aufgrund der durch die Atmung entstehenden variierenden Druckverhältnisse im Brustraum beim Einatmen eine leichte Blutdrucksenkung und beim Ausatmen ein leichter Blutdruckanstieg erfolgt. Da die Atemfrequenz erheblich niedriger ist als die Pulsfrequenz, ist es durch ein elektronisches Filter am Ausgang des Kapaziiäts/Spannungs-Wandlers möglich, die Atemfrequenz allein zu erfassen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Aufnehmer oder die kapazitiven Aufnehmer zur Kapazitäts- -Spannungswandlung in einen Zweig jeweils einer Meßbrücke geschaltet sind.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß der Körper, bei dem eine kardiologische Meßgröße bestimmt werden soll, nicht direkt kontaktiert werden muß. Darüber hinaus lassen sich kardiologisehe Meßgrößen an verschiedenen Körperteilen ausmessen, da die kapazitiven Aufnehmer an beliebigen Stellen des Körpers angebracht werden. Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen Vorrichtungen sind bei weitem einfacher als beispielsweise die, die bei der Impedanzkardiographie verwendet werden, und darüber hinaus sind die Meßwerte besonders einfach auswertbar, da es sich um Brückenausgangssignale handelt, die direkt ein Maß für den Blutfluß sind.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie eines besonders geeigneten kapazitiven Aufnehmers sowie die mit dieser Vorrichtung erzielbaren Meßergebnisse werden nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Dabei zeigt

F i g. 1 eine Meßbrücke mit einem kapazitiven Aufnehmer zur Kapazitäts-Spannungswandlung,

F i g. 2 eine Ausführungsform eines kapazitiven Aufnehmers,

F i g. 3 eine Meßkurve, die mit einer Meßbrücke nach F i g. 1 aufgenommen ist und

F i g. 4 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgezeichnete Meßgröße im Vergleich zu einer nach der Impedanzkardiographie aufgezeichneten Meßgröße.

Die F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der Meßbrükke. Die Meßbrücke enthält einen Zweig, in dem sich als kapazitiver Aufnehmer ein Kondensator 1 befindet, in dem sich ferner ein ohmscher Widerstand 2 befindet. Sie enthält einen weiteren Zweig mit einem Kondensator 3, der eine konstante Kapazität hat, und mit einem veränderbaren Widerstand 4. Die beiden Kondensatoren sind geerdet. An der Verbindungsstelle zwischen

den beiden Zweigen bzw. den beiden Widerständen 2 und 4 wird über einen Generator 5 ein Signal eingespeist.

Zwischen dem kapazitiven Aufnehmer 1 und dem Widerstand 2 befindet sich ein Anschluß 6, und zwischen > dem Kondensator 3 und dem veränderbaren Widerstand 4 befindet sich ein Anschluß 7. Zwischen den Anschlüssen 6 und 7 wird bei Speisung der Brücke durch den Generator 5 ein Signal erzeugt, dessen Größe ein Maß für die Änderung der Kapazität des Kondensators n> list.

Im folgenden wird eine Ausführungsform eines kapazitiven Aufnehmers, wie er sich für viele Anwendungen eignet, beschrieben. Auf einer Manschetie 8 sind mehrere parallele elektrisch leitende Streifen 9 vorgese- ι ~> hen. Die Manschette wird ringförmig um den zu messenden Körperteil gelegt. Jeder zweite der Streifen ist elektrisch miteinander verbunden, so daß die Gruppe der einen miteinander verbundenen Streifen eine Kondensatorplatte 10 und die Gruppe der anderen 2<> miteinander verbundenen Streifen eine andere Kondensatorplatte 11 bildet. Die ganze Anordnung ist durch die Manschette 8 gegenüber dem zu messenden Körper isoliert, um elektrische Leitungsvorgänge auszuschließen. Auf der dem Körperteil abgewandten Seite der 2> Anordnung ist eine elektrisch leitende Folie 12 isoliert angebracht, die geerdet ist, um Kapazitätsänderungen durch äußere Einflüsse auszuschließen. Die Kondensatorplatten sind mit den übrigen Schaltungselementen der Meßbrücke über abgeschirmte Leitungen verbun- 3»

IC
den. Die Meßbrücke hat eine Auflösung von _ <10-⁽'

und kann absolute Kapazitätsänderungen von weniger als 10"³ pF erfassen. Am Ausgang der Meßbrücke steht ein Spannungssignal zur Verfugung, das der Kapazitäts- r> änderung des Aufnehmers proportional ist.

Die mit der erfindungsgemäßen Meßbrücke durchgeführten Messungen sind in den folgenden Diagrammen der F i g. 3 und 4 dargestellt. Die Manschette mit dem kapazitiven Aufnehmer lag dabei um den Hals eines Mannes. In dem Diagramm nach Fig.3 ist eine zeitabhängige Blutvolumenbestimmung durch direkte Messung der Kapazitätsänderung dargestellt. Die Verschiebung des Signalpegels hängt mit der Atmung zusammen. Bei I liegt der höchste systolische Blutdruck vor. Nach dem steilen Anstieg zum Pulsgipfel bei I folgt das allmähliche Absinken gemäß Il mit einem deutlichen stufenförmigen Einschnitt, bedingt durch das Verschließen der Aortenklappen. Bei III liegt der niedrigste diastolische Blutdruck vor.

In dem Diagramm nach F i g. 4 ist ein Vergleich zwischen der Blutflußmessung durch lmpedanzkardiographie und durch eine kapazitive Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Da bei der Impedanzkardiographie ein differentielles Signal

_d~vorliegt, wurde zu Vergleichszwecken auch das

Ausgangssignal der Meßbrücke differenziert. Man erkennt eine gute Übereinstimmung beider Verfahren. Zu Beginn der Systole steigt die Stromstärke steil an. erreicht ein Maximum und fällt dann weniger steil ab. Am Systolende wird der Nullwert durchlaufen. Nach dem Ende der Systole tritt im Zusammenhang mit der Schließung der Aortenklappe eine kurz andauernde, negative Kurvenform auf, die durch einen rückfließenden Blutstrom kurz vor dem völligen Klappenschluß erzeugt wird. Es sei hingewiesen auf das Buch von Meyer-Waarden, K. »Einführung in die biologische und medizinische Meßtechnik«. Stuttgart 1975.

Hiuivu 2 Watt /-L-

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung von kardiologischen Meßgrößen in Abhängigkeit von den elektrischen Eigenschaften des Körpers von Lebewesen und seinen funktionsbedingten Veränderungen, wobei an beliebigen Stellen des Körpers Einrichtungen zur Erzeugung eines Signals, das die Abweichung der Impedanz von einer Grundimpedanz darstellt, vorgesehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch kapazitive Aufnehmer Kapazitäten und Kapazitätsänderungen festgestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als kapazitiver Aufnehmer zur Meßwertaufnahme elektrische Kondensatoren verwendet werden, die durch Änderung ihrer dielektrischen Verhältnisse ihre Kapazitätswerte ändern.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als kapazitive Schaltungselemente zur Meßwertaufnahme elektrische Kondensatoren verwendet werden, die durch Änderung ihrer geometrischen Abmessungen ihre Kapazitätswerte ändern.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von mehreren kapazitiven Aufnehmern bei gleichzeitiger Messung Aussagen über mehrere kardiologische Größen gemacht werden können.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der kapazitive Aufnehmer oder die kapazitiven Aufnehmer in beliebigen Abständen von dem Körper befinden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Differentiation oder Integration eines Meßsignals Aussagen über weitere kardiologische Größen erstellt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Aufnehmer (1) oder die kapazitiven Aufnehmer zur Kapazitäts-Spannungswandlung in einen Zweig (1,

2) jeweils einer Meßbrücke (1,2,3,4) geschaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die kapazitiven Aufnehmer (1, 8, 9, 10, 11) eine Abschirmung (11) gegenüber äußeren Störungen aufweist bzw. aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die kapazitiven Aufnehmer (1) keine galvanischen Verbindungen zu dem Körper der Lebewesen hat bzw. haben.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die kapazitiven Aufnehmer (1) nach Art eines Plattenkondensators (10, 11) mit ineinandergreifenden Platten aufgebaut ist bzw. sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Meßbrücke eine Frequenzweiche zur gesteuerten Erfassung von bo Herz- und Atemtätigkeit vorgesehen ist.