DE1598004B2 - Katheter für ein Oximeter - Google Patents

Description

Kunststoff von verhältnismäßig hohem Brechungskoeffizienten und ist mit einer dünnen Schicht eines Glases oder eines durchsichtigen Kunststoffes von niedrigem Brechungsindex umkleidet, wobei die Umkleidung als lichtisolierendes Medium wirkt und die inneren Fasern durch Totalreflexion lichtleitend macht. Die Fasern 20 sind in beliebiger Form nebeneinanderliegend zu einem Bündel zusammengefaßt, insoweit der Hauptabschnitt zwischen dem Sondenkopf 22 und dem aufgespaltenen Ende 24 am anderen Ende in Frage kommt. Das aufgespaltene Ende 24 besteht daraus, daß die Fasern 20 des Bündels in zwei Gruppen geteilt sind, nämlich in das das Licht von der Lichtquelle 12 zu der Fläche 22 heranführende Faserbündel 20' und das das Licht von der Fläche 22 zu den Lichtanalysiermitteln 18 führende Bündel 20".

Die Fasern 20 sind in der Nähe der Fläche 22 zu einem Bündel zusammengefaßt, beispielsweise zusammengekittet oder aneinandergeschmolzen, so daß sich eine Trennung und relative Längsverschiebung der Enden, welche die Fläche 22 bilden, verbietet. Vor der Endfläche 22 ist eine Art Käfig 26 gebildet, der aus drei oder mehr im Abstand voneinander angeordneten Drahtenden 28 besteht. Die Drahtenden 28 sind an der einen Seite mit dem Faserbündel 20 durch Drahtbänder 30 verbunden oder dort angekittet. Die Spitzen 32 der Drahtenden endigen in einer parallel zur Fläche 22 verlaufenden Ebene, wobei der Abstand χ zwischen beiden Ebenen etwa 2 bis 5 mm beträgt. Auf diese Weise ergibt sich eine Vorderfläche des Sondenkopfes 16, bei der die Endfläche 22 automatisch parallel zur Oberfläche des zu untersuchenden Objektes T liegt, wenn die Spitzen 32 gegen die Oberfläche des Objektes wirken. Es kann auch statt des Käfigs 26 eine Druckfeder 33 vorgesehen sein, die an dem einen Ende an dem Faserbündel 20 befestigt ist und am anderen Ende gegen die Oberfläche des Objektes Γ wie ein Fuß wirkt. Bei einer derartigen Anordnung wird einer geringfügigen Bewegung des Objektes in bezug auf den Sondenkopf 16 Rechnung getragen, ohne daß eine derartige Kraft auf das Gewebe ausgeübt wird, die eine Änderung der Blutzirkulation zur Folge haben könnte.

Der Käfig 26 und ein Teil des angrenzenden Endes des Faserbündels 20 sind von einer Blase 34 aus einem weichen, verformbaren¹, durchsichtigen Gummi od. dgl. umschlossen. Sie bildet einen Gefäßhals, so daß sie innig das Faserbündel 20 hinter dem Käfig 26 gemäß F i g. 2 umschließt. Dort ist eine Verkittung oder sonstige flüssigkeitsdichte Verbindung mit dem Faserbündel bewirkt. An Stelle eines Kittes kann auch eine Schlauchklemme od. dgl. zur Sicherstellung einer flüssigkeitsdichten Verbindung Anwendung finden. Ein dünner, biegsamer Schlauch 35 erstreckt sich bis zu dem anderen Ende des optischen Kabels 14 und schützt die Lichtfasern 20 gegen eine Beschädigung.

Die Blase 34 ist mit einer klaren Flüssigkeit 36, beispielsweise Wasser, gefüllt, die durch einen Schlauch 40 von einem erhöht aufgestellten Vorratsgefäß 38 zugeleitet wird. Der Flüssigkeitsanschluß 42 der Blase 34 ist der Zufluß. Luft in der Blase 34 kann dadurch entfernt werden, daß der Zufluß 42 hinreichend gedehnt wird und dabei eine Entlüftungsöffnung an der Seite des Schlauches 40 beim Einfüllen der Flüssigkeit in die Blase 34 öffnet.

Die Flüssigkeit 36 um den Käfig 26 herum umschließt vollständig den Teil der Fasern 20 innerhalb der Blase 34 und bewirkt einen innigen Kontakt sowohl mit dem vorderen Ende der Blase 34 als auch mit der Fläche 22. Der Flüssigkeitsdruck in der Blase 34 kann durch Heben bzw. Senken des Vorratsgefäßes 38 bzw. des Niveaus der darin befindlichen Flüssigkeit so eingestellt werden, daß der vordere Teil der Blase 34 hinreichend eingedrückt gehalten wird und sich eine derartige elastische Wirkung ergibt, daß ein inniger Kontakt mit der Vorderfläche 22 stattfindet und trotzdem sich leicht eine Verformung ergibt auf die Enden 32 der Drähte 28 gemäß Fig. 2, wenn der Sondenkopf 16 mit geringem Druck an den zu untersuchenden Körper, z. B. das Gewebe T, angesetzt wird. Bei der Benutzung wird der Sondenkopf 16 so gegen das Gewebe Tgesetzt, wie es Fig. 2 zeigt, wobei

¹S die Spitzen 32 der Drahtenden 26 in Berührung mit dem Gewebe durch die Blase 34 hindurchstehen. Die Blase 34 nimmt daher die Form des Gewebes T an und bringt das Gewebe in optischen Kontakt mit der Fläche 22 der optischen Fasern 20 durch die durchsichtige Blasenhaut 34 und die Flüssigkeit 36 hindurch. Ein derartiger optischer Kontakt zwischen dem Gewebe T und der Fläche 22 kann dadurch verbessert werden, daß eine klare Flüssigkeit, beispielsweise ein Mineralöl, auf die zu untersuchende Stelle des Gewe-

^a5 bes aufgebracht wird.

Aus Fig. 2 kann man erkennen, daß die Drahtenden 26, wenn sie in Berührung mit der Oberfläche des Gewebes T gebracht sind, die Fläche 22 parallel zu der Oberfläche des Gewebes T bringen, während der Teil der Blase 34 zwischen den Spitzen 32 der Drahtenden sich etwas einbiegen kann unter dem Einfluß der Pulsationen oder des allmählichen Ausweichens oder anderer Erscheinungen des Gewebes T während der Untersuchung. Es wird ein kontinuierlieher Kontakt mit der Gewebefläche während der Untersuchung durch den Sondenkopf 16 aufrechterhalten, so daß sich die Möglichkeit einer längeren Überwachung bzw. Messung der Sauerstoffsättigung des in dem Gewebe enthaltenen Blutes ergibt.

Die Messung des Sauerstoffgehaltes geschieht in folgender Weise: Das Licht der Lichtquelle 12 wird durch die das Licht zu dem Objekt führenden Fasern 20' unter Ausnützung innerer Totalreflexion zu der Fläche 22 innerhalb des Sondenkopfes 16 geleitet und in die Flüssigkeit 36 abgestrahlt, worauf das Licht durch die Flüssigkeit und die durchsichtige Blase 34 auf das Gewebe T gerichtet wird. Beim Eintreten in das Gewebe und in die Blutgefäße 44, die sich in der Hautoberfläche befinden, wird das Licht in bestimmter Weise beeinflußt, beispielsweise dadurch, daß bestimmte Wellenlängen in unterschiedlicher Weise durch den im Blut enthaltenen Sauerstoff absorbiert werden. Wellenlängen von ungefähr 805 ηιμ haben im wesentlichen denselben Schwächungskoeffizienten für Oxyhämoglobin und reduziertes Hämoglobin im Blut und werden daher im wesentlichen in gleicher Weise durch beide absorbiert. Wellenlängen von ungefähr 650 ιτιμ indessen werden sehr viel stärker durch Hämoglobin absorbiert als durch Oxyhämoglobin.

Die nichtabsorbierten Komponenten sämtlicher Wellenlängen des Lichtes, die durch das Blut diffus reflektiert oder zurückgestreut werden und wieder aus dem Gewebe austreten, durchsetzen die durchsichtige Blasenhaut 34 und werden durch das optische Kabel 14 der photoelektrischen Analysiervorrichtung 18 zugeführt. Die Wellenlängen in der Umgebung von 805 ηιμ und 650 ιτιμ werden getrennt und je auf einen Photodetektor 46a und 46b gerichtet.

Eine Spiegelanordnung 48 zum Aufteilen des Strahlenganges wird von den Strahlen durchsetzt, die die optischen Kabelfasern 20" durchsetzen, und teilt dieses Licht in zwei gleiche Teile auf, die dem Photodetektor 46a bzw. dem Photodetektor 46b zugeführt werden. Eine Kondensorlinse 50 zwischen den Lichtaustrittsstellen der Fasern 20" und der Spiegelanordnung 48 konzentriert das abgestrahlte und reflektierte Licht auf die beiden Photodetektoren 46a und 46£>. Die Trennung der Wellenlängen 805 πιμ und 650 τημ erfolgt durch Interferenzfilter 52 und 54, bevor das Licht die Photodetektoren 46a und 46i> trifft. Da das Filter 52 im wesentlichen nur Wellenlängen von ungefähr 805 ηιμ hindurchläßt, spricht der Photodetektor 46a nur auf derartiges Licht an. Das Filter 54 läßt im wesentlichen nur Licht von der Wellenlänge 650 πιμ hindurch, so daß der Photodetektor 46b im wesentlichen nur auf 650-m^-Licht anspricht. Da das 805-n^-Licht im wesentlichen unbeeinflußt ist von der Sauerstoffsättigung des Blutes, zeigt eine Ände-. rung der Intensität des von dem Photodetektor 46a aufgenommenen Lichtes keine Änderungen der Sauerstoffsättigung des Blutes an, vielmehr sind diese Änderungen nur auf Änderungen in dem zurückgestreuten Licht zurückzuführen, die beispielsweise auf die Menge des in dem Gewebe vorhandenen Blutes infolge des pulsierenden Charakters der Blutströmung zurückgehen. Die Intensität des 650-n^-Lichtes, die durch den Photodetektor 46b angezeigt wird, ändert sich indessen sowohl in Abhängigkeit der Sauerstoffsättigung im Blut als auch in Abhängigkeit des pulsierenden Charakters der Blutströmung. Um die Intensität des durch das Gewebe selbst zurückgestreuten Lichtes, d. h. des durch das blutlose Gewebe zurückgestreuten Lichtes, zu bestimmen, kann durch Erhöhen des Druckes der Flüssigkeit 36 der Sondenkopf verhältnismäßig starr gemacht werden und gegen das Gewebe T mit hinreichender Kraft gedrückt werden, so daß aus der Berührungsfläche des Gewebes das Blut herausgedrückt wird. Darauf können die Intensitäten des 805-πιμ- und des 650-n^-Lichtes, welche durch das blutlose Gewebe zurückgestreut werden, bestimmt werden, indem man die Ausgangsströme der Photodetektoren 46a und 46i> mißt. Wenn man diese Meßwerte von den danach aufgenommenen Meßwerten, bei denen Blut in normaler Weise das Gewebe durchströmt, subtrahiert, können Meßwerte gewonnen werden, die für die Sauerstoffsättigung des Blutes allein maßgeblich sind.

Zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des Blutes können als Photodetektoren 46a und 46b Photoleiter des Cadmiumselenidtypes od. dgl. verwendet werden. Derartige Photoleiter, wenn man sie je in einen Zweig einer üblichen elektrischen Brücke einschaltet, wie es in der USA.-Patentschrift 3 177 757 beschrieben ist, ergeben ein geeignetes Mittel zum Messen der Sättigung von Sauerstoff im Blut.

Änderungen der Sauerstoffsättigung können dadurch angezeigt werden, daß Änderungen des Meßwertes während einer längeren Messungszeitdauer festgestellt werden, oder dadurch, daß man getrennt die Stromänderungen in dem Photodetektor 46b feststellt. Wenn die Sauerstoffsättigung des Blutes heruntergeht, so ändert sich die Intensität des auf den Photodetektor 466 auftreffenden Lichtes, und dadurch wird dej Photodetektor 46b entsprechend unterschiedlich stromleitend, während keine Änderung in der Stromleitung des Photodetektors 46a auftritt.

Photodetektoren zur Überwachung der Sauerstoffsättigung können aus zwei abgeglichenen, in einem Vakuumgefäß oder einem gasgefüllten Gefäß vorgesehenen Photozellen- oder Photovervielfacheranordnungen bestehen, wobei ein jeder Photodetektor einen meßbaren Signalstrom einer Größe erzeugt, die proportional der von dem Detektor aufgenommenen Lichtintensität ist. Auf diese Weise bildet die Messung der Signalamplitude der Photodetektoren einen Wert

für die Änderungen der Sauerstoffsättigung im Blut. Es ist offensichtlich, daß die elektrische Schaltungsanordnung bzw. das elektrische Meßinstrument zur Bestimmung oder Anzeige der Sauerstoffsättigung verschiedene andere Formen annehmen kann, als im

^X5 vorstehenden beschrieben wurde.

Es ist unwesentlich, in welcher Weise die Vorrichtung zum Messen oder Überwachen des die Filter 52 und 54 durchsetzenden Lichtes ausgebildet ist, die in der Figur wiedergegebene Darstellung der Photodetektoren 46a und 46b gibt nur im Prinzip und beispielsweise die Anordnung wieder.

Die Wellenlängen 805 πιμ und 650 πιμ wurden nur beispielsweise als ein Wellenlängenpaar genannt, welches gemäß der Erfindung sich für die Bestimmung der Sauerstoffsättigung im Blut eignet. Die Schwächungskoeffizienten für Oxyhämoglobin und für reduziertes Hämoglobin sind ungefähr gleich bei 805 πιμ und wesentlich unterschiedlich für 650 πιμ. Es könnte jedoch auch ein anderes Wellenlängenpaar verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Schwächungskoeffizienten für Oxyhämoglobin und reduziertes Hämoglobin nicht so hoch sind, daß eine Messung des reflektierten Lichtes sich verbieten würde, und ferner vorausgesetzt, daß ein beträchtlicher Unterschied in den Extinktionskoeffizienten bei den ausgewählten Wellenlängen, d. h. hinsichtlich des Maßes, mit dem die Wellenlängen in dem Blut des Gewebes T absorbiert werden, vorliegt.

Viele Körpergewebe, insbesondere die Haut neugeborener Kinder, sind dünn und sehr durchsichtig, und in Fällen größerer Hautstärke und geringerer Durchsichtigkeit kann es wünschenswert sein, in dem zu untersuchenden Bereich die peripheren Blutgefäße zu dehnen und dadurch eine größere Blutströmung zu bewirken. Das größere Blutvolumen bedingt eine stärkere Rückstreuung bzw. Reflexion des Lichtes, so daß die Menge Licht, die in dem Gewebe insgesamt absorbiert wird, zusätzlich durch das Blut, stärker maßgeblich für die Absorption durch das Blut ist als für die Absorption durch die Zellenstruktur des Gewebes.

Eine Ausdehnung kann in üblicher Weise durch Histamin bewirkt werden, oder auch durch Anwendung von lauwarmem oder heißem Wasser erfolgen.

Zu diesem Zweck kann die Blase 34 in der Weise abgeändert werden, daß ein Wasserauslaß 56 mit einer Auslaßleitung 58 vorgesehen wird, wie es gestrichelt in Fig. 2 angedeutet ist.

Lauwarmes oder heißes Wasser von einem Wasserhahn oder einem Gefäß 38 wird durch den Schlauch 40 zu der Blase 34 geleitet und nach Zirkulieren durch den Käfig 26 und über die Vorderseite der Membran durch das Rohr 58, welches eine Verengung 60 aufweist, abgeleitet. Dadurch, daß die Verengung 60 durch eine Klemme od. dgl. verengt wird, wird ein hinreichender Druck in der Blase 34 aufrechterhalten, so daß die gewünschte Nachgiebigkeit bei der Benutzung vorliegt. Die Wärme des heißen Wassers in dem

Sondenkopf 16 bewirkt eine Erweiterung der peripheren Blutgefäße in dem Gewebe T.

Gemäß F i g. 1 können sämtliche Apparate, wie die Lichtquelle 12 und der photoelektrische Analysator 18 und das eine Ende des Faserkabels 20, in einem Gehäuse 60a untergebracht sein, das in einiger Entfernung von dem zu untersuchenden Patienten vorgesehen ist. Das optische Kabel 14 kann eine gewünschte Länge haben, beispielsweise 1 m oder mehr, und auf diese Weise eine Unabhängigkeit von unbequemen Apparaten bilden, da nur der Sondenkopf 16 an den Körper der Untersuchungsperson gebracht werden

muß und der Körper des Patienten unbeeinträchtigt bleibt für eine therapeutische, chirurgische oder sonstige Behandlung. Der Katheter kann auch in Höhlungen des Körpers, Hautfalten od. dgl., oder sonstige schwer zugängliche Stellen gebracht werden, um die Sauerstoffsättigung des Blutes an den Gewebestellen zu untersuchen. Er kann auch dazu verwendet werden, die Menge oder die Anwesenheit eines Farbstoffes, der in die Blutströmung eingebracht wird, zu bestimmen, um auf diese Weise die Zirkulation des Blutes am lebenden Organismus durch Beobachtung der Farbstoff Verdünnung untersuchen zu können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (20)

Patentansprüche:

1. Katheter für ein Oximeter, bei dem die Zuführung von geeigneter optischer Strahlung zum Meßende und die Abführung der reflektierten Strahlung jeweils durch eine Faseroptik erfolgt, deren Enden in einer Ebene befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßende fest umschlossen ist von einer Blase (34) aus für die Strahlung transparentem schmiegsamem Material, die mit einer ebenfalls transparenten Flüssigkeit prall gefüllt ist.

2. Katheter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Blase (34) ein Aufsatzfuß vorgesehen ist, der am Ende des optischen Faserbündels befestigt ist.

3. Katheter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufsatzfuß aus einem durch Drahtabschnitte (28) gebildeten Käfig (26) besteht, wobei die Drahtabschnitte (28) an dem das Licht abstrahlenden und wiederaufnehmenden Ende des optischen Faserbündels befestigt sind.

4. Katheter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtabschnitte (28) sich eine gleiche Länge von dem Ende des optischen Faserbündels nach vorne erstrecken, so daß beim Aufsetzen der Drahtabschnittsenden auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts unter Zwischenschalter der transparenten Blasenwandung das Ende des optischen Faserbündelkabels im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Objekts ist.

5. Katheter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufsatzfuß aus einer Feder (33) besteht, deren eines Ende an dem optischen Faserbündel nahe der das Licht abstrahlenden und aufnehmenden Endfläche (22) desselben angeordnet ist.

6. Katheter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorratsgefäß (38), ein von diesem ausgehender biegsamer Zuleitungsschlauch (40) und ein an der einen Seite der Blase (34) befindlicher, mit dem Schlauch verbundener Einlaß (42) zu dem Zweck vorgesehen sind, die Blase (34) mit Flüssigkeit zu füllen.

7. Katheter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwecke der Zirkulation der Flüssigkeit ein Auslaß (56) an der Blase (34) vorgesehen ist.

8. Katheter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Analysieren der durch die Faseroptik abgeführten reflektierten Strahlung einen Strahlungsaufteiler (48) zum Aufteilen der reflektierten Strahlung in zwei Anteile, je einen Fotodetektor (46a, 46b) für jeden Strahlungsanteil und je ein zwischen jedem Fotodetektor und dem Strahlungsaufteiler angeordnetes Lichtfilter (52,54) mit einem jeweils anderen Wellenlängendurchlaßbereich aufweist.

9. Katheter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysiervorrichtung und eine Lichtquelle (12) zur Zuführung der optischen Strahlung in einem gemeinsamen Gehäuse (60a) untergebracht sind.

Ein Katheter für ein Oximeter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, das insbesondere für die Messung an lebenden Objekten geeignet ist, ist beispielsweise aus »Review of Scientific Instruments«, 33, 1962, Nr.

10, S. 1050 bis 1054, bekannt. Dabei wird das Meßende in ein Blutgefäß eingeführt. Zur Untersuchung wird über ein optisches Faserbündel Licht in das Blutgefäß übertragen. In Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt des Blutes findet in dem Blutgefäß eine Streuung des einfallenden Lichtes statt. Das gestreute und rückreflektierte Licht tritt teilweise in ein ebenfalls am Meßende angeordnetes Ende eines zweiten optischen Faserbündels ein und wird zur Erzeugung einer Anzeige über dieses zu einem Lichtde-

^X5 tektor übertragen. Eine zwischen der Lichtquelle und der Faseroptik angeordnete, mit Filtern versehene Zerhackereinrichtung bewirkt, daß abwechselnd Lichtanteile verschiedener Wellenlänge in das Blutgefäß eingeführt werden, und aus dem Verhältnis der rückreflektierten Lichtanteile wird der Sauerstoffgehalt des Blutes bestimmt.

Aus der USA.-Patentschrift 3 123 066 ist ein ähnlich ausgebildetes Katheter für ein Oximeter bekannt, bei dem das Meßende ebenfalls zur Untersuchung in ein Blutgefäß eingeführt wird. Das aus dem optischen Faserbündel austretende Licht wird von einem zu der Austrittsfläche des optischen Faserbündels einen Abstand aufweisenden Spiegel reflektiert und trifft auf die Eintrittsfläche eines zweiten optischen Faserbündels und wird von diesem zu dem optischen Detektor übertragen. In Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Blutes ändert sich die Absorption und damit die rückgeführte Lichtmenge.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Katheter für ein Oximeter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß es für die Messung des Sauerstoffgehalts des Blutes ohne Einführung in ein Blutgefäß geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Das erfindungsgemäße Katheter für ein Oximeter muß lediglich auf das zu untersuchende Objekt aufge- , setzt werden, wobei auf Grund der Anpassungsfähig- \jf keit der flüssigkeitsgefüllten Blase ein kontinuierlicher optischer Kontakt zwischen der Endfläche der Faseroptik und der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts gewährleistet ist. Die Meßergebnisse können auch nicht durch Pulsieren des Objekts oder andere Bewegungen verfälscht werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ausführungsbeispiele der Erfindungwerden nachstehend im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sondenkopf entsprechend der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1,

F i g. 3 eine der F i g. 2 ähnliche Ausführungsform. In Fig. 1 besteht die Oximeteranordnung 10 aus einer Lichtquelle 12 in Form einer Wolframlampe, aus einem Katheter mit einem langen, leicht biegsamen optischen Kabel 14 mit einem Sondenkopf 16 und einer photoelektrischen Analysieranordnung 18. Das Kabel 14 besteht aus einer Mehrzahl biegsamer, das Licht leitender Fasern

20. Eine jede Faser besteht aus einem Glas oder einem durchsichtigen