DE2019341C3 - Einrichtung zur Simulierung von Strömungswirkungen in einer gerinnenden Flüssigkeit, insbesondere in Blut - Google Patents

Description

Fortlaufende Messungen %ai germ/ienden Flüssigkeiten, vorzugsweise an Blut und dessen Derivaten, finden ausschließlich in vitro (außerhalb dt.» Körpers) statt wenn sie differenziertere Ergebnisse liefern sollen. Allgemein erfolgt der Meßvorgang bei der Gesamtheit dieser Methoden mittels elektrischer (z. B. Leitfähigkeitsmessung), optischer (z. B. Dichte- oder Trübungsmessung) oder mechanischer Einrichtungen.

Im Falle der mechanischen Messungen zur Erfassung der Gerinnung werden dem Blut z.B. regelmäßige Meßimpulse mitgeteilt, die neben dem Zweck der Kräftemessung als Seiteneffekt meist auch einen begrenzten Einfluß auf die Gerinnung selbst ausüben. Um die Messung sensibel genug zu halten, ist anderseits eine möglichst geringe Beeinflussung des Gerinnungssubstrats durch den Meßvorgang anzustreben, wie dies z. B. in dem Gerät »Thrombelastograph« nach dem deutschen Patent 8 45 720 verwirklicht ist, das mit der Registrierung einer entsprechenden Kurve differenzierte Einblicke in die Kinetik der Gerinnung Hefen und auf denselben Erfinder zurückgeht Die normale thrombelastographische Kurve wird im wesentlichen durch die Aktivität der Blutplättchen sowie durch Geschwindigkeit, Quantität und Qualität des Fibrinaufbaues bestimmt, wobei sich aber diese beiden wichtigen Parameter der Gerinnung in der Kurve nicht primär voneinander trennen lassen. Abgesehen davon findet die Messung, wie in den meisten Geräten zur Verfolgung der Gerinnungsvorgänge, an einer stehenden Blutprobe statt, der die Charakteristika des Fließens fehlen. Diese lassen im lebenden Organismus die Gerinnung des Blutes wesentlich anders ablaufen als in einem stehenden Laborbehälter.

Die Erfassung der beim Aufbau der Gerinnselstruktur wirksamen Bestandteile des Blutplasmas ist von großer klinischer und theoretischer Bedeutung. Der Wert der forderen Messung geeigneten Methoden Hegt vor allem auch darin, daß praktisch alle Faktoren der Blutgerinnung sich in der Verlaufskontrolle des strukturellen Gerinnselaufbaues niederschlagen, da diese ja alle dem Endziel des Gerinnselaufbaues dienen, bzw. dem evtl. nachfolgenden Wiederabbau im Sinne der Fibrinolyse,

Angeborene oder erworbene Defekte des komplizierten Mechanismus für den Gerinnselaufbau bzw. -abbau können lebensbedrohende Erkrankungen verursachen.

in Nicht nur die Diagnostik dieser Erkrankungen, sondern auch eine große Zahl von therapeutischen Maßnahmen bedarf einer Kontrolle durch entsprechende Labormethoden. Die Thrombelastographie mit dem bekannten Gerät ist bisher die .einzige Methode, die den

is strukturmechanischen Sektor des Gerinnselaufbaus quantitativ erfaßt Diesen letzteren sowohl auf der Grundlage der thrombelastographischen Messungen als auch unabhängig davon noch umfassender auszuwerten, ist als Aufgabe gestellt

Da in vivo (im Körper) das Blut bzw. das entstehende Blutgerinnsel besonderen Scherkräften durch die Blutströmung (oder z.B. durch die Pulsation der Arterien) und den daraus resultierenden elektrophysio-Iogischen Effekten ausgesetzt ist, erscheint es erstre- benswert die Meßsituation in vitro über die z. B. im Rahmen der Messung mit dem Thrombelastographen bekannten Möglichkaien hinaus diesen Verhältnissen anzupassen. Dies könnte durch zusätzlich bei der Messung (z. B. im Thrombelastographen) einwirkende

Scherkräfte erreicht werden. Dadurch würde in der Meßvorrichtung eine dem Fließeffekt im Kreislauf

ähnliche Wirkung auf die Vernetzung (Strukturaufbau) der Fibrinfasern erzeugt

Aus der US-PS 35 03 709 ist eine Vorrichtung

κ bekannt mit welcher das Fließen von Blut und dessen anschließende Gerinnung in einem kreisförmig zusammengefügten Endlos-Schlauch beobachtet werden kann. Hierzu muß dem Blut zunächst mit einer Spritze durch die Wandung des Schlauches hindurch eine Kalzium chloridlösung injiziert werden. Sobald die beginnende Gerinnung in der Blutsäule diese zum Festhaften an der Schlauchwand bringt ist der Gerinnungsendpunkt erreicht In dem Schlauch ist zusätzlich eine Engstelle angebracht die eine präzisere Bestimmung des Gerin-

4'» nungsendpunktes ermöglicht Die Zeit vom Beginn der Bewegung der Vorrichtung bis zum Gerinnungsendpunkt wird mit einer Stoppuhr gemessen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Simulierung von Strömungswirkungen in einer gerinnenden Flüssigkeit, insbesondere in Blut, durch Erzeugung von Scher- und Verformungseffekten so auszubilden, daß insbesondere ein Prüfkörper in den als Meßgerät dienenden Behälter der Einrichtung eingetaucht werden kann, mit dessen Hilfe die nach dem Gerinnungsendpunkt erfolgenden Zustandsänderungen in dem Gerinnsel an entsprechende Meßeinrichtungen weitergegeben werden können. Es soll die mit dem Gerinnungsendpunkt einsetzende und für die physiologische Funktion des Gerinnsels so wichtige Verfesti- gung verfolgt werden. Diese Messung der zunehmenden

Verfestigung des Gerinnsels erfolgt auch nach der

genannten DE-PS 8 45 720. Dort fand jedoch noch kein simulierter Fließvorgang statt.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe ausgehend

von der eingangs beschriebenen Einrichtung dergestalt, daß ein Behälter mit die Flüssigkeit begrenzenden Innenflächen vorgesehen ist sowie Mittel, die diesen Innenflächen eine Orbitalbewegung mitteilen können.

Damit kann die angestrebte Simulierung eines Fließvorganges durchgeführt werden. Diese erfolgt jedoch unter Einbeziehung eines Prüfkörpers, der in der Vorrichtung nach der US-Patentschrift nirgendwo angeordnet werden könnte. Außerdem führt der kreisförmige Endlos-Schlaucb nach dieser Patentschrift lediglich eine Drehbewegung um seinen Mittelpunkt aus, die ihm von dem vorgesehenen Antrieb aufgeprägt wird. Eine Übertragung von Scher- und Verformungskräften aus dem Gerinnsel findet nicht statt Auch ist der Inhalt des Behälters der erfindungsgemäßen Einrichtung ohne weiteres z. B. zur Zufügung irgendwelcher Wirkstoffe zugänglich, während es hierzu bei dem bekannten Gerät einer Injektion mittels einer geeigneten Injektionsnadel durch die Wandung des Schlauches hindurch bedarf.

Es ist anzunehmen, daß die im Körper wirkenden natürlichen Kräfte, wie Blutströmung und Pulsation, ein Optimum an Festigkeit im entstehenden Blutgerinnsel entwickeln. Denn das Blutgerinnsel hat ja beim Verschluß von verwundeten Blutgefäßen eine wichtige mechanische Aufgabe zu erfüllen. Die Nachahmung dieser Situation in vitro ist erschwert durch das Erfordernis einer großen Blutmenge, wenn hier die Charakteristika des fließenden Blutes mitwirken sollen. 2s Der Versuch, den Fließvorgang zugunsten der Verwendung einer kleinen stationären Blutmenge in der Meßapparatur durch Effekte zu ersetzen, die das Fließen simulieren, kann es auch erforderlich machen, auf das gerinnende Substrat Kräfte einwirken zu lassen, die eine Modifikation der naturgegebenen Einflüsse darstellen, um eine für den Meßvorgang konstante und optimale Wirkung zu erzielen. Natürlich dürfen diese Kräfte nicht so groß sein, daß die entstehende Gerinnselstruktur dabei zerstört wird. Anderseits muß die gleichzeitig verwendete Meßvorrichtung geeignet sein, die unter den speziellen Bedingungen in der Gerinnselstruktur auftretenden Veränderungen adäquat zu erfassen.

Diese Orbitalbewegung (etwa wie eine Tasse mit der Hand geschwenkt wird), die jeder Punkt des Behälters in gleicher Weise beschreibt, wird vorzugsweise mit dem sehr kleinen Radius von ca. 0,025 mm und mit einer Frequenz von ca. 50 ti/sec ausgeführt Die Umfangsgeschwindigkeit mit der Bewegung liegt dabei in der Größenordnung von 8mm/sec, d.h. etwa der Strömungsgeschwindigkeit in einer mittleren Vene. Das geringe Ausmaß dieser Bewegung läßt das entstehende Gerinnsel völlig intakt Die Form der Bewegung ist aber wie eine in einer Rieh Jung strömende Flüssigkeit offenbar in der Lage, eben sogen. Ladungs-Trenneffekt (elektrischer Effekt beim Fließen einer Flüssigkeit) auszuüben und damit das gerinnende Blutplasma (oder ein anderes Gerinnungssubstrat) zumindest partiell den auch oberflachenwfrksainen Kräften zu unterwerfen, wie sie im strömenden Blut herrschen und eine besondere Orientierung der Blutzellen und Eiweißmoleküle bewirken. Der bei der Orbitalbewegung den Verhältnissen z.B. in mittleren Venen entsprechende Schereffekt bewirkt darüberhinaus eine Ausrichtung der Pläsmäbeständteile, so länge sie Hoch flüssig sind. Er ist in seiner Art auch beim Rühren von Teig zu beobachten. Hierdurch kommt es als Nebeneffekt während des noch flüssigen Stadiums des gerinnenden Plasmas zu regelrechten Strömungsvorgängen des Blutes, z. B. in dem 1 mrn breiten zirkulären Spalt zwischen Stift (Prüfkörperlund Behälter des Thrombelastographen, nach Patent 8 45 720, falls er zusammen mit dem Gegenstand der Erfindung benutzt wird. Der thrombelastographische Meßvorgang stellt also lediglich eine der möglichen Erfolgskontrollen des Effekts der Orbitalbewegung auf die Blutgerinnung dar. Sie könnte auch auf andere Weise, unabhängig von der thrombelastographischen Meßweise, erfolgen, z.B. durch direkte Messung des Ausmaßes der auf den Stift (Prüfkörper) übertragenen Orbitalbewegung des Behälters. Diese wird vom Thrombelastographen nicht wiedergegeben. Ihre direkte Messung würde anderseits dem indirekten Meßvorgang des Thrombelastographen überflüssig machen.

Die Orbitalbewegung kann mittels eines rotierenden Exzenters zwangsläufig erzeugt oder auch bei elastischer Lagerung des Behälters durch eine zusätzliche rotierende Unwucht ausgebildet werden. Schließlich kann der gleiche Effekt durch ein umlaufendes elektrisches Feld erzeugt werden.

Die einerseits relativ rasche, anderseits sehr kleine Bewegung dos Behälters bei Verwendung im Thrombelastographen stört den Meßvorgang Ms masseträgen Stiftes im Thrombelastographen nicht. Anderseits macht das Antriebsaggregat für die Orbitalbewegung des Behälters die (für die Messung im Thrombelastographen) normale langsame Hin- und Herdrehung des Behälters, am die Hochachse mit (Hin- und Herdrehung um 4 Grad 45 Min. in 9 Sekunden). Die rasche Orbitalbewegung ist mit anderen Worten der Meßbewegung des Behälters im Falle ihrer Anwendung am Thrombelastographen superponiert und beeinflußt die Messungen nur insoweit als das Gerinnsel in seinem Aufbau durch die Orbitalbewegung eine Veränderung seiner Struktur erfährt

Die Einrichtung kann eine Mehrzahl von Behältern aufweisen, die die Orbitalbewegung im Verbund ausführen können.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung und der durch dieselbe erzielten Vorteile dienen die nachfolgende Beschreibung eines in der Zeichnung rein schemutisch und dargestellten Ausführungsbeispiels sowie einige Kurven.

Fig. la zeigt das bekannte Thrombelastogramm eines normalen plättchenhaltigen Blutplasmas. Die Laufzeit der Doppelkurve beträgt hier etwa 1 Stunde.

Fig. Ib zeigt die gleiche Blutplasmagerinnung (bzw. Blutgerinnung) im Thrombelastographen, aber mit superponierter Präzessionsbewegung. Es wird ohne weiteres erkennbar, daß hier ein Effekt auftritt der nach kurzer Vorbereitungszeit zu fast schlagartigem Anstieg der Gerinnselfestigkeit führt Dieser plötzliche Amplitudenanstieg des Thrombelastogramms ist wie sich durch eine Versuchsreihe zeigen läßt, offensichtlich Folge eines außerordentlich rasch ablaufenden Vernetzungsvorgariges beim Aufbau der Fibrinfasern unter dem Einfluß der Orbitalbewegung bzw. der Strömungssimulation. Dieser Vorgang läuft unabhängig von der Anwesenheit der Blutplättchen ab.

Fi g. Ic gibt das Thrombelastogramm eines blutplättchenfreien Plasmas wieder, geronnen unter dem Einfluß der Orbitalbewegung. Es zeigt die erwähnte Stufe ebenfalls. Die Aktivität der Blutplättchen dagegen ist quantitativ für den Bauch der Kurve nach dsr Steilen Stufe verantwortlich (vergl. Fig. Ib plättchenhaltiges Plasma und Ic plättchenfreies Plasma). Es läßt sich hier also an ein und Herseiben Kurve (Fig. Ib) eine Trennung des Parameters der Fibrinfaserbildung vom Parameter der Blutplättchenaktivität vornehmen, d. h. die Stufe der Kurve in Fig. Ib ist Ausdruck des

Fibrinaufbaues, während der nachfolgende Bauch der gleichen Kurve Ausdruck der Blutplättchenaktivität ist. Darüberhinaus gibt der steile stufenförmige Anstieg der Kurve die Möglichkeit einer extrem genauen Bestimmung der »Gerinnungszeit«. Der plötzliche Festigkeitsanstieg des Gerinnsels kann mit vereinfachter Meßvorrichtung auch unabhängig von der Apparatur des Thrombelastographen zur z. B. digitalen Anzeige einer sehr genauen »Gerinnungszeit« benutzt werden. Abgesehen davon kann, wie oben gesagt, der Vorgang der Verfestigung der Gerinnselstruktur durch die Orbitalbewegung auch auf andere Weise als mit dem Thrombelastographen gemessen werden.

Die Orbitalbewegung des Behälters, (hier des Thrombelastographen) läßt sich auf verschiedene Weise bewerkstelligen: mechanisch z. B. durch eine zwangsläufige Führung mit einem Exzenter oder durch eine exzentrische Sch

wungmasse

ein mit entsprechender Geschwindigkeit wanderndes Feld.

Für das nachfolgende Ausfuhrungsbeispiel (Fig. 2), das zur vereinfachten Demonstration seiner Wirkung hier wiederum auf die Benutzung mit dem Thrombelastographen abgestimmt ist, wurde die mechanisch geführte Orbitalbewegung um die Hochachse gewählt. Um für das Einsatzbeispiel am normalen Thrombelastographen diesen nicht vollständig umbauen zu müssen, wurde eine auf eines der drei Meßaggregate des Thrombelastographen a aufsteckbare Vorrichtung f,h,p entwickelt, die als Ganzes die bekannte Meßbewegung von 4° 45' des Behälters cam Meßaggregat dmitmacht. Die superponierte Orbitalbewegung wird im Ausführungsbeispiel durch einen Exzenter g auf einer Motorachse erzeugt. Er treibt das einzige außer ihm bewegte Teil der Vorrichtung an. Dieses Teil /'besteht aus einem flachen und auf einer tragenden planen Metallunterlage ρ gleitenden Metallstück, das mit einer V-förmigen Aussparung edem Exzenter anliegt, dessen Antriebsmotor h an der tragenden Unterlage befestigt ist. In seinem Mittelstück befindet sich ein Nocken /als Umkehrpunkt der Orbitalbewegung, der seitlich an einer geraden Kante g gleitet. Die feste Anlage des V-Ausschnittes am Exzenter sowie des Nockens an der geraden Kante wird durch eine Feder k gewährleistet. Am anderen Ende des gleitenden Teiles befindet sich ein runder Ausschnitt o, in den der Behälter / des Thrombelastographen fest eingesetzt wird. Der Behälter ist soweit in seinem äußeren Durchmesser verjüngt, daß er mit seiner Orbitalbewegung frei in der ursprünglichen B^hälterhalterung des Thrombelastographen schwingen kann. Entsprechend hat die tragende Unterlage eine genügend weite Aussparung für den Durchtritt des Behälters. Der in Arretierungsslellung hochgezogene bekannte Prüfkörper m (Stift) des Thrombelastographen ist während des Meßvorganges in ebenfalls bekannter Weise in den blutgefüllten Behälter / hineingesenkt. Er hängt dann frei an einem "' Torsionsdraht, ohne die Wände des Behälters zu berühren. Bei Betrieb des Motors mit z. B. 3000 u/min (50 u/sec) überträgt der Exzenter mittels des gleitenden Flachstückes seine Bewegungen spiegelbildlich auf den Behälter. Ein idealer Kreis wird auf diese einfache

ίο Weise nur vom Mittelteil des Behälters beschrieben, soweit es vom Nocken die gleiche Entfernung hat wie die Exzenterachse auf der Gegenseite. Näher an den Nocken heran bzw. weiter von ihm weg ist die Orbitalbewegung des Behälters jeweils elliptisch verzerrt, was in dieser Größenordnung für den zu erreichenden Zweck, d. h. bei einem Labormodell des Erfindungsgegenstandes, vernachlässigt werden kann.

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tung ist also die rasche Bewegung π des gleitenden flachen Metallstücks, das den Behälter trägt, überlagert.

Gegenüber den bisherigen Stand der Technik bietet

der Gegenstand der Erfindung allgemein die Einführung eines Fließ- und Schereffektes mit entsprechenden sog.

elektrokinetischen und Oberflächen-Wirkungen vor-

-^ zugsweise für gerinnende Blut- (u. a.) Proben in Meßgeräten zur Verfolgung des Blutgerinnungsvorganges. Es wird damit im Meßgerät die natürliche Fließsituation in den Blutgefäßen weitgehend nachgeahmt, ohne daß in der Tat ein echtes Fließen der

^Jn Blutprobe notwendig wird. In der Anwendung z. B. auf den Thrombelastographen bedeutet dies, daß man trotz der Erzeugung des Fließeffektes mit der relativ sehr kleinen Blutmenge von 036 ml für eine registrierende Verfolgung des ganzen Gerinnungsablaufes (eir.schließ-

^y' lieh der Fibrinolyse) auskommt Weiterhin zeigt der Gerinnungsablauf unter der Einwirkung der Orbitalbewegung einen bisher unbekannten schlagartigen Vernetzungseffekt am Fibrinmolekül (Fig. Ib, Ic), der so erstmalig einen Parameter der Fibrinbildung im gerinnenden Blut isoliert darstellbar und meßbar werden läßt. Weiterhin drückt sich, wie am Beispiel des zusammen mit dem Erfindungsgegenstand aufgenommenen Thrombelastogramms sichtbar (Fig. Ib), ebenfalls isoliert und quantitativ ablesbar das Verhalten der

^Λ^ Blutplättchen im weiteren Kurvenverlauf aus. Schließlich erlaubt der Erfindungsgegenstand durch den zeitlich auf einen Punkt zusammengedrängten schlagartigen Fibrin-Faseraufbau (F ί g. Ib, Ic) eine in dieser Genauigkeit bisher nicht mögliche Gerinnungsanzeige mit jedem einfachen Meßgerät nach dem Prinzip des Erfindungsgegenstandes, das in der Lage ist, den Sprung in der Festigkeitszunahme des Fibrin-Fasergerüstes aufzunehmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Simulierung von Strömungswirkungen in einer gerinnenden Flüssigkeit, insbesondere in Blut, durch Erzeugung von Scher- und Verformungseffekten, gekennzeichnet durch einen Behälter (1) und Mittel (g, e, f), die den die Flüssigkeit begrenzenden Innenflächen des Behälters eine Orbitalbewegung mitteilen können.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Orbitalbewegung im Bereich von 0,025 mm liegt

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Orbitalbewegung bei etwa 50 u/sec liegt

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Orbitalbewegung bei elastischer Lagerung des Behälters zusätzlich eine rotierende Unwucht vorgesehen ist

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Orbitalbewegung ein umlaufendes elektrisches Feld dient

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Orbitalbewegung ein rotierender Exzenter vorgesehen ist

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Behältern, die die Orbitalbewegung im Verbund ausführen können.