DE2210406A1 - Verfahren zur quantitativen messung an fluessigkeiten - Google Patents

Description

• Verfahren zur quantitativen Messung an Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Messung an Flüssigkeiten durch Bestimmung eines darin enthaltenen Stoffes. Solche Methoden werden bekanntlich angewendet, um die Menge bzw. die Strömung von Flüssigkeiten in Leitungen bzw. verzweigten Leitungssystemen zu bestimmen, die sonst nicht zugänglich sind.
• Sowohl in der Verfahrenstechnik als auch in der medizinischen Diagnostik sind heute Methoden zur Bestimmung von Durchflußmengen verbreitet und gut ausgearbeitet, bei denen radioaktive Stoffe benutzt werden, um von der unverletzten Oberfläche des Körpers bzw. der Leitung her messen zu konnen. Wegen der unvermeidlichen und für diese Stoffe charakteristischen energiereichen Strahlen sind diese Verfahren aber gefährlich. Sie sind außerdem unbequem zu handhaben, weil immer Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden müssen. Sogar der nach der Messung noch verbleibende Abfall muß unter Einhaltung strenger Sicherheitsvorschriften beseitigt werden.
• Erfindungsgemäß sind die vorgenannten Nachteile dadurch vermieden, daß in die strömende Flüssigkeit ein ferromagnetischer Stoff eingebracht ist und daß seine Bestimmung durch Messung seiner magnetischen Eigenschaften erfolgt. Dieses Verfahren weist die vorerwähnten Nachteile nicht auf, weil die verwendeten Substanzen keine, den lebenden Organismus beeinträchtigenden energiereichen Strahlen abgeben. Der Nachweis und die quantitative Bestimmung der Konzentration der Markierungssubstanz ist rein physikalisch und beeinflußt den Körper nicht.
• Außerdem ist die Methode schnell und einfach durchführbar.
• Man hat überdies keine Schwierigkeiten, Proben und Behälter nach Gebrauch loszuwerden, weil sie keine gefährlichen Produkte enthalten.
• Für die Bestimmung der Konzentration sind nach der Erfindung ferromagnetische Flüssigkeiten, sogenannte Ferroflüssigkeiten, geeignet. Diese können#z.B. für die Anwendung in der medizinischen Diagnostik in einer physiologischen Salzlösung einer Ringerschen Lösung etc. als Grundsubstanz ferromagnetische Teilchen suspendiert enthalten, die einen Durchmesser haben, der kleiner ist als 300 Angström. Zur Vermeidung eines irreversiblen magnetischen Zusammenklebens der Teilchen und zum Schutz des Ferromagnetikums, wie etwa bei Teilchen aus Eisen-Eobalt-(Fe-Co) oder Eisen-Kobalt-Nickel- (Fe-Co-Ni)-Legierungen gegen chemische Reaktionen mit der umgebenden Flüssigkeit, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um schädliche Wirkungen zu verhindern. Eine solche Maßnahme besteht z.B. im Anbringen eines mit der Flüssigkeit verträglichen Überzuges an den Teilchen. Bei Blut kommt als Überzugsmaterial etwa ein Polyurethan-, Silastic- oder Kollagen-Film etc. in Betracht.
• Die Konzentration der Elemente kann dann mittels bekannter Methoden zur Messung des am durchflossenen Gefäß auftretenden magnetischen Feldes erfolgen. Eine entsprechend empfindliche Messung der magnetischen Permeabilität /u kann etwa mittels der bekannten Spuleninduktivitätsmessung durchgeführt werden.
• Bei der medizinischen Bestimmung der Durchblutung oder des Blutflusses brauchen keine Absolutbestimmungen von Konzentrationen durchgeführt zu werden, sondern vielmehr nur relative Änderungen von Konzentrationen der magnetischen Teilchen in dem interessierenden Volumenbereich.
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
• In der Fig. 1 ist eine auf den Körper aufgelegte Flachspule im Schnitt gezeichnet, in der Fig. 2 eine Meßkurve, welche die relative Induktivität einer Flachspule in Abhängigkeit von der magnetischen Permeabilität ihrer Umgebung als Funktion der Zeit darstellt, in der Fig. 3 eine Anordnung mit zwei zu einer Einheit integrierten Spulen zur Bestimmung der Blutflußgeschwindigkeit am Arm.
• Die Bestimmung der Permeabilität eines bestimmten Körpervolumens ist z.B. unter Verwendung einer Flachspule möglich, welche auf die Körperoberfläche aufgelegt wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, verlaufen die magnetischen Feldlinien einer solchen Spule 1 zur einen Hälfte durch den interessierenden Körper 2 und zur anderen durch Luft. Die Spuleninduktivität ist daher auch eine Funktion der magnetischen Permeabilität des von den Feldlinien durchsetzten Mediums. Nach Vilbig (F.Vilbig "Lehrbuch der Hochfrequenztechnik", Akad.Verl.Gs Leipzig, 1939) ist die Induktivität einer Flachspule gegeben durch /Ur = die relative Permeabilität des Mediums, W die Windungszahl, ri und ra der innere und der äußere Radius der Spule.
• Für den speziellen Fall, daß sich das Medium auf der einen Seite der Spule von demjenigen auf# der anderen Seite unterscheidet, muß für /Ur der über den magnetischen Weg gemittelte Wert eingesetzt werden. Ein charakteristischer Wert für eine unverdünnte wässrige Ferroflüssigkeit von /ur = 20 ergibt so ein /Ur eff von etwa 10. Rechnet man mit einer Anfangsverdünnung der Ferroflüssigkeit unmittelbar nach der Injektion von etwa 1 : 100, dann wäre die Anfangspermeabilität der Detektorspule um einen entsprechenden Wert auf etwa /Ur eff = 1.1 reduziert.
• Durch die Gewebedurchblutung findet nun ein entsprechender zeitlicher Abfall der relativen Permeabilität und damit auch der Spüleninduktivität statt, wie es in Fig. 2 dargestellt sein soll. Hier ist die Messung der Induktivität L, die mit einer Impedanzbrücke bis zu einer Verdünnung von DL/L = 10 bestimmt wird, gegen die Zeit aufgetragen (vgl. Fig. 3). Diese Kurve ist mit einer Spule von 30 Windungen, eines Drahtes von 1 mm Durchmesser, einem ri von 30 mm und einem ra von 40 mm gemessen und soll anzeigen, daß sich die zu erwartenden relativen Induktivitätsänderungen in durchaus meßbaren Größenordnungen bewegen.
• Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwendung eines Schwingkreises, dessen Induktivität durch die Detektorspule dargestellt wird. Die Eigenfrequenz dieses Kreises ist gegeben durch dabei ist fO die Eigenfrequenz, L die Induktivität der Spule und C die Kapazität des Kondensators des Kreises. Die Änderung df = - wird umso größer, je kleiner L und C gewählt werden, d.h. je höher die benutzte Frequenz. Die entsprechenden Bauelemente werden der technischen Einfachheit halber und unter Berücksichtigung der Strahlungscharakteristik der Spule so gewählt, daß der MHz-Bereich nicht überschritten wird. Für einen derartigen Oszillator läßt sich eine Eigenstabilität von einem Teil in 105 leicht erreichen. Bei einer Eigenfrequenz von 1 MHz entspräche dieses 10 Hz. Eine Verdünnung der Ferroflüssigkeit um einen Faktor von 103 entsprechend einer Änderung der Frequenzabweichung von 105 auf 102 läßt sich durch Zählen bzw.
• mit einem Frequenzmesser leicht bestimmen.
• Die Flußgeschwindigkeit in Gefäßen, wie etwa Adern des menschlichen Körpers, kann direkt an den Gefäßen nach lokaler Einspritzung der magnetischen Markierungsflüssigkeit gemessen werden. Dazu werden an dem Einspritzungskatheter in vorgegebenem Abstand zwei induktive Detektorspulen angebracht. Nach der Einspritzung kann die Fließzeit des Markierungsmittels zwischen den zwei Detektorspulen gemessen werden.
• In einem abgewandelten Verfahren wird die Fließzeit einer Flüssigkeit in einem Gefäß mittels äußerlich angebrachter Detektoren nachgewiesen und elektronisch registriert. In der Fig. 3 sind die beiden einander gegenläufig gewickelten Spulen 3 und 4 zu einer Einheit 5 zusammengefaßt, die gestrichelt angedeutet ist. Diese Einheit 5 ist mit dem Anzeigekasten 6 über die Leitungen 7, 8 und 9 verbunden. Der Kasten selbst enthält den Hochfrequenzerzeuger 10 von 1 MHz, der über den Hochfrequenztransformator mit den Leitungen 7 und 8 in Verbindung steht. Die Sekundärspule 12 des Transformators 11 weist eine Mittenanzapfung 13 auf, die über die Leitung 14 mit dem Verstärker 15 verbunden ist. Der Verstärker 15, der für 500-fais Verstärkung ausgelegt ist, weist gleichzeitig über die Leitung 9 eine Verbindung zu der Verbindungsleitung zwischen den Spulen 3 und 4 auf. Außerdem eine Erdung 16, welche ein ungefährliches Handhaben der Spulen am Körper jederzeit gewährleistet. Am Ausgang des Verstärkers 15 liegt der Trigger 17, mit welchem beim Auftreten eines einen minimalen Sollwert übersteigenden Signals ein Impuls erzeugt wird, welcher den.
• Schalter 18 betätigt, so daß von dem an den Leitungen 19 anliegenden Netz zwischen den Impulsen, die von der Spule 3 und der Spule 4 kommen, die Perioden des 50 Hz-Wechselstromes zum Anzeigegerät 20 gelangen und dort wegen des fest vorgegebenen Abstandes der Spulen 3 und 4 in der Form einer Geschwindigkeitsangabe in dem Ziffernanzeigebild 21 erscheinen können.
• Die Funktion dieser Anordnung ergibt sich daraus, daß eine in die Blutkreisbahn des Patienten eingebrachte magnetische Flüssigkeit sich fortbewegt und in der dargestellten Ausführung im Arm 22 an den Spulen 3 und 4 vorbeigeführt wird. Dabei löst die Front der magnetischen Flüssigkeitsbeimengung zum Blut in der zeitlichen Aufeinanderfolge eines Vorbeifließens an den Spulen 3 und 4 elektrische Impulse aus. Der zeitliche Abstand kann gemessen, wegen des bekannten Abstandes der Spulen 3 und 4 in eine Geschwindigkeit transformiert und angezeigt werden. Eine von vielen elektronischen Realisierungsmöglichkeiten ist die in der oben 1>eschriebenen Fig. 3 dargestellte Anordnung. Dabei sind die Spulen 3 und 4 Teile einer Induktivitätsmeßbrücke, die über den Hochfrequenztransformator 11 vom Generator 10 ihren 1 MHz betragenden Hochfrequenzwechselstrom erhalten. Bei der durch die ferromagnetische Flüssigkeit verursachten Induktivitätsänderung im Arm 22 wird die Brücke momentan verstimmt. Am Eingang des Verstärkers 15 entstehen daher Wechselspannungen, die dann verstärkt den Trigger 17 betätigen. Diese Impulse werden dazu benutzt, mit dem Schalter 18 ein Niederfrequenzsignal, d.h. das aus den Leitungen 19 vom Netz kommenden 50 Hz, zu schalten. Die Niederfrequenzperioden werden im Anzeigeinstrument 20 gezählt und im Tableau 21 als Geschwindigkeit (cm/sec) angezeigt. Als Vergleichsmaß könnte mit etwas mehr Aufwand auch die 1 MHz Schwingung der Hochfrequenz benutzt werden.
• Wenn die Zeitmessung mit dem Moment der Einspritzung als die Zeit Null beginnt, ist nur eine einzige magnetische Induktivitätsmessung, d.h. nur ein einziger magnetischer Induktiv#-tätsdetektor, erforderlich. Der Moment der Einspritzung gilt dann als Zeit Null und die Ankunft der magnetischen Mittel am Detektor, etwa einer Spule, kann als Laufzeit genommen werden.

Claims (8)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur quantitativen Messung an Flüssigkeiten durch Bestimmung eines darin enthaltenen Stoffes, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stoff ferromagnetisch ist und daß die Bestimmung durch Messung seiner magnetischen Eigenschaften erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung eine Flachspule verwendet wird, die außen an den die Flüssigkeit enthaltenden Körper angelegt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Flußgeschwindigkeit der Flüssigkeit außen an die Flußbahn in Flußrichtung ein oder zwei Spulen in einem bestimmten Abstand angelegt sind.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Flußgeschwindigkeit ein oder zwei Detektorspulen in einem bestimmten Abstand voneinander benutzt sind, indem die eine am Einspritzrohr und die andere am Gefäßkatheter in Flußrichtung angebracht ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Stoff aus einer Suspension von kleinen ferromagnetischen Partikeln, wie Fe, FeCo, Fe Co Ni etc., besteht, die einen Durchmesser haben, der kleiner als 10 4mm ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Teilchen mit einem Uberzi#tg aus mit der Flüssigkeit verträglichem Material versehen sind.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einem körperverträglichem Stoff, wie Polyurethan, Silastik oder Kollagen, besteht.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß die Basis der Markierungssubstanz eine wässrige physiologische Salzlösung (bzw. Ringersche Lösung) darstellt.

   L e e r s e i t e