DE1573047B2 - Verfahren zum Messen der Strömungsstärke einer Flüssigkeit und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Messen der Strömungsstärke einer Flüssigkeit und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Strömungsstärke einer durch einen schwer absonderbaren Kanal strömenden Flüssigkeit, insbesondere zum Messen der Strömungsstärke von Blut in der Blutbahn und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Die meisten der bisher geprüften Verfahren zum Messen der Strömungsstärke (Volumen, das pro Zeiteinheit einen Querschnitt passiert) beruhen auf dem Messen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit bei gegebenen Abmessungen des Kanals (Fortpflanzung
eines Farbstoffes oder eingespritzten radioaktiven Stoffes, Beeinflussung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines ultraakustischen Signals durch die Blutgeschwindigkeit, usw.)· Die Wirkungsweise dieser Verfahren ist aber' nicht stets befriedigend, erstens weil sich die mehr oder weniger unregelmäßigen Abmessungen des Kanals nicht leicht bestimmen lassen und zweitens weil die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in jedem Punkt eines Querschnitts eines Kanals infolge der Reibung der Flüssigkeit an den Wänden verschieden ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile und das Messen der Strömungsstärke einer Flüssigkeit, ohne daß es notwendig ist, zuvor ihre Geschwindigkeit zu bestimmen.
Die Meßflüssigkeit wird im folgenden als primäre Flüssigkeit bezeichnet.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird nach der Erfindung von einer Hilfsflüssigkeit, deren Temperatur von der Temperatur der primären Flüssigkeit abweicht, eine bekannte Menge pro Zeiteinheit in den Flüssigkeitskanal eingebracht und der Temperaturunterschied zwischen den gemischten Flüssigkeiten und der eingebrachten Flüssigkeit als auch der Temperaturunterschied zwischen der primären Flüssigkeit und den gemischten Flüssigkeiten gemessen, wobei die Strömungsstärke aus dem Produkt der Strömungsstärke der eingebrachten Flüssigkeit und dem Quotienten der beiden erwähnten Temperaturunterschiede bestimmt wird.
Nach einer zum Messen des Blutumlaufs zweckmäßigen Maßnahme wird die Hilfsflüssigkeit in den Blutumlaufkanal mittels einer Injektionskanüle eingebracht, deren Ende eine Ausströmöffnung hat und durch die Wand des Kanals eingeführt ist.
In einer Vorrichtung zum Messen der Strömungsstärke der primären Flüssigkeit in einem schwer absonderbaren Kanal befindet sich nach der Erfindung ein Meßgerät, das mit einer Injektionskanüle mit einer Ausströmöffnung und mit Mitteln zum Messen der Strömungsstärke der ausfließenden Flüssigkeit sowie einem temperaturempfindlichen Element versehen ist, und weiterhin ist wenigstens ein temperaturempfindliches Element in dem von den gemischten Flüssigkeiten eingenommenen Bereich angebracht, und ein weiteres temperaturempfindliches Element steht mit der Primärflüssigkeit in Berührung, wobei die erwähnten Elemente mit elektrischen Stromkreisen verbunden sind, die Anzeigegeräte enthalten, in der Weise, daß sowohl der Temperaturunterschied zwischen den gemischten Flüssigkeiten und der Hilfsflüssigkeit als auch der Temperaturunterschied zwischen der primären Flüssigkeit und den gemischten Flüssigkeiten angezeigt wird.
Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 schematisch die Vorrichtung nach der Erfindung in ihrer einfachsten Form,
F i g. 2, 3 und 4 schematisch detaillierter dargestellte Vorrichtungen,
F i g. 5 eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Katheter.
Zum besseren Verständnis werden zunächst das der Messung zugrunde liegende Prinzip und anschließend die Ausführungsbeispiele erläutert.
Es sei von einer primären Flüssigkeit ausgegangen, ■deren Strömungsstärke D in einem Kanal, z. B. von Blut in einer Blutbahn, bestimmt werden soll. Dadurch, daß der primären Flüssigkeit eine Hilfsflüssigkeit mit bekannter Strömungsstärke d zugesetzt wird, die sich mit der primären Flüssigkeit vermischen kann, läßt sich die Strömungsstärke D bestimmen, wenn folgende Temperaturen bekannt sind:
T1 = Temperatur der Hilfsflüssigkeit,
T2 = Temperatur des aus der Hilfsflüssigkeit und der primären Flüssigkeit bestehenden Gemisches,
T3 — Temperatur der primären Flüssigkeit.
Die Strömungsstärke D ist dann gegeben durch die Beziehung:
!5 τ — τ
= α Al ii
D = d-
T-T
Dieses Ergebnis ist von der Genauigkeit, mit der die Temperaturen und die Strömungsstärke d gemessen werden, aber auch von dem Maße abhängig, in dem die beiden Flüssigkeiten miteinander vermischt sind.
Im Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 strömt das Blut bzw. die primäre Flüssigkeit 1, deren Strömungsstärke D gemessen werden soll, durch ein Gefäß oder einen Kanal 2 in der mit F angegebenen Pfeilrichtung. Das untere spitze Ende einer Metallkanüle 3 dringt nahezu rechtwinklig in die Blutbahn 2 ein.
Die Kanüle 3 dient als Injektionsröhrchen, mittels dessen eine Hilfsflüssigkeit 5, die sich ohne Gefahr mit dem Blut vermischen kann, in den Kanal 2 eingebracht wird. Die Hilfsflüssigkeit, z.B. gekühltes Serum, hat eine von dem Blut abweichende Temperatur. Die Kanülenwand besitzt an dem in der Blutbahn befindlichen Teil eine Öffnung 6, durch die das Serum 5 in einer zur Strömungsrichtung des Bluts entgegengesetzten Richtung in das Blut 1 eingespritzt wird. Das Serum wird infolge der Kraft des Strahls mit dem Blut vermischt, und das Gemisch wird von der Blutströmung mitgeführt und zurück in die Kanüle 3 geführt. Die Temperatur T2 des Gemisches wird mittels eines am unteren Ende 4 der Kanüle angebrachten Thermo-Elementes 7 gemessen.
Das Thermo-Element 7 besteht aus zwei Metallen, z. B. dem Metall, aus dem die Kanüle, und dem Metall, aus dem der gestrichelt dargestellte Draht 8 hergestellt ist. Dieser Draht erstreckt sich durch das Innere der Kanüle und ist von ihr isoliert. Das Thermo-Element 7 ist gegensinnig zu einem Thermo-Element 10, das mit dem Serum mit der Temperatur T1 in Berührung ist, und ebenfalls gegensinnig zu einem Thermo-Element 11 geschaltet, das stromaufwärts vor der Kanüle 3 (z.B. im Rektum) angebracht und mit dem Blut mit der Temperatur T3 in Berührung ist. Der Draht 8 hat zwei Abzweigungen 8 a und Sb. Das Thermo-Element 10 kann in gleicher Weise wie das Thermo-Element 7 aus dem Metall der Kanüle und dem Metall eines Drahtes (gestrichelt dargestellt) gleicher Art wie der Draht 8 zusammengesetzt sein. Das Thermo-Element 11 ist gleichfalls aus zwei aufeinandergeschweißten Metallen, dem Metall der Kanüle bzw. dem Metall des Drahtes 8 zusammengesetzt. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann das mit dem Draht 8 verbundene Thermo-Element 7 durch zwei
nächfolgend mit 7 und 9 bezeichnete Thermo-Elemente ersetzt werden, die unterschiedlich gegensinnig zu den Thermo-Elementen 10 und 11 geschaltet sind. Es ist einleuchtend, daß die Thermo-Elemente gegen das Blut isoliert sein müssen, da das Blut ein Leiter ist, der einen elektrischen Nebenschluß zwischen den Thermo-Elementen darstellt.
Die beiden Kreise sind mit Voltmetern 12 und 13 verbunden, die den Unterschied der Temperaturen T2 — T1 und den Unterschied der Temperaturen T3 — T2 anzeigen. Mit Hilfe eines nicht dargestellten Meßgerätes wird weiterhin die Strömungsstärke des Serums gemessen. An Hand dieser Größen läßt sich dann die Strömungsstärke der primären Flüssigkeit aus folgender Formel bestimmen:
D = d T2 - Ti
T — T
Diese Berechnung kann auch selbsttätig von einer Rechenvorrichtung vorgenommen werden, welche an die Stelle der beiden Voltmeter tritt.
Eine solche besonders einfache Vorrichtung ist nur dann verwendbar, wenn an die Meßgenauigkeit keine hohen Anforderungen gestellt werden. Das so as erzielte Meßergebnis ist nämlich nur annähernd richtig, da der Strahl der Hilfsflüssigkeit einen gewissen Impuls auf die primäre Flüssigkeit überträgt, wodurch im Kanal eine Druckänderung auftritt, welche die Strömungsstärke ändert. Eine vollständige Vermischung des Serums mit dem Blut wird in Anbetracht des kurzen Abstandes zwischen der Kanüle und der Stelle, an der das Gemisch zustande kommt, kaum möglich sein.
Um diese Störungen der Strömungsstärke zu vermeiden, kann in der Kanüle 3 der ersten Öffnung gegenüber eine zweite Öffnung vorgesehen werden (nicht dargestellt).
Im nachfolgenden wird die Vorrichtung ohne die Voltmeter als Meßvorrichtung bezeichnet.
In der in F i g. 2 dargestellten Meßvorrichtung befindet sich stromabwärts der ersten Kanüle 3 eine zweite Kanüle 14. Mit dieser Kanüle 14 ist eine (nicht dargestellte) Pumpe verbunden, die einen Teil des Gemisches Serum/Blut mit der Temperatur T2 abführt. Im unteren Ende 4 der Kanüle 3 befindet sich dann kein Thermo-Element. Das Serum wird durch eine mittlere Öffnung 15 eingespritzt, jedoch ist die Öffnung 15 auch durch seitliche im unteren Ende der Kanülenwand' angebrachte öffnungen ersetzbar. Die Abführungskanüle 14 besitzt gleichfalls eine mittlere Öffnung 16, durch die das Gemisch abgeführt wird. Der Abstand zwischen den beiden Kanülen hängt im wesentlichen von der Geschwindigkeit und der Viskosität des Blutes ab und muß derart sein, daß in dem Bereich, in dem infolge des Einspritzens des Serums Wirbelung auftritt, die beiden Flüssigkeiten sich gut vermischen. Die durch die Kanüle 14 abgeführte Flüssigkeitsmenge muß gleich der durch die Kanüle 3 eingespritzten Menge sein, so daß verhütet wird, daß vor der Kanüle 3 ein Gegendruck entsteht, der die Durchströmung des Blutes hemmen würde. Zum Messen der Temperatur T9 sind in der Kanüle 11 zwei Thermo-Elemente 7 und 9 angebracht, die wie zuvor gegensinnig zu den Thermo-Elementen 10 und 11 (letzteres wird rektal angebracht) geschaltet werden. Um die Temperatur J3 genauer zu messen, kann das Thermo-Element 11 näher an die Kanüle 3 gebracht werden. Das Thermo-Element 11 kann in diesem Falle in Form einer Kanüle ausgebildet sein.
F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung ähnlich der nach F i g. 2, bei der aber eine dritte Kanüle 17 für die Abführung, ähnlich der Kanüle 14, stromaufwärts vor der Kanüle 3 angebracht ist. Durch die Kanüle 17 kann eine geringe Menge reines Blut abgezogen werden, dessen Temperatur T3 durch ein im Inneren der Kanüle 17 angebrachtes Thermo-Element 11 mit großer Genauigkeit gemessen wird.
Die in Fig.4 dargestellte Vorrichtung kann als eine besondere Form der Vorrichtung nach F i g. 2 betrachtet werden. Das Meßgerät besteht aus einer einzigen Kanüle 14 für die Abführung. Die Kanüle für das Einspritzen ist durch ein biegsames Rohr 18, z. B. aus Kunststoff, ersetzt. Das Rohr 18 wird zum Einführen in die Blutbahn 2 in die Kanüle 14 eingebracht und nach dem Einführen durch eine Öffnung in der Kanülenwand hindurchgeschoben. Sobald das biegsame Rohr die Innenwand der Blutbahn 2 berührt, wird das Rohr umgebogen und legt sich längs der Blutbahn in einer zur Strömungsrichtung entgegengesetzten Richtung. Wenn das in die Blutbahn eingeführte Rohrstück lang genug ist, wird das Serum 5 eingespritzt und vermischt sich mit dem Blut. Das Blut wird durch die Öffnung 16 der Kanüle 14, durch die sich das Rohr 18 erstreckt, abgesogen. Die Temperaturen werden in leichter Weise gemessen wie bei der Vorrichtung nach F i g. 2.
Wenn die Messung beendet ist, wird das Rohr 18 wieder in die Kanüle 14 hineingezogen, bevor die Kanüle aus der Blutbahn entfernt wird.
Das Meßgerät nach F i g. 5 besteht aus einem Katheter 19, der innerhalb der Blutbahn 2 und parallel mit ihr eingebracht ist. Der Katheter besitzt zwei parallele horizontale Röhrchen 20 und 21, die mit nicht dargestellten Vorrichtungen zum Einspritzen bzw. zum Abführen von Flüssigkeit verbunden sind. Jedes Röhrchen mündet in einen senkrechten Kanal 22 bzw. 23, der in der Blutbahn senkrecht zur Strömungsrichtung ausläuft. Das Serum wird durch das Röhrchen 20 und den Kanal 22 hindurch eingespritzt und durch den Kanal 23 und das Röhrchen 21 hindurch abgeführt. Die Thermo-Elemente 7 und 9 sind im Röhrchen 21, das Thermo-Element 10 im Röhrchen 20 und das Thermo-Element 11 im Kopf des Katheters untergebracht. Die Thermo-Elemente sind wie zuvor mit gleichen Kreisen verbunden (in F i g. 5 nicht dargestellt).
Im Rahmen der Erfindung sind Abänderungen möglich, insbesondere können die Thermo-Elemente durch andere temperatur-empfindliche Elemente ersetzt werden, die die Informationen bezüglich der Temperaturunterschiede, oder gegebenenfalls die Temperaturen selbst, an ein Rechenelement liefern. Die Kanülen können zu einer Einheit zusammengesetzt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Messen der Strömungsstärke einer durch einen schwer absonderbaren Kanal strömenden Flüssigkeit (primären Flüssigkeit), insbesondere zum Messen der Strömungsstärke von Blut in der Blutbahn, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Hilfsflüssigkeit (5), deren Temperatur von der Temperatur der primären Flüssigkeit (1) abweicht, eine be- ίο kannte Menge pro Zeiteinheit in den Flüssigkeitskanal (2) eingebracht und der Temperaturunterschied zwischen den gemischten Flüssigkeiten und der eingebrachten Flüssigkeit (5) sowie der Temperaturunterschied zwischen der primären Flüssigkeit (1) und den gemischten Flüssigkeiten gemessen wird, wobei die Strömungsstärke aus dem Produkt der Strömungsstärke der eingebrachten Flüssigkeit (5) und dem Quotienteji der beiden erwähnten Temperaturunterschiede bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Messen der Strömungsstärke von Blut in der Blutbahn, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsflüssigkeit (5) in einen Blutumlauf kanal mittels einer Injektionskanüle (3) eingebracht wird, deren Ende (4) eine Ausströmöffnung (6) besitzt und durch die Wand des Kanals (2) hineingeführt ist.
3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßgerät vorgesehen ist, das mit einer Injektionskanüle (3) mit einer Ausströmöffnung (6) und mit Mitteln zum Messen der Strömungsstärke der ausfließenden Flüssigkeit (5) sowie einem temperatur-empfindlichen Element (10) versehen ist, und weiterhin wenigstens ein temperaturempfindliches Element (7) in dem von den vermischten Flüssigkeiten eingenommenen Bereich angebracht und ein weiteres temperatur-empfindliches Element (11) mit der primären Flüssigkeit (1) in Berührung ist, wobei die erwähnten Elemente (7, 10, 11) mit elektrischen Stromkreisen verbunden sind, die Anzeigegeräte (12, 13) enthalten, in der Weise, daß der Temperaturunterschied zwischen den gemischten Flüssigkeiten (1, 5) und der Hilfsflüssigkeit (5) als auch der Temperaturunterschied zwischen der primären Flüssigkeit (1) und den gemischten Flüssigkeiten (1, 5) angezeigt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionskanüle (3) in nahezu senkrechter Richtung in den Kanal (2) eindringt und an dem im Kanal (2) liegenden Ende in ihrer Seitenwand wenigstens eine Öffnung (6) aufweist, durch die die Hilfsflüssigkeit (5) in einer zur Strömungsrichtung der primären Flüssigkeit (1) entgegengesetzten Richtung eingespritzt wird, und für die Temperaturmessung ein erster Satz (7,10) von zwei gegensinnig geschalteten Thermo-Elementen vorgesehen ist, die im Kanal (2) in der Höhe des unteren Endes der Injektionskanüle (3) bzw. im Innern der Injektionskanüle angeordnet sind, und ein zweiter Satz (7, 11) von zwei gegensinnig geschalteten Thermo-Elementen vorgesehen ist, die im Kanal stromaufwärts vor der Injektionskanüle (3) bzw. in der Höhe des unteren Endes der Injektionskanüle (3) angebracht sind (F i g. 1).
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes mit einer Pumpe verbundenes Auslaßröhrchen (14) im Kanal (2) stromabwärts der Injektionskanüle (3) angebracht ist, wobei das im Kanal (2) liegende Ende des Auslaßröhrchens (14) mit einer Öffnung (16) versehen ist, durch die wenigstens ein Teil der gemischten Flüssigkeiten abgeführt wird, und wobei vom zuersterwähnten Thermo-Elementensatz das eine Element (7) im Auslaßröhrchen und das andere (10) in der Injektionskanüle untergebracht ist, und vom weiten Thermo-Elementensatz das eine Element (11) im Kanal stromaufwärts vor der Injektionskanüle und das andere Element (9) im Auslaßröhrchen (14) untergebracht ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites, mit einer Pumpe verbundenes Auslaßröhrchen (17) im Kanal (2) stromaufwärts vor der Injektionskanüle (3) angebracht ist und dessen im Kanal (2) liegendes Ende eine Öffnung aufweist, durch die ein Teil der primären Flüssigkeit (1) abgeführt wird, und wobei vom zweiten Thermo-Elementensatz das eine Element (9) im ersten Auslaßröhrchen (14) und das andere (11) im anderen Auslaßröhrchen (17) untergebracht ist (F i g. 3).
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine biegsame Injektionskanüle (18) vorgesehen ist, die sich durch das erste Auslaßröhrchen (14) erstreckt, derart, daß sie in den Kanal (2) stromaufwärts vor dem ersten Auslaßröhrchen (14) mündet (F i g. 4).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanülen (14) in Form von Hohlnadeln ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßgerät in Form eines Katheters (19) vorgesehen ist, der im Kanal (2) in der Strömungsrichtung der primären Flüssigkeit (1) angebracht ist und in dem sich die Injektionskanüle (20) und ein Auslaßröhrchen (22) befinden, welche in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung der primären Flüssigkeit
(I) in den Kanal (2) münden, und wobei von einem Thermo-Elementensatz das eine Element
(II) im vorderen Teil vor dem Katheter (19) und das andere Element (9) im Auslaßröhrchen (21) angebracht ist, und vom anderen Thermo-Elementensatz das eine Element (7) im Auslaßröhrchen (21) und das andere Element (10) in der Injektionskanüle (20) untergebracht ist (F i g. 5).
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