DE69737031T2

DE69737031T2 - Vorrichtung zur nicht-invasiven bestimmung von blutparametern

Info

Publication number: DE69737031T2
Application number: DE69737031T
Authority: DE
Inventors: Alexander K. Mills
Original assignee: Daedalus I LLC
Current assignee: Daedalus I LLC
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2017-07-11
Also published as: WO1998003847A3; EP0944347A4; AU3721997A; ATE346539T1; WO1998003847A2; EP0944347A2; US5978691A; DE69737031D1; EP0944347B1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine nicht-invasive Methode zur quantitativen Bestimmung der Konzentration von Komponenten in einer Licht- oder andere Strahlung-streuenden Umgebung. Es wird eine neue Vorrichtung zur Variation der Temperatur oder anderer Parameter zur Unterstützung der Bestimmungen beschrieben.
Insbesondere betrifft die Erfindung spektrophotometrische Systeme und Messungen vom Verhalten, der Wirkung oder Funktion von Substanzen, die durch Temperatur oder andere Variable beeinflusst werden. Insbesondere wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung von Blutparametern beschrieben. Diese Technologie verwendet die Messung von Temperatur-induzierten Veränderungen im respiratorischen Molekül Hämoglobin, um das Säure-Basen-Gleichgewicht und andere Parameter zu bestimmen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
US-4 926 867 beschreibt eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung von Eigenschaften von Inhaltsstoffen und der Umgebung, in der die Inhaltsstoffe vorhanden sind, wobei die Vorrichtung umfasst eine Strahlenquelle mit mindestens einer auf die Inhaltsstoffe applizierten Wellenlänge, eine Detektorvorrichtung, die den Empfang dieser Wellenlänge nach Kontakt mit den Inhaltsstoffen registriert und misst, eine Temperaturinduktionsvorrichtung zum Erzeugen von Temperaturänderungen in den Inhaltsstoffe und eine Kontrollvorrichtung zur Beeinflussung der Strahlenquelle der Detektorvorrichtung und der Temperaturinduktionsvorrichtung und zum Berechnen von Parametern auf der Basis von aus dem Kontakt dieser Strahlung erhaltener Information.
Bis jetzt ist keine Vorrichtung bekannt, die nicht-invasiv den pH-Wert und/oder Blutgase messen kann. Im weitesten Sinne ist die Differentialthermoanalyse ein Verfahren, das in der analytischen Chemie zur Identifizierung und quantitativen Analyse der chemischen Zusammensetzung von Substanzen durch Beobachten des thermischen Verhaltens einer Probe, wenn diese erwärmt wird, verwendet wird. Diese Methodologie wird zur Identifizierung von Mineralien und Mineralstrukturen weit verbreitet angewendet, aber wird nicht nicht-invasiv durchgeführt und ist üblicherweise tatsächlich für die zu testende Probe destruktiv. Sie ist bei biologischen Anwendungen nicht brauchbar. Auf ähnliche Weise stehen verwandte thermometrische Methoden, wie z.B. die Thermogravimetrie, Kalorimetrie und die Kryoskopie, nicht mit der vorliegenden Erfindung in Beziehung.
Die Induktion von Temperaturveränderungen wurde in experimentellen Untersuchungen der chemischen Kinetik verwendet, um die Messung von Reaktionsgeschwindigkeiten zu erleichtern. Das hier beschriebene Verfahren hängt nicht von irgendeiner chemischen Reaktion ab, die stattfindet.
Die Temperatur ist ein sehr wichtiger Faktor in der Chemie biologischer und nicht-biologischer Systeme. Sie bestimmt die Geschwindigkeit von Reaktionen, und tatsächlich ob eine Reaktion überhaupt stattfindet. Die Temperatur ist relativ einfach zu messen und zu regulieren. Außerdem zerstört die Veränderung der Temperatur einer Substanz oder eines Systems normalerweise die Substanz auf keine Weise (innerhalb eines bestimmten Bereichs; selbstverständlich werden Temperaturextreme fast jedes System schädigen). Die Temperatur selbst kann das Säure-Basen-Gleichgewicht und den pH-Wert aufgrund eines direkten Einflusses auf das Wasserstoffion beeinflussen.
Die Spektrophotometrie ist eine allgemein verwendete Technik zur Identifizierung und Quantifizierung von Substanzen. Sie wird in der Medizin in Form der Pulsoximetrie zur Bestimmung des Verhältnisses von Oxyhämoglobin zu Deoxyhämoglobin und so zur Messung des Oxigenierungsstatus eines Patienten verwendet. Die Spektrophotometrie misst die von einem Körper durchgelassene oder reflektierte Strahlungsenergie als Funktion der Wellenlänge. Infrarot(IR)-Spektroskopie leitet Infrarotlicht durch ein organisches Molekül und ergibt ein Spektrum, das als Menge an durchgelassenem Licht versus Wellenlänge der Infrarotstrahlung aufgetragen werden kann. Da alle Bindungen in einem organischen Molekül mit der Infrarotstrahlung in Wechselwirkung treten, liefern IR-Spektren eine große Menge an Strukturdaten, die eine Identifizierung ermöglichen. Im Hinblick auf die Spektrophotometrie und insbesondere die Oximetrie gibt es einen großen Stand der Technik. Der relevanteste Stand der Technik, der dem Erfinder bekannt ist, wird nachstehend besprochen, aber keiner bezieht sich auf die unikalen Bestimmungen, die durch das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren und die Vorrichtung ermöglicht werden.
US-Patent 5 431 159 (11. Juli 1995; Baker et al.) beschreibt Methoden zur Verbesserung der Messung mittels Standard-Pulsoximetrie. Obwohl diese Vorrichtungen die Signalqualität und das Signal/Rauschverhältnis von Oximeterberechnungen verbessern können, ermöglichen sie keine neuen Bestimmungen, wie sie in der vorliegenden Erfindung angegeben werden.
US-Patent 5 101 825 (7. April 1982; Gravenstein et al.) gibt an, Hämoglobin mittels einer gleichzeitigen Messung von durch Oximetrie gemessenen Volumenänderungen und Massenänderungen der Hämoglobin-Spezien zu bestimmen. Es ist unklar, wie Blutvolumenveränderungen mit der gewünschten Genauigkeit bestimmt werden können.
US-Patent 5 499 627 (19. März 1996; Steuer et al.) beansprucht ein System für eine nicht-invasive Hematokritbestimmung. Das Patent beschreibt Verfahren zur Messung der Infrarotabsorption von Hämoglobin an isobestischen Punkten der Oxy- und Deoxy-Spezien. Es findet sich jedoch keine Diskussion, die sich auf die Verwendung von Temperaturänderungen bezieht, und Steuer et al. ist deshalb für die vorliegende Erfindung nicht besonders relevant.
US-Patent 5 427 093 (27. Juli 1995; Ogawa et al.) beschreibt eine Vorrichtung zum Dispergieren von durch eine LED in einem Oximetersensor erzeugter Wärme mittels einer Wärmedissipationsplatte. Dies ist ein potentieller Vorteil für Standard-Pulsoximeter, trägt aber keinesfalls zur Verbesserung ihrer Messungen oder zur Ermöglichung neuer Bestimmungen bei, wie es bei der hier beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren der Fall ist.
US-Patent 4 167 331 (11. September 1979; Nielsen) beschreibt die Verwendung von mehreren Wellenlängentechniken zur Identifizierung von mehreren absorbierenden Substanzen.
Mehrere Patente beanspruchen die nicht-invasive Messung von Blutglucose unter Verwendung einer modifizierten Lichtstrahlung. US-Patent 4 704 029 (3. November 1987; Van Heuvelen) beschreibt die Messung von Blutglucose unter Verwendung eines Refraktometers. US-Patent 5 448 992 (12. September 1995; Kupershmidt) basiert Messungen auf einen polarisierten-modulierten Laser. US-Patent 5 433 197 (Stark) beschreibt die nicht-invasive Glucosemessung unter Verwendung einer Augenbestrahlung. Es gibt viele andere solcher Quellenangaben, aber keine bezieht sich spezifisch auf das Verfahren dieser Anmeldung.
US-Patent 4 805 623 (21. Februar 1989; Jobsis) beschreibt eine spektrophotometrische Methode zur Bestimmung der Konzentration einer verdünnten Komponente zusammen mit einer Bezugskomponente bekannter Konzentration. Obwohl nicht zum hier beschriebenen Verfahren ähnlich, beschreibt das Patent, dass der Erhalt einer geeigneten Bezugskomponente oft problematisch ist. Das in der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren vermeidet diesen Mangel an Bezugskomponenten für viele Fälle, weil die Bestimmung der Konzentration vieler Substanzen, wie z.B. des Hämoglobinspiegels, in Blut oder anderen Umgebungen nun durchgeführt werden kann, und diese wieder als Referenzkomponenten dienen können.
US-Patent 5 492 118 (20. Februar 1996; Gratton et al.) beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Bestimmung von Materialspezifisch Glucose)-Konzentrationen in Geweben. Dies wird durch Messung des Streuungskoeffizienten von durch das Gewebe hindurch getretenes Licht und des Vergleiches mit einem früher im Hinblick auf das Gewebe bestimmten Streuungskoeffizienten durchgeführt.
US-Patent 5 402 777 (4. April 1995; Warring et al.) beschreibt eine Vorrichtung zur Erleichterung der nicht-invasiven Sauerstoffbestimmung. Dies ist ein Sensorsystem, das zur Verbesserung des Verhaltens eines Pulsoximeters unter bestimmten Bedingungen konstruiert ist. Obwohl dies eine brauchbare Hilfe in der Standard-Pulsoximetrie sein kann, ermöglicht es auf keine Weise irgendwelche zusätzlichen Bestimmungen durchzuführen, wie dies bei der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Vorrichtung der Fall ist.
Viele Patente beschreiben außerdem Verbesserungen von Pulsoximetersonden oder -sensoren als Fortschritte auf diesem Gebiet. In dieser Gruppe befindet sich das US-Patent 5 469 845 (DeLonzor et al.) und viele andere.
3. Physiologischer und biochemischer Hintergrund
Dieser Abschnitt bezieht sich spezifisch auf Hämoglobin und die Oximetrie. Es treten auch sekundär zu thermischen Wirkungen Veränderungen in vielen anderen Substanzen auf, und die Messungen und die Bestimmungen auf der Basis dieser Wirkungen sind innerhalb des Rahmens dieser Patentanmeldung enthalten.
Hämoglobin ist das Molekül, das im wesentlichen vollständig für den Sauerstofftransport in allen Wirbeltieren und einigen wirbellosen Tieren verantwortlich ist (siehe: Nunn's Applied Respiratory Physiology, Cambridge, MA; Butterworth – Heinemann, 4. Ausgabe (1993), Kapitel 10, S. 219-246); der Rest dieser Diskussion wird auf Menschen beschränkt. Es ist in den roten Blutzellen (RBC, Erythrozyt) enthalten, die die üblichsten Zellen im Körper sind. Ein Molekül oder eine einzige Einheit von Hämoglobin (Hb) enthält 4 Eisengruppen, von denen jede ein Molekül oder eine Einheit Sauerstoff binden kann. Weil 4 Eisengruppen vorhanden sind, kann ein Hb-Molekül 0 bis 4 Moleküle O₂ enthalten. Hb, das O₂ trägt, ist als Oxihämoglobin (HbO₂) bekannt, Hb, das keinen Sauerstoff trägt, ist als Deoxyhämoglobin bekannt. Die relative Zahl von an ein Hb-Molekül gebundenen O₂-Moleküle wird als Sättigung, ausgedrückt in Prozent, bezeichnet. Natürlich besteht Blut aus Billionen und Billionen von RBCs und Hb-Molekülen, weshalb die mittlere Sättigung irgendeinen Wert von 0 bis 100% annehmen kann.
Wie gut Hb mit O₂ gesättigt ist, hängt hauptsächlich vom "Partialdruck" von Sauerstoff im Blut ab. Je höher der Druck von Sauerstoff im Blut (PO₂) ist, desto höher ist die Sättigung (SO₂). Das Verhältnis zwischen PO₂ und SO₂ ist jedoch nicht linear (die Veränderung in einem Wert ist nicht immer direkt proportional zur Veränderung im anderen). Die Abhängigkeit wird als S-förmige "sigmoide" Kurve beschrieben, die in biologischen Wissenschaften üblich ist. Diese Kurve wird als Hämoglobin-Sauerstoff-Dissoziationskurve (HODC; siehe 1) bezeichnet. Hb absorbiert O₂ in den Lungen (um HbO₂ zu bilden). Wenn RBC ins Gewebe wandert, setzt HbO₂ Sauerstoff frei.
Die Bestimmung der physiologischen Parameter ist ein sehr wichtiger Bestandteil der modernen medizinischen Praxis. Unglücklicherweise hat bis jetzt die Messung von jedem dieser Parameter es erfordert, eine Blutprobe (arteriell und/oder venös) abzunehmen, die dann in einem Laboratorium analysiert wird. Während der 1970-iger Jahre wurde das erste Pulsoximeter eingeführt. Diese Vorrichtung verwendet die Spektrophotometrie, um eine Einschätzung der arteriellen Sauerstoffsättigung (SaO₂) mit SpO₂ (Sättigung, gemessen mittels Pulsoximetrie) bezeichnet, auf nicht-invasive Weise zu ermöglichen. Nach Verbesserungen sind nun Pulsoximeter in Einrichtungen für die gesundheitliche Versorgung allgemein üblich.
Die Konstruktion und Funktion eines Pulsoximeters ist gut dokumentiert. Die zwei Hauptformen von Hb (Oxy und Deoxy: Hb und HbO₂) absorbieren verschiedene Wellenlängen von Licht in verschiedenen Ausmaßen. Das Standard-Oximeter verwendet zwei Wellenlängen, eine im "roten" Teil des Lichtspektrums und die andere im nahen-Infrarot. Das Absorptionsmaß der Emissionen von Licht-emittierenden Dioden (LEDs) geeigneter Wellenlänge wird gemessen. Die pulsierenden (AC-) und nicht-pulsierenden (DC-)Komponenten werden berechnet und verglichen, und das Verhältnis des korrigierten Signals wird mit einer vorhandenen Eichkurve verglichen, um SpO₂ zu ergeben.
Transkutane Messung von Sauerstoff und Kohlendioxid wird ebenfalls, wie in S.J. Barker, "Monitoring Oxygen and Carbon Dioxide", International Anesthesia Research Society, März 1996, S. 1-7, beschrieben, verwendet, bei dieser Methode bestehen jedoch einige praktische Schwierigkeiten. Sie ist abhängig vom Herzzeitvolumen und von der Hautperfusion, die Elektrode muss vor der Anwendung auf der Haut kalibriert werden, und die Sensormembran und der Elektrolyt müssen periodisch ersetzt werden. Die einzige signifikante Anwendung ist in der Neonatologie.
Es gibt viele Quellen, die eine nicht-invasive Bestimmung von Glucose beschreiben. Auf dem Markt hat jedoch dazu noch keine Vorrichtung Akzeptanz gefunden.
Es gab auch zahlreiche Versuche zur Messung unter Verwendung miniaturisierten Sensoren, die durch Arterienkanülen hindurchführen. Der erste Versuch verwendete Clark-Elektroden, die gleiche Sauerstoffelektrode, wie sie im Laboratorium in Blut-Gas-Analysatoren verwendet wird. Neuerdings wurde das Prinzip der Fluoreszenzlöschung verwendet, um faseroptische "Optoden" zu entwickeln, die kontinuierlich den pH-Wert und PCO₂ sowie PO₂ durch eine Arterienkanüle messen können. Unglücklicherweise traten bei der Optodengenauigkeit und Verlässlichkeit einige technische Probleme auf. Obwohl sich diese Technologie zweifelsohne verbessern wird, bleibt sie sehr kostspielig und ist natürlich ein invasives Verfahren.
Nun kann das SO₂ nicht-invasiv bestimmt werden. Der einzige Weg, um den pH-Wert und andere Parameter genau zu bestimmen, war jedoch das Abnehmen einer Blutprobe und die Verwendung von Laboratoriumsanalysen. Eine solche Analyse ist natürlich invasiv (sie erfordert das Durchstechen der Haut; zu jeder Zeit, zu der die Hautbarriere zerstört wird, kann eine Entzündung und/oder Infektion entstehen), sehr schmerzhaft (die Punktur einer Arterie ist technisch viel schwieriger und viel schmerzhafter als die Punktur einer Vene, mit der die meisten Bluttests durchgeführt werden), es bestehen Risiken einer Blutkontamination sowohl für das Subjekt als auch die Person, die das Blut entnimmt, und sie erzeugt toxischen medizinischen Abfall (Spritze, Nadel, Handschuhe, Hautverband, Teströhrchen oder andere Behälter). Sie ist kostspielig durchzuführen, und zwar nicht nur im Hinblick auf Bereitstellung und die Kosten des Analysators, der diese Messung durchführt, sondern auch der Betrieb des Analysators und die Blutabnahme erfordert ein geübtes Personal. Der Analysator muss häufig mit chemischen Reagentien geeicht werden, die kostspielig sind und sicher entsorgt werden müssen. Eine Arterienpunktur ist auch inhärent gefährlich, weil sie in der Arterie ein Blutgerinsel verursachen kann und dann verhindert, dass das Blut "stromabwärts" fließt, was solche Gewebe an Sauerstoff verarmt.
Es würde deshalb ein Fortschritt auf diesem Gebiet sein, ein System und eine Methode bereitzustellen, um nicht-invasiv und quantitativ das Säure-Basen-Gleichgewicht und verwandte Variable zu bewerten. Ein weiterer Fortschritt auf diesem Gebiet würde es sein, nicht-invasiv und quantitativ die Hämoglobin-Konzentration ("Blutbild") und den Sauerstoffgehalt und die Kapazität zu messen. Es würde eine weitere Verbesserung auf diesem Gebiet sein, alle diese Parameter rasch und kontinuierlich zu bestimmen. Es würde eine große Verbesserung darstellen, wenn diese Messungen ohne Notwendigkeit für eine Laboratiumsanalyse, Vorrichtung und Personal durchgeführt werden könnten. Es würde ein Fortschritt sein, eine Vorrichtung mit solchen Fähigkeiten zu besitzen, die leicht transportierbar ist, die in einer Ambulanz verwendet werden könnte, oder beim Transport eines Patienten von einem Ort zu einem anderen.
Es würde ferner ein Fortschritt sein, eine Vorrichtung für eine sofortige Diagnose einer Vergiftung, wie einer solchen aufgrund von Kohlenmonoxid, zu besitzen. Es würde von Vorteil sein, ein rasches nichtinvasives Screening von Blutkrankheiten, wie z.B. Sichelzellanämie, zu ermöglichen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur nicht-invasiven Stimmung von Eigenschaften von Inhaltsstoffen und der Umgebung oder dem Milieu, in dem die Inhaltsstoffe vorhanden sind. Das Verfahren verwendet durch thermische Energie induzierte Veränderungen in Molekülen, um die Messungen zu erleichtern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein neues und unikales Verfahren und eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung der Sauerstoffsättigung (SO₂), des Partialdrucks von Sauerstoff (PO₂), des Partialdrucks von Kohlendioxid (PCO₂), der Bicarbonationen (HCO₃ ^–), des gesam ten Kohlendioxids (TCO₂), des Säure-Basen-Gleichgewichts (pH), des Basenüberschusses, der gesamten Hämoglobin-Konzentration (Thb), der Hematokriten (Hct), der Oxyhämoglobin-Konzentration, der Deoxyhämoglobin-Konzentration und des Sauerstoffgehaltes beschrieben.
Die HODC ist durch drei Faktoren auf die linke oder rechte Seite (wie in den 2 und 3 dargestellt und wie in der Literatur diskutiert) "verschoben": Temperatur, Säure-Basen-Gleichgewicht des Bluts und Konzentration von organische Phosphate genannten Substanzen im Blut. Die organischen Phosphate (die Hauptsubstanz wird 2,3-Diphosphoglycerat: 2,3-DPG oder 2,3-Biphosphoglycerat: 2,3-BPG genannt) sind Moleküle, die an Hb binden, um den Sauerstofftransport zu erleichtern. Obwohl sie wichtig sind, sind Störungen sehr selten, und es kann angenommen werden, dass praktisch alle Menschen, außer in Ausnahmefällen, normale Konzentrationen aufweisen. Sie werden hier nicht weiter angesprochen.
Somit verbleiben Temperatur- und Säure-Basen-Gleichgewicht. Die Wirkungen dieser Faktoren wurden in den angegebenen Quellen gut beschrieben. Die einzige Verwendung dieser Information war es jedoch, die Werte der Blutproben auf solche Werte zu "korrigieren", die sie bei Standardtemperatur und -pH sein würden.
Die hier beschriebene Technologie verwendet die bekannten Verschiebungen in der HODC, zusammen mit anderen Kenntnissen, um die Messungen und Berechnungen durchzuführen, die zur Bestimmung aller vorstehend erwähnten Parameter notwendig sind. Wie angegeben, sind die Faktoren, die diese Verschiebungen verursachen, gut dokumentiert, sowie auch das relative Ausmaß der Verschiebung aufgrund jedes Faktors. Durch Kontrolle und Variation der Temperatur kann man den Grad der Verschiebung aufgrund thermischer Wirkungen berechnen. Irgendein verbleibendes Ausmaß der Verschiebung beruht auf einer Änderung im Säure-Basen-Gleichgewicht. Weil der Einfluss des Säure-Basen-Gleichgewichts auf die HODC bekannt ist, können die Veränderungen und der Status des Säure-Basen-Gleichgewichts bestimmt werden.
Das Oximeter bestimmt das SO₂ von Blut. Somit gibt es einen Punkt auf der HODC an. Selbstverständlich ist dies für irgendeine Verschiebung in der Kurve unbeachtlich. Durch Messung von SO₂ bei zwei oder mehr Punkten bei bekannten Temperaturen oder einem Punkt, in dem die Temperatur auf zwei oder mehrere verschiedene bekannte Werte verändert wird, kann man die "Standard"-Kurve berechnen. Irgendeine Abweichung von gemessenen Werten von dieser Kurve bedeutet eine Veränderung im Säure-Basen-Status.
Zusätzlich ist es bekannt, dass der pH-Wert und PCO₂ durch die Temperatur des Blutes beeinflusst werden, und diese Wirkungen werden in der Literatur quantifiziert (siehe: O. Siggaard-Anderson, The Acid-Base Status of the Blood, 4. Ausgabe, S. 29-91; Baltimore, MD; Williams & Wilkins (1974); und J.F. Nunn, Nunn's Applied Respiratory Physiology, 4. Ausgabe, S. 247-305; Cambridge, MA; Butterworth-Heinemann (1993)).
Ein Vergleich der Sättigungswerte bei verschiedenen bekannten Temperaturen ermöglicht deshalb eine Berechnung des Säure-Basen-Gleichgewichtes und der Parameter, die dieses beeinflussen.
Weil das Hämoglobin-Molekül der primäre Puffer für das Säure-Basen-Gleichgewicht im Körper ist, kann eine Bewertung des Hämoglobinspiegels aus dem Grad der Pufferwirkung durchgeführt werden (siehe 4 und H.W. Davenport, The ABC of Acid-Base Chemistry, 5. revidierte Ausgabe, S. 8-68; Chicago, IL. University of Chicago Press (1971)).
Die Technik wiederholt durchgeführter Bestimmungen während einer Änderung der Temperatur oder anderer Variablen ermöglicht es, eine Vielzahl zusätzlicher Analysen durchzuführen. Die Bestimmungen können intermittierend oder kontinuierlich durchgeführt werden.
Die Erfindung, zusammen mit zusätzlichen Merkmalen und Vorteilen davon, ist am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung zu verstehen, die im Zusammenhang mit den anliegenden veranschaulichenden Zeichnungen gemacht wird.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein repräsentatives Diagramm der normalen Hämoglobin-Sauerstoff-Dissoziationskurve.
2 ist ein ähnliches Diagramm, das Beispiele von "Verschiebungen" oder Änderungen in der Hämoglobin-Sauerstoff-Dissoziationskurve aufgrund von Temperaturänderungen zeigt.
3 ist ein ähnliches Diagramm, das Beispiele von "Verschiebungen" oder Änderungen in der Hämoglobin-Sauerstoff-Dissoziationskurve aufgrund von Veränderungen des Säure-Basen(pH)-Status des Blutes zeigt.
4 ist ein repräsentatives Diagramm der Hämoglobin-Pufferwirkung in Vollblut.
5a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung bei einem Finger. Wie im Text erwähnt, kann jeder Teil des Körpers, der erfolgreich mit der verwendeten Strahlungsenergie durchstrahlt werden kann, verwendet werden. Somit können auch Zehen, Lippen usw. verwendet werden.
5b zeigt eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von zwei Fingern.
5c zeigt eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von drei Fingern.
6 zeigt eine Nahdarstellung einer Ausführungsform eines Sensoren zur Verwendung bei einem Finger. Die Temperaturinduktion und die Messinstrumentierung sind enthalten, ebenso wie die Strahlungsemissions- und Detektionsmittel. Die Information wird zwischen dem Sensor und zusätzlichen Komponenten (Verfahrens-, Eingangs- und Anzeigeeinheiten) übertragen.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der sich Finger innerhalb eines Gehäuses befinden. Diese Ausführungsform ermöglicht es, gleichzeitig mehrere Messungen durchzuführen. Die Strahlungsquelle, die Emitter und die Detektoren und Heiz/Kühl-Mittel sind alle innerhalb des Gehäuses enthalten. Die Verfahrens-, Eingangs- und Anzeigeeinheiten können für eine einzige in sich geschlossene Anordnung ebenfalls innerhalb des Gehäuses untergebracht sein.
8 zeigt eine Nahdarstellung einer Ausführungsform eines Gehäuses, das die Elemente der Erfindung enthält.
9 zeigt eine Nahdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Verwendung mit einem Schlauch.
10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform zur Erzeugung und Übertragung von Lichtstrahlen. Licht einer spezifischen Wellenlänge und Intensität wird erzeugt und zur entsprechenden Stelle übertragen.
11 zeigt eine in Pulsoximetern verwendete Standard-Eichkurve. Die Eichkurve wird vom Oximeter verwendet, um die arterielle Sauerstoffsättigung (SaO₂) aus dem Verhältnis (R) des durch das überwachte Gewebe absorbierten Lichts (A) zu berechnen.
DURCHFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
Zur Identifizierung von und zur Bereitstellung anderer relevanter Information über Moleküle oder Substanzen, oder ihre Umgebung können viele Arten einer elektromagnetischen Strahlung verwendet werden. Die Erfindung verwendet hier induzierte Temperaturänderungen, um diese Messungen zu unterstützen und zu verbessern, und ermöglicht bisher nicht mögliche Bestimmungen. Die Beschreibung, die nun folgt, bezieht sich auf Untersuchungen von Blut, kann genauso gut aber auch auf andere Substanzen angewendet werden.
Die gesamte Materie wird durch elektromagnetische Strahlung und Erwärmen beeinflusst. Die längeren Radiowellen induzieren hauptsächlich die thermische Bewegung von Molekülen und die Anregung von Molekularrotationen, während Infrarotstrahlen Vibrationsschwingungen großer Moleküle anregen und Fluoreszenzstrahlen sowie Wärme freisetzen. Diese Wirkungen sind in Standardlehrbüchern und Arbeiten der physikalischen Chemie dokumentiert. Viele biologische Moleküle und eine große Zahl anderer Substanzen zeigen jedoch, wenn sie einer Temperaturänderung unterworfen werden, Effekte oder ein Verhalten, das nicht direkt der thermischen Energie zuzuschreiben ist. Diese indirekten Wirkungen können verwendet werden zur Unterstützung der Identifizierung von oder zur Bereitstellung anderer relevanter Information über die Moleküle oder Substanz oder ihre Umgebung. Die hier detailliert beschriebene Erfindung ermöglicht Messungen und Bestimmungen dieser Wirkungen. Die Beschreibung, die nun folgt, wird in Bezug auf Untersuchungen des Hämoglobinmoleküls gegeben, aber eine Erweiterung auf andere Substanzen ist natürlich möglich.
Ein Teil der Erfindung besteht aus spektroskopischen und oximetrischen Methoden, die üblicherweise in der medizinischen Praxis verwendet werden. Ein anderer Teil der Erfindung besteht aus einer Vorrichtung, die verwendet wird, um Temperaturänderungen in Blut oder anderen Medien zu induzieren. Hierin umfasst sind Algorithmen für die Berechnung von nicht direkt gemessenen Variablen. Der nachstehend skizzierte Algorithmus dient als Beispiel, aber es sind Modifikationen möglich, um die angegebenen Resultate zu erzielen, und sie werden als innerhalb des Rahmens dieser Erfindung enthalten verstanden. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Erfindung aus einer Bestrahlungsvorrichtung 10 zum Erleichtern der nicht-invasiven Bestimmung einer Eigenschaft von Blutparametern eines Patienten. Die in den 5a bis c und 6 dargestellte Vorrichtung 10 wird verwendet, um Temperaturänderungen im Blut zu induzieren. Die Vorrichtung 10 weist auf eine Strahlenquelle 12 mit mindestens einer durch das Gewebe des Patienten (T) zum Patientenblut applizierten Wellenlänge; einen Strahlendetektor 14, der den Empfang von der mindestens einen Wellenlänge nach Absorbierung durch das Blut bestimmt; einen Temperaturinduktionsgenerator 16 zum Induzieren von Temperaturänderungen im Blut; und eine Überwachungs-(Kontroll-)Einrichtung 18 zum Berechnen der verschiedenen Blutparameter auf der Basis des Absorptionsmaßes dieser mindestens einen Wellenlänge der Strahlung bei verschiedenen Temperaturni veaus des Blutes. Die Strahlenquelle 12, der Detektor 14, der Temperaturinduktionsgenerator 16 sind alle in einem Sensor 20 enthalten, der um das zu messende Gewebe/Blut platziert werden kann.
Der Sensor 20 kann auch eine Temperaturregistrier- oder -messvorrichtung 22 aufweisen, damit die Temperatur des Gewebes und des Blutes genau bestimmt werden kann. Die Überwachungseinrichtung 18 umfasst eine Rechenvorrichtung oder einen Standard-Personalcomputer (PC) mit einem Monitor 24. In der Überwachungseinrichtung sind Algorithmen zur Berechnung von nicht direkt gemessenen Variablen enthalten. Der nachstehend skizzierte Algorithmus dient als Beispiel, es sind aber Modifikationen möglich, um die angegebenen Resultate zu erzielen, und sie werden als innerhalb des Rahmens dieser Anmeldung enthalten verstanden. Verschiedene zusätzliche Komponenten der Vorrichtung 10 werden unter Bezugnahme auf die Beispiele 1 bis 18 näher erläutert.
Die normale Temperatur des menschlichen Körpers wird mit 37°C angegeben, der normale pH-Wert mit 7,40 und der normale Basenüberschuss mit 0. Diese Werte sind für die praktische Durchführung der Erfindung nicht erforderlich, dienen aber als Bezugspunkte für Werte in der gegenwärtigen medizinischen Literatur.
Der Hämoglobinspiegel und die Oxigenierung des Blutes im Arterienkreislauf ist, egal, wo gemessen, der gleiche, weil Blut im linken Herzen vor dem Ausstoß sorgfältig gemischt wird. Die Sensoren können somit an Fingern, Zehen, Lippen usw. oder an irgendeiner Kombination davon sein.
Die Beschreibung soll auch in vitro-Blutbehälter, wie z.B. in 9 dargestellte Schläuche 30, umfassen.
Die Bezugsziffern in 9 sind die gleichen wie in 6.
Die elektromagnetische Strahlung dieser Beschreibung bezieht sich auf Licht im sichtbaren und Infrarotbereich, obwohl es, wie in den anliegenden Ansprüchen angegeben, möglich ist, auch andere Formen zu verwenden.
Obgleich die vorliegende Erfindung die Anwendung einer Durchstrahlung beschreibt, ist es einzusehen, dass auch eine Reflexionsspektrophotometrie alternativ verwendet werden kann.
Die Absorptionsspektren für eine Vielzahl von Substanzen ist bekannt, z.B. das von Glucose. Ein Problem mit der Infrarotbestimmung von Glucose ist es, dass viele andere Substanzen im Blut ähnliche Absorptionsmaße in Bereichen des Infrarotspektrums aufweisen. Dies macht es schwierig, Glucose von diesen anderen Substanzen zu unterscheiden. Alle Infrarotspektren verändern sich jedoch als Reaktion auf eine Temperaturänderung. Die Spektren verschiedener Substanzen verändern sich auf verschiedene Weise, weil ihre Molekularkonfigurationen verschieden sind. Ein Vergleich von Spektren bei verschiedenen Temperaturen ermöglicht deshalb eine getrennte Identifizierung.
BETRIEB DER VORRICHTUNG
Durch einen Körperteil hindurch gehende Strahlung wird im Gewebe abgeschwächt (absorbiert). Die theoretische Basis für spektrophotometrische Verfahren ist das Beer'sche Gesetz (das Beer-Lambert-Bouguer-Gesetz), das die einfallende Intensität in Beziehung zur durchgelassenen Intensität und den Extinktionskoeffizienten der Gewebeanteile, durch die die Strahlung hindurch getreten ist, setzt. Die Gleichung kann angegeben werden als: In(I0/I) = ECL worin I₀ die einfallende Intensität der Strahlenquelle ist, I die durchgelassene Intensität der Quelle durch die Probe, E der Extinktionskoeffizient der interessierenden Komponente ist, C die Konzentration der Komponente im Gewebe selbst ist und L die optische Weglänge (Distanz) durch den Absorber ist. Das Beer'sche Gesetz und die spektrophotometrische und oximetrische Praxis wurden in der Literatur erschöpfend behandelt. Die Pulsoximetrie filtert von pulsierenden (AC) verschiedene Signale aus. Im Körper kann angenommen werden, dass die pulsierende Komponente des Signals das arterielle Blut ist, während alle anderen Gewebeabsorber nicht pulsierend (DC) sein sollten.
Mittels lichtemittierender Dioden (LEDs), wie sie in Oximetern zur Zeit verwendet werden, wird ein Lichtsignal bekannter Intensität und Wellenlänge erzeugt, oder, wie in einer bevorzugten Ausführungsform, einer Breitband-Lichtguelle, wodurch Wellenlängen durch ein rotierendes Filter oder ein Diffusionsgitter isoliert werden. Im letzteren Fall wird das emittierte Licht durch ein Filter filtriert, das eine bekannte Wellenlänge und Lichtintensität hindurchlässt. Es ist auch die Verwendung abstimmbarer Laser oder anderer Vorrichtungen möglich.
Wenn die Lichtquelle nahe am Punkt der Verwendung ist, wird keine weitere Transmissionsart benötigt. Wenn sie es nicht ist, wird das Licht zum gewünschten Punkt, z.B. mittels eines optischen Faserkabels, transportiert unter Beibehaltung der Wellenlänge und der Intensität.
Verschiedene Mittel zur Temperaturinduktion sind möglich. Möglichkeiten sind Konvektion, Leitung von Gas oder Flüssigkeit oder Strahlungsenergie, wie z.B. Mikrowellen. So wie beim Lichtsignal, ist, wenn die Erwärmungs-/Abkühlungs-Quelle an oder benachbart zur benötigten Fläche ist, keine weitere Übertragung erforderlich. Wenn dies nicht der Fall ist, werden die Mittel zum gewünschten Punkt durch geeqignete Schläuche oder Verkabelung transportiert.
Es sind auch verschiedene Mittel zur Temperaturmessung möglich. Eine Vielzahl elektronischer Thermistoren ist üblicherweise erhältlich. Andere Mittel, wie z.B. Infrarot-Bestimmung können ebenfalls verwendet werden.
Ein Breitband-Photodetektor (im Falle von sichtbarem oder Infrarotlicht) oder andere Mittel werden zur Messung der Quantität des durchgelassenen Lichts verwendet. Die Wellenlänge-Intensität und die Zeit des emittierten Signals ist bekannt, was es ermöglicht, die Extinktionskoeffizienten für die Teile, durch die das Licht hindurch läuft, zu berechnen.
Um einen einzigen Datenpunkt zu erzeugen, werden die Temperaturinduktionsmittel verwendet, um den Finger (oder Schlauch oder einen anderen interessierenden Raum) auf eine bekannte Temperatur zu bringen; eine Temperaturmesseinrichtung wird verwendet, um die Temperatur zu messen und, wenn erforderlich, die Temperaturinduktionsvorrichtung einzustellen. Licht bekannter Wellenlänge und Intensität wird auf die interessierende Oberfläche emittiert (und, wenn erforderlich, durchgelassen). Die Bestimmung des Lichtsignals an einem bestimmten Punkt (normalerweise die gegenüberliegende Oberfläche) wird durchgeführt, und das relative Absorptionsmaß und die Extinktion des Signals wird berechnet. Diese Messung kann ein oder mehrmals wiederholt werden, um eine Genauigkeit der Messung sicherzustellen; dies kann innerhalb eines sehr kurzen Zeitrahmens (weniger als 1 Millisekunde) der Fall sein.
Um mehrere Datenpunkte auszubilden, wird das in der vorausgehenden Stufe skizzierte Verfahren bei der nächsten ausgewählten Wellenlänge wiederholt, aber noch bei der gleichen Temperatur. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird, wie in 10 dargestellt, das Filter 42 rotiert, so dass das nächste Wellenlängenfilter benachbart zum optischen Faserübertragungskabel ist. Der Bereich und die Zahl der Wellenlängen kann ausgewählt werden und für verschiedene Anwendungen geändert werden.
Sobald die gewünschte Zahl von Wellenlängen untersucht wurde, bringt der Temperaturinduktionsgenerator das Volumen auf eine vorbestimmte zweite Temperatur und die Datensammlung der Stufen wird wiederholt. Bei der Beendigung der Messungen und Bestimmungen für diese zweite Temperatur bringt der Temperaturinduktionsgenerator den Raum auf eine dritte vorbestimmte Temperatur, und die Messungen und Bestimmung werden wiederholt. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis der gewünschte Bereich von Temperaturen untersucht wurde.
Die Vorrichtung kann intermittierend oder kontinuierlich betrieben werden. Beim intermittierenden Betrieb kann ein einziger Berechnungssatz zur Analyse verwendet werden, um die beanspruchten Bestimmungen zu erzeugen. Die Vorrichtung kann aber auch gleich kontinuierlich betrieben werden, wobei das vorstehend angegebene Verfahren so oft wie erwünscht (wenn gewünscht, konstant) wiederholt wird. Zusätzlich kann ein rascher ("stat") Modus mit einer minimalen Zahl von Messungen durchgeführt werden, die eine genaue Bestimmung korrekter Wert bereitstellen. Ein solcher rascher Modus würde in Notfällen brauchbar sein.
Obwohl diese Methodologie genaue Werte ergeben sollte, kann eine weitere Einstellung erwünscht sein, um irgendwelche Diskrepanzen zwischen theoretischen und in vivo-Messungen zu kompensieren. Derzeitige Oximeter verwenden tatsächlich eine Eichkurve, wenn sie die Sauerstoffsättigung bestimmen, wobei die Kurve aus Daten von normalen Freiwilligen ausgebildet ist. Eine Standard-Eichkurve für ein typisches Oximeter wird in 11 dargestellt. Wenn erforderlich, kann eine solche Eich- oder Kompensationskurve zur Verwendung mit diesen Verfahren zur Durchführung nicht-invasiver Messungen ausgebildet werden.
BERECHNUNGEN UND ANALYSE
Die "Henderson-Hasselbach"-Gleichung, die von A. Maas et al., "On the reliability of the Henderson-Hasselbach equation in routine clinical acid-base chemistry", Annals of Clinical Biochemistrv, Bd. 21, S. 26-39 (1984), besprochen wird, ist in der physiologischen Chemie allgemein bekannt und beschreibt die Auflösung einer Säure als pH, pK (Auflösungs- oder Dissoziationskonstante), und die Konzentrationen der Säure und ihres Salzes oder der Base. Die Löslichkeit α von Kohlendioxid (CO₂) ist temperaturabhängig und der pK für CO₂ hängt sowohl von der Temperatur als auch vom pH-Wert ab. Für CO₂ lautet die Henderson-Hasselbach-Gleichung:
oder es kann auch eine alternative Form verwendet werden: da [TCO₂] sehr nahe zur Summe von [HCO₃ ^–] und α PCO₂ liegt, folgt
Das Ausmaß der Verschiebung der HODC wird unter Verwendung von Berechnungen, die ähnlich zu denen von Nunn (obige Bezugnahme) und Kelman (G.R. Kelman, "Nomograms for Correction of Blood PO₂, PCO₂, pH, and Base Excess for Time and Temperature", Journal of Applied Physiology, Bd. 21, Nr. 5, S. 1484-1490, (1966)) sind, und durch Siggaard-Andersen (Bezugnahme vorstehend) und andere modifizierte kann berechnet werden durch:
Temperaturfaktor = antilog{0,024(37-Temperatur)}
Ph-Faktor = antilog{0,48(pH-7,40)}
Basenüberschuss-Faktor = antilog{-0,0013 × Basenüberschuss}
Die Berechnung des Blutsauerstoffgehalts wird durch Berechnungen durchgeführt, die ähnlich zu der von Nunn sind:
Gehalt (ml O₂/dl) = THb(g/dl) × SO₂ × 1,38 (ml O₂/g HbO₂) + 0,003 × PO₂
Die Überführung von PO₂ in SO₂ wird unter Verwendung von Modifikationen der Adair's Gleichung oder Kelman's Berechnung durchgeführt: SO2 = (25 × (0.0257 × PO2 + 2 × 0.00078 × (PO2)2 + 3 × 0.00000444 × (PO2)3 + 4 × 0.00000255 × (PO2)4)/(1 + 0.0257 × PO2 + 0.00078 × (PO2)2 + 0.00000444 × (PO2)3 + 0.00000255 × (PO2)4))
Die Berechnung des Basenüberschusses kann durch die folgende Formel oder andere bekannte Mittel durchgeführt werden:
Basenüberschuss = (1 – 0,0143 × Hb) × ([HCO₃] – 24)
Es ist darauf hinzuweisen, dass alle angegebenen Formeln einer Änderung und/oder Modifizierung unterliegen können, und sie ungefähre Werte darstellen. Veränderungen dieses Algorithmus sind für den Fachmann auf diesem Gebiet naheliegend und werden als innerhalb des Rahmens und Wesens dieser Erfindung liegend angesehen.
Der folgende Algorithmus beschreibt die Anwendung der vorliegenden Erfindung. Einige Variablen weisen Co-Abhängigkeitsgrade auf. In diesen Fällen werden Werte durch iterative Berechnungsmethoden berechnet.
Die Messung von SO₂ wird durch einen ersten Sensor 12 und Vorrichtung 10 durchgeführt, vergleichbar mit der in den 5 und 6 dargestellten, unter Verwendung von Methoden, die denen der im Stand der Technik beschriebenen Standard-Oximetrie ähnlich sind. Der Sensor befindet sich bei einer eingestellten bekannten Temperatur. Die Berechnung von PO₂ wird unter Verwendung von Berechnungen durchgeführt, die ähnlich zu denen in den vorstehend angegebenen Quellenangaben beschriebenen sind. Aus Zweckmäßigkeitsgründen kann dieser Sensor auf 37°C gebracht werden, in welchem Fall der "wahre PO," ohne Korrektur für die Temperatur ("Normalisierung" auf 37°C) berechnet werden kann. Wenn die Temperatur tatsächlich auf einem verschiedenen Wert ist, kann die Korrektur nach Methoden durchgeführt werden, die ähnlich sind zu denen in den Quellenangaben beschriebenen und vorstehend beschriebenen.
Die Messung von SO₂ wird mit einem zweiten Sensor bei einer verschiedenen Temperatur durchgeführt. Alternativ kann die Temperatur eines einzigen Sensors geändert werden, und eine Bestimmung von SO₂ bei einer neuen Temperatur durchgeführt werden. Ein höherer oder niedrigerer Wert der Temperatur kann verwendet werden, obwohl zur Leichtigkeit der Messung einer bevorzugt sein könnte.
Die Berechnung von PO₂ wird wie vorstehend durchgeführt. Die Differenz in PO₂ aufgrund der Temperaturdifferenz (Verschiebung in HODC) zwischen zwei Messungen wird fakturiert.
Nach Fakturierung der Temperaturveränderung ist eine verbleibende Differenz von einer Verschiebung in der HODC aufgrund des Säure-Basen-Gleichgewichts begründet. Dies ist in erster Linie abhängig vom pH-Wert, und nur eine sehr kleine Komponente ist vom Basenüberschuss abhängig. Dieser Basenüberschuss kann durch andere Mittel berechnet werden und dann in die berechnete Verschiebung in der HODC zurückgerechnet werden.
Der "pH-Faktor" wird aus dem Verhältnis von zwei Bestimmungen von PO₂ berechnet.
Die Korrektur des pH-Faktors wird für die bekannte Veränderung im pH-Wert aufgrund der Temperaturänderung durchgeführt. Biochemisch weist die Temperatur eine Wirkung auf das Wasserstoffion auf, verschieden von der Verschiebung in der HODC.
Die Veränderung des pH-Werts von normal (7,40) wird berechnet. Wenn keine Veränderung vorhanden ist, bedeutet dies einen pH-Wert von 7,40.
Nachdem der pH-Wert bekannt ist, wird die Berechnung der Kohlendioxidparameter unter Verwendung der wie vorstehend beschriebenen Henderson-Hasselbach-Gleichung durchgeführt. Die Wirkung der Temperatur auf PCO₂ ist bekannt, wie die Konsequenz der Temperatur, und des pH-Wertes auf pK. PCO₂, [HCO₃ ^–] und [TCO₂] können somit durch Monogramme berechnet oder bestimmt werden, die ähnlich zu denen von Siggaard-Andersen (Bezugnahme vorstehend) und anderen angegebenen sind.
Nachdem der pH-Wert und [HCO₃ ^–] bekannt sind, kann die Berechnung des Hb-Gehaltes durch Konstruktion der Pufferlinie von Blut, wie in 4 dargestellt, durchgeführt werden (siehe auch Davenport, Bezugnahme vorstehend). Wie angegeben, kann auch der Basenüberschuss aus einer relativen Verschiebung in der HODC berechnet werden, und diese zusätzliche Berechnung kann als Bestätigung des Hb-Gehaltes dienen.
Der Sauerstoffgehalt wird nach der vorstehenden Berechnung berechnet.
Wie vorstehend angegeben, sind Modifikationen dieses Algorithmus für einen Fachmann auf diesem Gebiet naheliegend, und sie werden als innerhalb des Rahmens und des Wesens dieser Anmeldung liegend angesehen. Es wurde z.B. der Fall eines Basenüberschusses zitiert. Zusätzlich wurden in dieser Beschreibung die Wirkungen von 2,3-DPG vernachlässigt, weil sie in der derzeitigen klinischen Praxis normalerweise nicht berücksichtigt werden. Selbstverständlich kann es gewünscht sein, diese unter bestimmten Umständen in Betracht zu ziehen.
Die Wirkungen, die Sauerstoff und Kohlendioxid beim Transport im Blut auf einander haben, werden durch die Bohr- und Haldane-Effekte (zusammen mit dem Hämoglobingehalt) beschrieben. Diese Effekte können verwendet werden, um Ergebnisse zu kalibrieren und zu bestätigen.
Nachstehend werden Beispiele angegeben, die Verfahren zur praktischen Durchführung der Erfindung veranschaulichen. Diese sind als nicht begrenzend anzusehen, und verschiedene Modifikationen sind für einen Fachmann auf diesem Gebiet naheliegend, und liegen innerhalb des Rahmens dieser Anmeldung und des Rahmens der anliegenden Ansprüche.
BEISPIEL 1
Es wird ein einziger Sensor 20, ähnlich zu dem in den 5a und 6 dargestellten, verwendet. Die Messung von SO₂ wird unter Verwendung eines Lichtsignals 12 und eines Photodetektors 14 durchgeführt. Das Erwärmungs-/Kühlelement 16 in dein Sensor 20 wird dann verwendet, um die Temperatur des Fingers (F) auf ungefähr 40°C anzuheben. Dann wird eine zweite Messung von SO₂ durchgeführt. Der vorstehend angegebene Algorithmus wird von einer Rechenvorrichtung 18 verwendet, um alle relevanten Variablen zu berechnen, die auf einem Monitor 24 zur Auswertung für den Anwender angezeigt werden können.
Eine Vorrichtung 10, wie diese, kann anstelle einer Laboratoriumsanalyse für stabile Patienten oder als Teil einer physikalischen Routinediagnose verwendet werden, wobei erwartet wird, dass die Parameter sich während des Verlaufs einiger Minuten wenig ändern.
BEISPIEL 2
Zwei den in 5b veranschaulichten Sensoren ähnliche Sensoren 26 und 28 werden verwendet. Das Erwärmungs-/Abkühlelement 16 in einer der Sensoren wird dazu verwendet, um die Temperatur des Fingers auf ca. 40°C zu erhöhen. Durch die zwei Sensoren werden gleichzeitig zwei Messungen von SO₂ durchgeführt, und zwar bei einem Sensor bei Raumtemperatur und beim anderen Sensor bei erhöhter Temperatur. Der vorstehend angegebene Algorithmus wird verwendet, um alle relevanten Variablen zu berechnen.
Alternativ wird die in den 7 und 8 dargestellte Ausführungsform verwendet. Eine Vorrichtung 40, wie sie während einer Anästhesie für eine kurze oder Operation mit geringem Risiko verwendet wird, kann verwendet werden, wobei erwartet wird, dass die Parameter sich im Verlauf einiger Minuten etwas ändern. Die Vorrichtung 40 ist mit einem Hand- und Finger-Gehäuse 42 versehen, das mehrere Finger eines menschlichen Patienten innerhalb des Gehäuses aufnimmt. Ein einziger oder mehrere Sensoren, die ähnlich zu denen in 6 dargestellten sind, kann im Gehäuse mit entsprechenden Erwärmungs- /Abkühlelementen vorgesehen sein.
BEISPIEL 3
Drei Sensoren 32, 34 und 36, ähnlich zu den in 5c veranschaulichten Sensoren, werden verwendet. Ein erster Sensor 32 wird ohne Erwärmen oder Abkühlen des entsprechenden Fingers verwendet. Die Erwärmungs-/Abkühlvorrichtung 16 in einem zweiten Sensor 34 wird verwendet, um die Temperatur des Fingers auf ca. 40°C zu erhöhen. Die Erwärmungs-/Abkühlvorrichtung 16 in einem dritten Sensor 36 wird verwendet, um die Temperatur eines entsprechenden dritten Fingers auf ca. 33°C abzukühlen. Mit den drei Sensoren 32, 34 und 36 werden gleichzeitige Messungen von SO₂ durchgeführt. Der vorstehend angegebene Algorithmus wird von einem Rechner verwendet, um alle relevanten Variablen zu berechnen.
Alternativ kann die in den 7 und 8 dargestellte Ausführungsform, die mehrere Fingersensoren aufweist, verwendet werden.
Eine Vorrichtung wie diese könnte in Notaufnahmeräumen, Intensivstationen, während der Anästhesie von Patienten mit hohem Risiko verwendet werden, wo die Annahme besteht, dass die bestimmten Parameter sich sehr rasch ändern könnten, und auch, wo beträchtlich niedrigere Wert von SO₂ und PO₂ auftreten könnten.
BEISPIEL 4
Zwei Sensoren, die ähnlich denen in 9 dargestellten sind, werden verwendet. Die Erwärmungs-/Abkühlvorrichtung 16 in einem der Sensoren wird verwendet, um die Temperatur seines Schlauches 30 und des Inhalts auf ca. 40°C zu erhöhen. Ähnliche Messungen von SO₂ werden durch die zwei Sensoren durchgeführt. Der vorstehend angegebene Algorithmus wird verwendet, um alle relevanten Variablen zu berechnen.
Eine Vorrichtung wie diese könnte während einer Hämodialyse verwendet werden, bei der das Blut in Schläuchen außerhalb des Körpers zirkuliert wird, und Parameter erwartet werden könnten, die sich im Verlauf einiger Minuten ändern.
BEISPIEL 5
Drei Sensoren 20, die ähnlich zu der in 9 dargestellten sind, werden verwendet. Die Erwärmungs-/Abkühlvorrichtung 16 in den Sensoren wird verwendet, um die Temperatur von drei getrennten Stücken des Schlauches 30 und seines Inhalts auf 33, 37 bzw. 40°C zu bringen. Mit diesen drei Sensoren werden gleichzeitige Messungen von SO₂ durchgeführt. Der vorstehend angegebene Algorithmus wird verwendet, um alle relevanten Variablen zu berechnen.
Eine Vorrichtung wie diese könnte während eines kardiopulmonären Bypasses verwendet werden, wo das Blut in Schläuchen außerhalb des Körpers zirkuliert wird, und angenommen werden könnte, dass sich die Parameter rasch ändern.
BEISPIEL 6
Ein einziger Sensor 20, der ähnlich zu dem in den 5a und 6 dargestellten ist, wird verwendet. Die Erwärmungs-/Abkühlvorrichtung 16 in dem Sensor wird verwendet, um die Temperatur des Fingers von 33 auf 40°C in Inkrementen von 1°C zu variieren. Die Messungen von SO₂ werden bei den verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Der vorstehend angegebene Algorithmus wird verwendet, um alle relevanten Variablen zu berechnen.
Auf diese Weise wird eine Reihe von Daten für eine verbesserte Genauigkeit bei der Durchführung der Berechnungen gesammelt.
Vergleichsweise wird ein Beispiel mit einem einzelnen Sensor 20 für den Schlauch 30, ähnlich wie in 9, in Betracht gezogen.
BEISPIEL 7
Zwei oder mehr Sensoren 20, die ähnlich zu den in den 5a und 6 dargestellten sind, werden verwendet. Die Erwärmungs-/Abkühlvorrichtung 16 in dem Sensor wird verwendet, um die Temperatur des Fingers von 33 auf 40°C in Inkrementen von 1°C zu variieren. Die Messungen von SO₂ werden bei den verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Der vorstehend angegebene Algorithmus wird verwendet, um alle relevanten Variablen zu berechnen.
Auf diese Weise wird eine Reihe von Daten für eine verbesserte Genauigkeit bei der Durchführung der Berechnungen gesammelt.
Vergleichsweise wird ein Beispiel mit zwei oder mehreren Sensoren 20 für den Schlauch 30, ähnlich wie in 9, in Betracht gezogen.
BEISPIEL 8
Ein einzelner Sensor, der zu den in den 5a, 5b, 5c und 6 veranschaulichten ähnlich ist, wird verwendet. Das Absorptionsmaß der ausgesandten Strahlung über mehrere Wellenlängen wird gemessen.
Eine Vorrichtung wie diese könnte verwendet werden, um Glucose, Kalium, Harnstoff, Kreatinin oder andere Blutbestandteile zu messen. Sie könnte auch Substanzen bestimmen, die normalerweise im Blut nicht vorhanden sind (oder in sehr kleinen Mengen vorhanden sind), wie z.B. fetales Hämoglobin, Myoglobin usw.
Vergleichsweise werden Beispiele mit zwei oder mehreren Sensoren für Gewebe oder Schläuche in Betracht gezogen.
Aus dem genannten Stand der Technik ist es klar, dass die hier beschriebene Erfindung die Gegenwart anderer Substanzen in Blut auf eine gleiche Weise messen kann, und in vielen Fällen besser als nach derzeitigen Techniken.
BEISPIEL 9
Ein einziger Sensor 20, der ähnlich zu dem in 9 dargestellten ist, wird verwendet. Anstelle von Blut, werden Messungen von verschiedenen Körperflüssigkeiten, wie z.B. Urin, unter Verwendung des Schlauches von einem Blasenkatheter durchgeführt.
Eine Vorrichtung wie diese könnte verwendet werden, um Glucose, Harnstoff, Kreatinin oder die Ausscheidung anderer Substanzen im Urin zu bestimmen.
Vergleichsweise können Beispiele mit zwei oder mehreren Sensoren 20 für Gewebe (T) oder Schlauch 30 wie vorstehend angegeben verwendet werden.
BEISPIEL 10
Ein einziger Sensor 20, der ähnlich zu dem in den 5a und 6 dargestellten ist, wird verwendet. Eine Vielzahl von Wellenlängen wird gescannt. Die Bestimmung von eingenommenen Drogen, Medikamenten oder anderen Substanzen, oder ihrer Metaboliten, wird durchgeführt. Auf ähnliche Weise können Substanzen, die im Körper nach einer anderen Aussetzungsart, wie z.B. Inhalation, auftreten, bestimmt werden.
Vergleichsweise können Beispiele mit zwei oder mehreren Sensoren 20 für Gewebe (T) oder Schlauch 30 verwendet werden.
Eine Vorrichtung dieser Art kann am Arbeitsplatz, in Notaufnahmeräumen eines Spitals oder Laboratorien verwendet werden. Die Diagnose einer Kohlenmonoxid-Vergiftung (Carboxyhämoglobin-Gehalt) kann rasch und nicht-invasiv durchgeführt werden. Noch bedeutsamer ist es, dass die Folgen dieser Vergiftung in Form einer Verringerung in der Sauerstofftransportkapazität und metabolischer Acidosis rasch bekannt werden, was die Auswahl einer geeigneten Therapie ermöglicht (Oxyhämoglobin, Carboxyhämoglobin, Sauerstoffgehalt und pH können alle erfindungsgemäß bestimmt werden). Die Ergebnisse der Therapie können kontinuierlich überwacht werden, solange dies erforderlich ist.
BEISPIEL 11
Ein einziger Sensor 20, der ähnlich zu dem in den 5a und 6 dargestellten ist, wird verwendet. Eine Vielzahl von Wellenlängen wird gescannt. Das Scannen einer Sichelzellenerkrankung oder eines Merkmals oder anderer Hämoglobinopathien kann rasch und nicht-invasiv für große Populationen durchgeführt werden. Die Ergebnisse können durch traditionelle Laboratoriumsanalyse bestätigt werden.
Vergleichsweise können auch Beispiele mit zwei oder mehreren Sensoren 20 für Gewebe (T) oder Schlauch 30 verwendet werden.
Innerhalb des Rahmens dieser Erfindung ist die Diagnose anderer Erkrankungen oder Zustände, die durch Marker im Blut oder anderen Substanzen, die im Blut oder anderen Körperflüssigkeiten unterschieden werden können. Beispiele umfassen die Blutgruppenbestimmung, das Screenen potentieller Spender für eine Knochenmarktransplantation, bestimmten Krebsarten usw.
BEISPIEL 12
In seriellen Paaren oder einer ähnlichen Konfiguration können Emitter und Detektoren in Sensoren, die ähnlich zu denen der 5 und 6 sind, angeordnet werden. Dies würde Berechnungen auf dem Gebiet der Zeit oder Häufigkeit, wie z.B. Wellen- oder Pulsgeschwindigkeit, ermöglichen. Emitter und Detektoren können auch in paralleler oder konzentrischer Anordnung in Sensoren ähnlich zu denen in den 5 und 6 gruppiert werden. Dies würde eine multidimensionale Analyse ermöglichen, vergleichbar mit einer Computertomographie.
BEISPIEL 13
Es wird auch die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei der Überwachung von Wasser oder anderen Flüssigkeiten in Betracht gezogen. Es könnte leicht ein Mechanismus konstruiert werden, wodurch eine Modifikation der Erfindung "in-line" für das Wassersystem eines Gebäudes oder einer Stadt platziert werden könnte. Auf diese Weise kann die Qualität und Reinheit des Wassers konstant überwacht und geschützt werden. Die Lichtabsorptions-Charakteristika einer enormen Zahl von Substanzen ist bekannt und können deshalb durch die Methode der vorliegenden Erfindung gescreent werden. Toxine, Verunreinigungen oder unerwünschte Substanzen können bestimmt und rasch und leicht erkannt werden und geeignete Maßnahmen eingeleitet werden.
Die Probenahme würde auf keine Weise das Wasser oder die Flüssigkeit beeinflussen, und die Flüssigkeit würde nie die bestehenden Behälter verlassen, wodurch Proben nicht gesammelt oder auf für die Umwelt sicheren Methoden entsorgt werden müssen.
BEISPIEL 14
Die Verwendung der Überwachung von Luft oder anderen Gasen wird ebenfalls in Betracht gezogen. Ein Mechanismus, mit dem Luftproben aus einem Gebäude oder einer Industrieanlage kontinuierlich überwacht werden. Wie im vorhergehenden Beispiel angegeben, sind die Lichtabsorptions-Charakteristika einer großen Zahl von Substanzen gut dokumentiert, und diese Elemente können unter Verwendung dieser Technik bestimmt werden. Die Luftqualität kann auf konstanter Basis überwacht werden. Es kann eine atmosphärische Probenahme durchgeführt werden.
BEISPIEL 15
Die in vitro-Verwendung dieser Erfindung wird ebenfalls in Betracht gezogen. Proben von Blut und anderen Körperflüssigkeiten können genommen werden, gelagert werden und unter Verwendung der Vorrichtung zu einem späteren Zeitpunkt analysiert werden. Obwohl sich einige Eigenschaften von Blut oder biologischen Fluiden während der Zeit ändern, sind diese Veränderungen ebenfalls gut bekannt, und daraus können die ursprünglichen Charakteristika oft abgeleitet werden.
Aus den gleichen Überlegungen heraus kann die Erfindung verwendet werden, um Änderungen oder Veränderungen im Blut oder anderen Substanzen während der Zeit oder nach einem im Blut oder einer anderen Substanz vorgenommenen Eingriff zu untersuchen. Dies deshalb, weil die Erfindung nicht invasiv und nicht destruktiv ist.
BEISPIEL 16
Es ist auch die Verwendung in entfernten Registrierapplikationen möglich. Infrarottechnik wird für eine entfernte Temperaturregistrierung verwendet. Wenn dies mit der vorliegenden Erfindung kombiniert wird, kann es möglich sein, ebenfalls viele chemische Prozesse entfernt zu bestimmen. Dies hilft bei der Untersuchung atmosphärischer oder einer anderen Verunreinigung und einer Myriade zusätzlicher Prozesse.
BEISPIEL 17
Die Verwendung in Umweltuntersuchungen, wie z.B. die Untersuchung der globalen Erwärmung, ist vorgesehen. Substanzen werden als Marker gesucht, die Temperaturveränderungen während eines Zeit raums anzeigen. Diese Erfindung wird durch die Identifizierung von Veränderungen aufgrund der Temperatur hilfreich sein.
BEISPIEL 18
Es wird ein breiter Bereich zusätzlicher Anwendungen in Betracht gezogen. Ultraviolett- und Röntgenstrahlung werden in der technischen Analyse von Kunstwerken verwendet, um bei der Feststellung der Authentizität und des Alters zu helfen. Modifikationen dieser Erfindung werden bei einem nicht-destruktiven Testen durch Bestimmung von Substanzen innerhalb solcher Werke helfen.
BEISPIEL 19
Es ist bekannt, dass das Infrarot-Absorptionsspektrum von Wasser sich mit der Temperatur verändert. Die Absorptionsspektren von im Wasser enthaltenen Substanzen (Schadstoffe, Verunreinigungen oder andere Substanzen) verändern sich ebenfalls mit der Temperatur. Die Spektren dieser Substanzen verändern sich auf verschiedene Weise, wie das Spektrum von Wasser. Die Verwendung einer Temperaturschwankung oder anderer Schwankung kann deshalb bei der Analyse solcher Substanzen eine große Hilfe sein, ohne die primären Bestimmungsmittel verändern zu müssen. Viele Arten von Analysewerkzeugen und Techniken, die zur Zeit verwendet werden, könnten ohne große Investition oder Wiederausrüsten stark verbessert werden. Zukunftsanalysetechniken könnten unter Verwendung dieser Methodologie entwickelt werden, um Messungen zu unterstützen.
Andere Variable oder Parameter, die vorstehend nicht erwähnten wurden, können ebenfalls bestimmt oder bewertet werden. Der Hämatokrit wird z.B. üblicherweise mit dem Dreifachen des Hämoglobingehalts angenommen. Weil die primären Determinanten für die Blutviskosität Temperatur und Hämatokrit sind, kann dies bewertet werden, was zusätzliche Berechnungen von Druck, Gefäßelastizität usw. ermöglicht.
Die Verwendung einer Emisson mehrerer Wellenlängen oder eines breiten Spektrums und die Bestimmung (möglicherweise mit geeigneten Filtern kombiniert) ermöglicht die Identifizierung einer Vielzahl von Blutbestandteilen, die entweder natürlich auftreten oder als Produkt von Metabolismus oder Pharmakokinetik. Die Identifizierung bestimmter Substanzen und ihrer Konzentrationen ermöglicht ihre Verwendung als Bezugssubstanzen für die Bestimmung anderer.
Hämoglobine werden in allen Wirbeltierarten gefunden, in den meisten wirbellosen Unterabteilungen und sogar einigen Pflanzen. Andere respiratorische Pigmente, wie z.B. Chlorcruorine, Hemerythrine und Hemocyanine, werden in anderen Organismen aufgefunden. Die Funktion aller ist abhängig von der Temperatur und dem pH-Wert. Auf ähnliche Weise enthalten Pflanzen das Molekül Chlorophyl in verschiedenen Formen. Diese Substanz ist eng mit den Hämoglobinen der Tiersysteme verwandt und ist ebenfalls extrem empfindlich gegenüber Temperaturveränderungen. Eine Vielzahl anderer Moleküle, wie z.B. Phosphorverbindungen, wie Adenosinphosphat (ATP und andere), die in Pflanzen und Tieren vorkommen, sind gegenüber einer Temperaturveränderung empfindlich. Die in dieser Patentanmeldung angegebene Technologie ist für Messungen und Bestimmungen aller dieser Substanzen, und in vielen Fällen, der Umgebungen oder des Milieus, in dem diese vorkommen, relevant.
Die Technik könnte für homogene Stoffe oder Materie, die eine Kombination von Substanzen ist, verwendet werden.
Die hier beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen sollen nur veranschaulichenden Zwecken dienen, und verschiedene Modifikationen und Ausführungsformen sind für einen Fachmann auf diesem Gebiet naheliegend.

Claims

Bestrahlungsvorrichtung (10, 40) zum Erleichtern der nicht-invasiven Bestimmung einer Eigenschaft von Blutparametern eines Patienten, wobei die Vorrichtung umfasst: – eine Strahlenquelle (12) mit mindestens einer auf das Blut des Patienten gerichteten Wellenlänge; – einen Strahlendetektor (14), der die mindestens eine Wellenlänge nach Absorption durch das Blut bestimmt; – einen Temperaturinduktionsgenerator (16) zum Induzieren von mindestens zwei verschiedenen Temperaturniveaus im Blut; und – eine Überwachungseinrichtung (18) zum Berechnen der verschiedenen Eigenschaften der Blutparameter des Patienten auf der Basis des Absorptionsmaßes dieser mindestens einen Wellenlänge der Strahlung bei verschiedenen Temperaturniveaus des Blutes.
Bestrahlungsvorrichtung (10, 40) nach Anspruch 1, worin die Strahlenquelle (12) mindestens eine auf das Patientengewebe, einschließlich Blut, gerichtete Wellenlänge aufweist, und der Strahlendetektor (14) diese mindestens eine Wellenlänge nach Absorption durch das Gewebe bestimmt.
Bestrahlungsvorrichtung (10, 40) nach Anspruch 2, worin der Temperaturinduktionsgenerator (16) die Temperatur des Patientengewebes, einschließlich Blut, erhöht, vorzugsweise auf eine Temperatur von 40°C.
Bestrahlungsvorrichtung (10, 40) nach Anspruch 2, worin der Temperaturinduktionsgenerator (16) die Temperatur des Patientengewebes, einschließlich Blut, erniedrigt, vorzugsweise auf eine Temperatur von 33°C.
Bestrahlungsvorrichtung (10, 40) nach Anspruch 2, worin der Temperaturinduktionsgenerator (16) das Temperaturniveau des Patientengewebes, einschließlich Blut, erhöht und erniedrigt; und die Überwachungseinrichtung (18) zum Berechnen der verschiedenen Eigenschaften der Blutparameter des Patienten auf der Basis des Absorptionsmaßes dieser mindestens einen Wellenlänge der Strahlung die verschiedenen Blutparameter bei jeweils drei Temperaturniveaus berechnet, vorzugsweise bei 33, 37 und 40°C des Gewebes, einschließlich Blut.
Bestrahlungsvorrichtung (10, 40) nach Anspruch 1, worin das Blut des Patienten in einem Schlauch (30) gehalten wird, und die Strahlenquelle (12) an den Schlauch und Inhalt appliziert wird, der Strahlendetektor (14) durch den Schlauch und Inhalt bestimmt, der Temperaturinduktionsgenerator (16) Temperaturänderungen im Schlauch und Inhalt induziert, und die Überwachungseinrichtung (18) die verschiedenen Eigenschaften der Blutparameter des Patienten auf der Basis des Absorptionsmaßes von mindestens einer Wellenlänge der Strahlung bei verschiedenen Temperaturniveaus des Schlauchs und Inhalts bestimmt.
Bestrahlungsvorrichtung (10, 40) nach Anspruch 6, worin der Temperaturinduktionsgenerator (16) das Temperaturniveau des Schlauchs und des Blutinhalts erhöht und erniedrigt; und die Überwachungseinrichtung (18) zum Berechnen der verschiedenen Blutparameter das Absorptionsmaß der Strahlung bei drei verschiedenen Temperaturniveaus des Schlauchs und des Blutinhalts misst.
Bestrahlungsvorrichtung (10, 40) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Strahlenquellen (12) und entsprechenden Strahlendetektoren (14) und Generatoren (16), wobei jede entsprechender) Strahlungsquelle, Detektor und Temperaturinduktionsgenerator bei einem bestimmten Temperaturniveau eingestellt ist, damit die Überwachungseinrichtung gleichzeitig das Absorptionsmaß der Strahlung bei diesen verschiedenen Temperaturniveaus des Bluts messen kann.
Vorrichtung (10, 40) zum Bestimmen und Messen von Bestandteilen im Blut, einschließlich aber nicht beschränkt auf Hämoglobin in irgendeiner seiner Formen, umfassend: – eine Bestrahlungsvorrichtung (12); – eine Detektionsvorrichtung (14), die die Strahlung nach Kontakt mit dem Blut empfängt; – Vorrichtung (16) zum Induzieren einer Temperaturänderung im Blut; – Vorrichtung (22) zum Messen der Temperatur des Bluts; – eine Überwachungseinrichtung (18) zum Berechnen der verschiedenen Bestandteile des Bluts auf der Basis eines Kontakts der Strahlung aus der Strahlenquelle bei verschiedenen Temperaturniveaus des Bluts, wobei die Überwachungseinrichtung eine Eingabevorrichtung aufweist, um verschiedene Veränderungen in der Strahlenquelle, der Detektionsvorrichtung und der Temperaturinduktionsvorrrichtung zu ermöglichen; und – eine Anzeigeeinrichtung (24), um die verschiedenen Blutbestandteile einem Endbenutzer der Vorrichtung anzuzeigen.
Vorrichtung (10, 40), um Eigenschaften von Inhaltsstoffen und die Umgebung, in der die Inhaltsstoffe vorhanden sind, nicht-invasiv zu bestimmen, wobei die Vorrichtung umfasst: – eine Strahlenquelle (12) mit mindestens einer Wellenlänge einer an die Inhaltsstoffe applizierten elektromagnetischen Strahlung; – eine Detektoreinrichtung (14), die den Empfang dieser Wellenlänge nach Kontakt mit den Inhaltsstoffen registriert und misst; – eine Temperaturinduktionsvorrichtung (16) zum Erzeugen von Temperaturveränderungen in den Inhaltsstoffen; und – eine Überwachungseinrichtung (18) zum Beeinflussen der Strahlenquelle, Detektorvorrichtung und Temperaturinduktionsvorrichtung und zum Berechnen von Parametern auf der Basis von durch den Kontakt dieser Strahlung bei verschiedenen Temperaturniveaus mit den Inhaltsstoffen erhaltenen Information.
Vorrichtung (10, 40) nach Anspruch 10, worin der Inhaltsstoff ein lebender Organismus ist und die bestimmten Eigenschaften temperaturinduzierte Veränderungen in biologischen Molekülen sind.
Vorrichtung (10, 40) nach Anspruch 10, worin die Detektorvorrichtung (14) den Empfang der Wellenlänge nach Absorption, Reflexion oder Brechung durch den Inhaltsstoff registriert und misst.
Verfahren zum Erleichtern der nicht-invasiven Bestimmung von Eigenschaften von Inhaltsstoffen und der Umgebung, in der diese Inhaltsstoffe vorhanden sind, wobei das Verfahren die Stufen umfasst: – Emittieren (12) von mindestens einer Wellenlänge von auf die Inhaltsstoffe applizierter elektromagnetischer Strahlung; – Bestimmen (14) der Wellenlänge nach Kontakt mit den Inhaltsstoffen; – Induzieren (16) einer Temperaturveränderung in den Inhaltsstoffen während die an den Inhaltsstoffen applizierte Strahlung emittiert und bestimmt wird; und – Berechnen (18) von Parametern auf der Basis von aus dem Kontakt der Strahlung bei verschiedenen Temperaturniveaus mit den Inhaltsstoffen erhaltener Information.
Verfahren nach Anspruch 13, worin die Bestimmungsstufe (14) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus dem Bestimmen der Strahlung nach Absorption, Reflexion mit den Inhaltsstoffen und in irgendeiner Kombination davon.
Verfahren nach Anspruch 13, worin das Induzieren (16) einer Temperaturänderungsstufe Leitung, Konvektion und Strahlung oder irgendeine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die Stufe (22) des Messens der Temperatur der Inhaltsstoffe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, worin die Emissionsstufe (12) die Emission einer Vielzahl von Wellenlängen zu den Inhaltsstoffen umfasst.