DE19923658A1 - Device for measuring organization grade of water in mammals for diagnosis of disease conditions - Google Patents

Abstract

A device for measuring the organization grade of water in mammals comprises means which emit a light of wavelength 900-1100 nm onto the skin. The reflected light is an indicator for the reflection ability of the skin. The reflection ability of the skin serves as a measurement of the spectral state of the water absorption and the red diversion as a measure of the organization grade of the water.

Description

Einleitung (bekanntes Wissen)Introduction (known knowledge)

a) Bereits in den sechziger Jahren war bekannt, daß sich der Organisationsgrad von Wassermolekülen mit Hilfe der Schwingungsspektroskopie recht genau ermitteln läßt ^[Luck]. Je mehr Wasserstoffbrückenbindungen ein Molekül eingeht (maximal vier), desto stärker werden seine internen Bindungen gestreckt, womit sich ihre Schwingungsenergie vermindert. Aus der Rotverschiebung der entsprechenden Absorptionsbanden läßt sich somit der Organisationsgrad der Moleküle direkt ermitteln. Dafür geeignete Banden der Streckschwingung finden sich bei 2,8 µm, 1,9 µm, 1,4 µm, 1,2 µm und bei 0,95 µm. Dieser Effekt wird z. B. ausgenutzt, um die Vereisung von Straßen festzustellen ^[Huth-Fehre]. Diese Assoziation des Wassers ist stark temperaturabhängig^[Luck], Salze stören sie ^[Luck] durch Blockade von potentiellen Bindungsstellen (s. Streusalz), und geeignete Oberflächen^[eM], z. B. die inneren Oberflächen von Ton- und Lehm-Mineralien, stimulieren sie.a) It was already known in the 1960s that the degree of organization of water molecules could be determined very precisely with the help of vibration spectroscopy ^[Luck] . The more hydrogen bonds a molecule forms (a maximum of four), the more its internal bonds are stretched, reducing their vibrational energy. The degree of organization of the molecules can thus be determined directly from the red shift of the corresponding absorption bands. Suitable bands of the stretching vibration are found at 2.8 µm, 1.9 µm, 1.4 µm, 1.2 µm and at 0.95 µm. This effect is such. B. used to determine the icing of roads ^[Huth-Fehre] . This association of water is strongly temperature-dependent ^[Luck] , salts disturb ^[Luck] by blocking potential binding sites (see road salt), and suitable surfaces ^[eM] , e.g. B. stimulate the inner surfaces of clay and clay minerals.

b) Der Anatomieprofessor Pischinger hat recht detailliert den Aufbau des subkutanen Bindegewebes studiert und postuliert in seinem Buch ^[Pischinger] die Existenz eines informationstragenden Regulationssystems, der sogenannten Grundregulation in diesem Bindegewebe. In diesem System, das über die offenen Endigungen der vegetativen Nervenstränge an das Nervensystem und über die Blutbahn an das hormonelle Regelgeschehen geknüpft ist, spielen Zuckerpolymere^[Stryer], die "Glykokalix", eine zentrale Rolle. Nach Untersuchungen des Anatomieprofessors Heine^[Heine] tritt das subkutane Bindegewebe an den klassischen Akupunkturpunkten besonders nah an die Hautoberfläche heran. Der Regelzustand einer Gewebsregion ist eine skalare Größe, die u. a. bisher an der elektrischen Leitfähigkeit, dem elektromotorischen Potential und der Menge der synthetisierten Zuckerpolymere gemessen wird^[Pischinger]. Um die polaren Stellen dieser Zuckerpolymere bilden sich Hydrathüllen^[Römpp], in denen die Wassermoleküle wie im Eis hochorganisiert vorliegen.b) The anatomy professor Pischinger has studied the structure of the subcutaneous connective tissue in great detail and postulates in his book ^[Pischinger] the existence of an information-carrying regulatory system, the so-called basic regulation in this connective tissue. In this system, which is linked to the nervous system via the open endings of the vegetative nerve strands and via the bloodstream to the normal hormonal processes, sugar polymers ^[Stryer] , the "Glykokalix", play a central role. According to studies by the anatomy professor Heine ^[Heine] , the subcutaneous connective tissue at the classic acupuncture points comes particularly close to the skin surface. The normal state of a tissue region is a scalar quantity, which has been measured up to now, among other things, by the electrical conductivity, the electromotive potential and the amount of the synthesized sugar polymers ^[Pischinger] . Around the polar sites of these sugar polymers, hydration shells ^{[Römpp] are formed} , in which the water molecules are highly organized, as in ice.

c) Eine schöne Übersicht über die Ausbreitung des Lichts in der Haut findet sich in: http://omlc.ogi.edu/news/jan98/skinoptics.html. Die vom Wasser des Bindegewebes stammenden Absorptionen werden überlagert durch die folgenden Störfaktoren:
c) A nice overview of the spread of light in the skin can be found in: http://omlc.ogi.edu/news/jan98/skinoptics.html. The absorptions from the water of the connective tissue are overlaid by the following disturbing factors:

• 1. Streuung in der Oberhaut1. Scattering in the epidermis
• 2. Absorptionen durch Strukturproteine2. Absorptions by structural proteins
• 3. Absorptionen durch Fettspeicher3. Absorption through fat storage
• 4. Absorptionen durch Blutgefäße4. Absorption through blood vessels

d) Die Haut der meisten Säugetiere ist bei Wellenlängen von ca. 800 nm bis zu ca. 1100 nm genügend schwach absorbierend, um ein nennenswertes Eindringen des Lichts in das Unterhautgewebe zu gestatten. In diesem "diagnostischen Fenster" gibt es z.Z. viele Ansätze, auf nichtinvasive Weise Informationen über aktuelle medizinische Parameter zu bekommen. Mir bekannterweise bereits klinisch eingeführt sind Pulsoximetrie und die Bestimmung des Unterhautfettgehalts^[Futrex]. Sehr große Forschungsanstrengungen werden seit über 10 Jahren unternommen, um zum Zwecke der Diabetesbehandlung den Glukosegehalt des Blutes zu messen^{[Futrex2],[Fischbacher]}. Die bisherigen Kalibrationsverfahren schaffen es nicht, die medizinisch notwendige Schwelle von ± 10 mg/L Ungenauigkeit zu unterschreiten. Für Kompensationen wurde bereits versucht, das Verhältnis zwischen Kapillarblut und Gewebsflüssigkeit getrennt zu ermitteln, da der Glucosegehalt im Gewebe ja noch verbrauchsabhängig ist und sich somit von dem des Blutes unterscheidet. Desweiteren wird die Temperatur des gemessenen Gewebes getrennt erfasst, da durch sie der Kristallisationsgrad des Wassers stark beeinflußt wird^[Luck]. Diese Störung ist eine gewaltige, da die Glukose primär über das Spektrum der in ihr enthaltenen O-H Bindungen erfaßt wird. Diese Absorptionen bilden eine kleine Schulter auf der Flanke der sehr starken Absorption der im Wasser enthaltenen O-H Bindungen, und zwar auf der Seite zu längeren Wellenlängen hin, also genau dort, wohin sich der Wasserpeak verschiebt, wenn der Organisationsgrad steigt. Selbst diese Temperaturkompensation hat bisher anscheinend nicht ausgereicht, um die auftretenden Artefakte wegkalibrieren zu können, was auch besonders schwierig ist, da die temperaturabhängige Verschiebungsfunktion der Wasserresonanz gerade bei der Körpertemperatur der Säugetiere einen nichtmonotonen Sprung aufweist^[Luck].d) The skin of most mammals is sufficiently weakly absorbent at wavelengths from approx. 800 nm to approx. 1100 nm in order to allow a significant penetration of light into the subcutaneous tissue. In this "diagnostic window" there are currently many approaches to get information about current medical parameters in a non-invasive way. As ^{we know} , pulse oximetry and the determination of the subcutaneous ^{fat content [Futrex]} are already clinically introduced. Very large research efforts have been undertaken for over 10 years to measure the blood glucose level for the purpose of diabetes treatment ^{[Futrex2], [Fischbacher]} . The previous calibration procedures do not manage to fall below the medically necessary threshold of ± 10 mg / L inaccuracy. For compensation, attempts have already been made to determine the ratio between capillary blood and tissue fluid separately, since the glucose content in the tissue is still dependent on consumption and thus differs from that of the blood. Furthermore, the temperature of the measured tissue is recorded separately, because it strongly influences the degree of crystallization of the water ^[Luck] . This disorder is a huge one, since the glucose is primarily detected via the spectrum of the OH bonds it contains. These absorptions form a small shoulder on the flank of the very strong absorption of the OH bonds contained in the water, on the side towards longer wavelengths, i.e. exactly where the water peak shifts when the degree of organization increases. Even this temperature compensation has apparently not been sufficient so far to be able to calibrate away the artefacts that occur, which is also particularly difficult since the temperature-dependent displacement function of the water resonance has a non-monotonous jump, especially in the body temperature of mammals ^[Luck] .

e) Die in Ostasien seit Jahrtausenden bekannte und entwickelte Methode der Akupunktur^[Bischko] geht von einer gesamtkörperlichen Regeltätigkeit aus, die auf einem Gleichgewicht der verschiedenen CHI-Flüsse basiert. Dieses CHI wird hierzulande etwas unglücklich mit "Energie" übersetzt, obwohl es sich meiner Auffassung nach eher um einen Informationsfluß handelt. Das Chi fließt in Leitbahnen, den Meridianen, an denen entlang die klassischen Akupunkturpunkte angeordnet sind. Durch deren Anstechen mit dünnen Metallnadeln, durch Druck auf sie, Hitze oder Laserbestrahlung läßt sich der CHI-Fluß normalisieren. Die "hohe Kunst" besteht allerdings daraus, zu wissen, welche Leitbahn mehr CHI und welche weniger benötigt. Zu dieser Diagnostik verwenden die Chinesen die Anamnese, das Aussehen der Augen und der Zunge, und die Härte des Pulsschlages^[Bischko]. All diese Methoden setzen große Sensibilität und Erfahrung des diagnostizierenden Arztes voraus.e) The method of acupuncture ^[Bishko] , which has been known and developed in East Asia for thousands of years, is based on regulating the whole body based on a balance of the different CHI flows. This CHI is translated somewhat unfortunate in this country with "energy", although in my opinion it is more of a flow of information. The Chi flows in channels, the meridians, along which the classic acupuncture points are arranged. The CHI flow can be normalized by piercing them with thin metal needles, by applying pressure to them, by heat or by laser radiation. The "high art", however, consists in knowing which interconnect requires more CHI and which less. For this diagnosis, the Chinese use the medical history, the appearance of the eyes and tongue, and the hardness of the pulse ^(Bishko) . All of these methods require great sensitivity and experience of the diagnosing doctor.

Die Nützlichkeit der Akupunktur ließe sich gewaltig steigern, wenn die Aktivität der Leitbahnen zuverlässig mit einem technischen Gerät erfasst werden könnte. Über ein System, das diese Aufgabe durch Widerstandsmessungen an den Quellpunkten der Meridiane erfüllen soll, wird von Manfred Doepp in der Druckschrift Acta medica empiria 11/98 S. 821-830 mit dem Titel "Diagnostik mit einem neuen biophysikalischen Meßverfahren" berichtet.The usefulness of acupuncture could be greatly increased if the activity of the Conductors could be reliably recorded with a technical device. About one System that does this by measuring resistance at the source points of the Meridians should be met by Manfred Doepp in the publication Acta medica empiria 11/98 pp. 821-830 with the title "Diagnostics with a new biophysical measuring method "reported.

f) Beim Entstehen eines Hirnschlags (Schlaganfall) sind zwei grundsätzliche Fälle zu unterscheiden: Die Verstopfung einer Arterie und das Platzen einer Solchen. Im ersten Fall erstickt das betroffene Hirngewebe und schon kurze Zeit später bildet sich durch Einlagerung von Gewebswasser in die abgestorbenen Bereiche ein Ödem. Im zweiten Fall findet ein Ausströmen von Blut ins Gewebe statt. Beides, Ödem wie Blutung, erscheint im Kernspintomogramm wie im normalen Röntgenbild nur als Wasseransammlung. Diese beiden Fälle so früh wie möglich unterscheiden zu können, hat aber eminente Bedeutung, denn im ersten Fall ist die Verabreichung von durchblutungssteigernden Medikamenten sehr hilfreich, was aber im Falle einer Blutung katastrophale Folgen hätte. Eine möglichst schon dem Ersthelfer zur Verfügung stehende Vorrichtung, mit deren Hilfe sich die beiden Fälle unterscheiden ließen, würde die Behandelbarkeit, und damit die Folgenschwere von Hirnschlägen wesentlich beeinflussen.f) When a stroke occurs (stroke), there are two basic cases distinguish: the blockage of an artery and the bursting of such. In the first case, the affected brain tissue suffocates and forms a short time later by storing tissue water in the dead areas  Edema. In the second case, blood flows out into the tissue. Both, Edema like bleeding appears in the magnetic resonance tomogram as in the normal X-ray image only as water accumulation. Distinguish these two cases as early as possible being able to, however, is of paramount importance, because in the first case the administration is of blood circulation increasing drugs very helpful, but what in the case of one Bleeding would have disastrous consequences. A device that is already available to the first aider if possible, with its If the two cases could be distinguished, the treatability, and thus have a major impact on the consequences of stroke.

ErfindungsgedankenInvention ideas GrundsätzlichesBasics

1. Mit Licht mit Wellenlängen zwischen 900 und 1100 nm wird das spektrale Reflexionsvermögen der Haut gemessen. Hieraus wird die genaue spektrale Lage der Wasserabsorption (3. Harmonische der Streckschwingung) ermittelt und deren Rotverschiebung als Maß des Organisationsgrades genommen.1. With light with wavelengths between 900 and 1100 nm, the spectral Skin reflectance measured. This becomes the exact spectral Position of the water absorption (3rd harmonic of the stretching vibration) determined and their redshift taken as a measure of the degree of organization.

2. Die Störung durch Streuung an der Oberhaut wird minimiert, indem das aus der Haut zurückkehrende Licht einige Millimeter (1-5) neben der Einstrahlstelle eingesammelt wird.2. The disruption caused by scattering on the epidermis is minimized by that light returning to the skin a few millimeters (1-5) next to the point of radiation is collected.

3. Die Störungen durch Strukturproteine, Fettspeicher und Blutgefäße werden durch Abzug typischer Spektren der Störstoffe vermindert. Hierzu werden bei mehreren Wellenlängen zwischen 800 und 1100 nm die Absorptionen außerhalb der Wasserbande vermessen und daraus Hochrechnungen für die Stärke der aktuellen Störung getätigt.3. The disorders caused by structural proteins, fat stores and blood vessels reduced by subtracting typical spectra of the contaminants. This will be done at the absorption at several wavelengths between 800 and 1100 nm measured outside the water band and from this extrapolations for the Strength of the current disturbance.

4. Für die Messung werden bevorzugt Akupunkturpunkte benutzt, da an diesen die störenden Deckgewebeschichten dünner sind als außerhalb dieser Punkte.4. Acupuncture points are preferably used for the measurement, since on these the interfering cover fabric layers are thinner than outside of these points.

5. Spektraler Vergleich von Akupunkturpunkten mit direkt benachbartem Gewebe erhöht die Störungsunterdrückung.5. Spectral comparison of acupuncture points with directly adjacent tissue increases interference suppression.

Anwendungsfall 1: GlukosemessungUse case 1: glucose measurement

6. Durch die Temperaturabhängigkeit ist die Empfindlichkeit der nichtinvasiven Glukosemessung auf den Organisationsgrad des Gewebswassers bewiesen. Da dieser aber nicht nur, wie im Stand der Technik bekannt, von der Temperatur abhängt, sondern nach [Pischinger] auch vom Regelzustand des Organismus, läßt sich die Genauigkeit der Glukosemessung steigern, wenn man den Organisationsgrad des Wassers am Messort der Glukose nach 1-5 miterfasst und in der Glukosekalibration berücksichtigt.6. Due to the temperature dependence, the sensitivity of the non-invasive Glucose measurement proven on the degree of organization of the tissue water. However, since this not only, as is known in the prior art, from the Temperature depends, but according to [Pischinger] also on the regular state of the Organism, the accuracy of the glucose measurement can be increased if the degree of organization of the water at the measuring point of glucose after 1-5 also recorded and taken into account in the glucose calibration.

Anwendungsfall 2: GesamtdiagnoseUse case 2: overall diagnosis

7. Der auf diese Weise ermittelte Organisationsgrad des Bindegewebswassers wird an verschiedenen Akupunkturpunkten einer Person erfasst und zur rechnergestützten Diagnose der Gesamtverfassung dieser Person benutzt.7. The degree of organization of the connective tissue water determined in this way is recorded at various acupuncture points of a person and used for computer-aided diagnosis of the overall constitution of this person.

8. Die Korrelation zwischen typischen Meßwertkombinationen und Krankheitsbildern (Kalibration des Modells) wird einerseits mit Hilfe einer Kombination aus Pulsdiagnostik und der klassischen Chinesischen Lehre erstellt und andererseits schulmedizinisch durch multivariate Auswertung eines größeren Patientenkollektivs vorgenommen.8. The correlation between typical measured value combinations and Disease patterns (calibration of the model) is on the one hand with the help of a Combination of pulse diagnostics and classic Chinese teaching  created and on the other hand conventional medicine through multivariate evaluation a larger group of patients.

Anwendungsfall 3: HirnschlagUse case 3: stroke

9. In geringem Maß ist ein kompletter menschlicher Schädel für Wellenlängen zwischen 800 und 1100 nm durchsichtig, d. h. anhand einer Durchstrahlung mit verschiedenen Wellenlängen gewonnene Spektraldaten erlauben es, den Organisationsgrad des durchstrahlten Wassers zu erfassen. Da ein Hirnödem durch starke Wasseraufnahme des Bindegewebes entsteht, ist das darin gespeicherte Wasser stark organisiert, wohingegen das Wasser in Blut sehr gering organisiert ist.9. To a small extent is a complete human skull for wavelengths transparent between 800 and 1100 nm, d. H. based on a radiation with Spectral data obtained at different wavelengths allow the To determine the degree of organization of the irradiated water. Because brain edema is caused by strong water absorption of the connective tissue stored water is highly organized, whereas the water in blood is very organized is poorly organized.

Literaturliterature

[Bischko] Johannes Bischko, "Einführung in die Akupunktur", Band I, 13. Auflage, Haug Verlag, Heidelberg, 1983
[Block] WO 95/19562
[eM] eigene Messungen
[Futrex] http://www.futrex.com
[Futrex2] http://www.futrex.com/dbdesc.html
[Fischbacher] Christoph Fischbacher, "Untersuchungen und chemometrische Strategien zur nichtinvasiven Bestimmung der Blutglucose mittels Nahinfrarot- Reflexionsspektroskopie", Dissertation, Universität Jena, (1996)
[Heine] Hartmut Heine, "Lehrbuch der biologischen Medizin", Hippokratesverlag, 1991
[Huth-Fehre] WO 96/26430
[Luck] W.A.P. Luck, "Zur Assoziation des Wassers III", Berichte der Bunsengesellschaft, Bd. 69, Nr. 7, S. 626 (1965)
[Pischinger] Alfred Pischinger, "Das System der Grundregulation. Grundlagen einer ganzheitsbiologischen Medizin" Haug Verlag, 9., überarb. Aufl. (1998)
[Römpp] Römpp Lexikon Chemie - Version 1.3, StuttgartlNew York: Georg Thieme Verlag 1997, Stichwort: "Hydratation"
[Stryer] Lubert Stryer, "Biochemistry", Freeman and Company, New York (1975), S. 200-203[Bischko] Johannes Bischko, "Introduction to Acupuncture", Volume I, 13th Edition, Haug Verlag, Heidelberg, 1983
[Block] WO 95/19562
[eM] own measurements
[Futrex] http://www.futrex.com
[Futrex2] http://www.futrex.com/dbdesc.html
[Fischbacher] Christoph Fischbacher, "Investigations and chemometric strategies for the non-invasive determination of blood glucose using near infrared reflection spectroscopy", dissertation, University of Jena, (1996)
[Heine] Hartmut Heine, "Textbook of biological medicine", Hippocrates Verlag, 1991
[Huth-Fehre] WO 96/26430
[Luck] WAP Luck, "On the Association of Water III", Reports of the Bunsen Society, Vol. 69, No. 7, p. 626 (1965)
[Pischinger] Alfred Pischinger, "The system of basic regulation. Fundamentals of holistic biological medicine" Haug Verlag, 9th, revised. Edition (1998)
[Römpp] Römpp Lexicon Chemie - Version 1.3, Stuttgart / New York: Georg Thieme Verlag 1997, keyword: "Hydration"
[Stryer] Lubert Stryer, "Biochemistry", Freeman and Company, New York (1975), pp. 200-203

Claims (1)

Vorrichtung zum Messen des Organisationsgrades von Wasser in Säugetierkörpern, durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

• a) Die Haut des Körpers wird mit Licht mit Wellenlängen zwischen 900 und 1100 nm bestrahlt.
• b) Aus dem rückgestreuten Licht wird das spektrale Reflexionsvermögen der Haut gemessen.
• c) Hieraus wird die genaue spektrale Lage der Wasserabsorption (3. Harmonische der Streckschwingung) ermittelt und deren Rotverschiebung als Maß des Organisationsgrades genommen.

Device for measuring the degree of organization of water in mammalian bodies, characterized by the following features:

• a) The skin of the body is irradiated with light with wavelengths between 900 and 1100 nm.
• b) The spectral reflectance of the skin is measured from the backscattered light.
• c) From this, the exact spectral position of the water absorption (3rd harmonic of the stretching vibration) is determined and its red shift is taken as a measure of the degree of organization.