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Vorrichtung zur
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Volumenmessung an menschlichen oder tierischen Gliedmaßen Die Messung
des Volumens von menschlichen oder tierischen Gliedmaßen hat sowohl Bedeutung für
die Diagnostik als auch für die Verfolgung einer Therapie. Beispielsweise ist es
von Interesse, wie sich das Fußvolumen ändert, wenn ein Oedem abgebaut wird, oder
wie das Blut in den Fußbereich absackt, wenn jemand ganztägig stehen muß.
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Die klassische Form der Volumenmessung ist die Messung der Wasserverdrängung
beim Einbringen der Gliedmaßen in ein mit Wasser gefülltes Gefäß. Solche Anordnungen
sind mehrfach in der Literatur beschrieben, z. B. von Thulesius, von Dustmann et.
al. (Therapiewoche 34, 5077 - 1984) von Waterloh und Groth, (Arzneimittelforschung
Nr. 27, 1355 - 1977), u. a. So einfach diese Methode aussieht, so große Meßprobleme
gibt es aber bei ihrer Durchführung. Denn wenn man der Extremität im Steigrohr etwas
Bewegungsfreiheit lassen will, so beträgt die Oberfläche des Wassers ca. 200 cm2,
d. h., um auf einen Kubikzentimeter genau zu messen, müßte die Höhe der Wasseroberfläche
mit einer Genauigkeit von 1/20 mm bestimmt werden.
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Deshalb wurde . unter anderem auch versucht, durch Umfangsmessung
(Kuhnke, Folia Angiologica XXIV, 228 und Physiotherapie 70, 251 -1979)) oder durch
Ausmessen des Schattenrisses zu einer Volumenbestimmung zu gelangen. Alle diese
Methoden sind zeitraubend und deshalb nur für streng wissenschaftliche Anwendung
denkbar, jedoch kaum für die medizinische Routine.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, bei der die Volumenbestimmung
der Extremität in einem Bottich erfolgt, der mit einer leitenden Flüssigkeit, z.
B. Kochsalzlösung gefüllt ist, wobei die Änderung des elektrischen Widerstandes
beim Eintauchen der Extremität gemessen wird. Es wird dabei der Umstand ausgenützt,
daß die elektrische Leitfähigkeit menschlichen oder tierischen Gewebes wesentlich
geringer ist, als die Leitfähigkeit der umgebenden Flüssigkeit.
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Die Meßeinrichtung besteht im einfachsten Fall aus einem Bottich aus
nichtleitendem Material, der mit leitender Flüssigkeit gefüllt ist und in dem paarweise
Elektroden E angeordnet sind. Der Widerstand zwischen beiden Elektroden wird mit
an und für sich bekannten Mitteln, vornehmlich mit Hilfe eines Mittelfrequenzgenerators
G mit hohem Innenwiderstand und eines Spannungsmessers U (Fig. 1) vor und nach dem
Eintauchen der Extremität bestimmt und aus der Differnz das Volumen berechnet, was
in einem angeschlossenen Auswertegerät automatisch erfolgen kann.
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Die .Vorteile des Verfahrens bestehen darin, daß die Gliedmaßen nur
eingetaucht werden müssen und danach sofort ein Meßwert zur Verfügung steht.
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Fehlermöglichkeiten: Bei der Anordnung nach Fig. 1 ergeben sich auf
Grund des natürlichen Stromlinienverlaufs vor und hinter der zu messenden Extremität
elektrische Schatten, die zu einer Fehlmessung führen. Ebenso werden Einbrüche in
der Oberfläche, wie sie evtl.
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durch anatomische Veränderungen auftreten können, bei der Messung
kaum berücksichtigt, da die Stromdichte dort geringer ist als in der Umgebung. Ferner
geht der Abstand der Gliedmaßen zu den Elektroden in das Meßergebnis ein.
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Um die genannten Meßfehler auf ein Minimum zu reduzieren, ergeben
sich folgende Möglichkeiten.
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1. Abwechselnde Messung in 2 Richtungen (Figur 3) zwischen Elektrodenpaar
E E und E' E' 2. Messung in mehr als 2 Richtungen z. B. rotierend mechanisch (Fig.
4) oder elektrisch durch aufeinanderfolgendes Aufschalten der Elektrodenpaare E
1, E 2 usw.(Fig. 5) 3. Linear fortschreitende Messung mit kleinflächigen Elektroden.
(Fig.
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6) Welche der Möglichkeiten gewählt wird, hängt von der Fragestellung
und der Art und Form der Extremität ab. Eine Anordnung nach Fig. 6 gibt bei Verwendung
mehrerer Elektrodenpaare mehr Aufschluß über die Form, während eine Anordnung nach
Fig. 5 bei unterschiedlichen Gliedmaßenformen Volumenmeßwerte mit geringen Fehlern
bringt. Ebenso müssen Elektrodenabstände und Elektrodengrößen sowie Elektrodenprofile
an die Meßaufgabe angepaßt werden.
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Es kann als Stand der Technik angesehen werden, aus den mit obigen
Anordnungen erhaltenen Teilmeßwerten mit Hilfe von Digital/Analogwandlern und Rechnern
das gewünschte Meßergebnis zu ermitteln.
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Technische Ausführung Bei einer Elektrodenanordnung nach Figur 3 würden
die jeweils senkrecht zur Meßebene stehenden Elektroden den Feldverlauf verfälschen.
Dies kann verhindert werden, wenn vor den Elektroden ein Gitter aus nicht leitendem
Material (N) angebracht wird. (Figur 7)) Bei der Anordnung nach Figur 5 kann ebenfalls
durch Lamellen aus nicht leitendem Material die nachbarliche Beeinflussung des Feldiinienverlaufs
verhindert werden.
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Beim Durchschalten der einzelnen Elektrodenpaare nach Fig.5 oder Fig.
6 entsteht ein Spannungsverlauf, aus dem rechnerisch Rückschlüsse auf die Form der
Gliedmaße gewonnen werden können. Für die Berechnung der interessierenden Volumina
können dann einfachere geometrische Formen wie z. B. Ellipsen näherungsweise zugrundegelegt
werden, Die Berechnung läßt sich erleichtern, wenn sich die Gliedmaße in der Halbierungslinie
zwischen den Elektroden befindet.
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Dies kann durch die Messung in der senkrechten Richtung festgestellt
werden. Die Elektroden lassen sich dann mechanisch bis zur optimalen Lage nachführen.
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Aus Figur 2 ist bereits erkennbar, daß die Messung umso besser wird,
je größer das Meßgefäß gewählt wird. Da dem in der Praxis oft Hindernisse entgegestehen,
besteht die Möglichkeit mit kleineren Elektroden und kleineren Abständen zu arbeiten,
und dadurch entstehende Unsymmetrien bei der Messung elektrisch auszugleichen. Hierzu
eignet sich eine Anordnung nach Figur 9, bei der die Elektroden geteilt sind und
durch Aufschaltung der einzelnen Elemente in ihrer wirksamen Breite verändert werden
können. Wird die Aufschaltung vom Meßergebnis gesteuert, läßt sich mit Mitteln der
Elektronik eine Optimierung der Symmetrierung erreichen. Ebenso kann die Lage der
Extremität
durch entsprechende Formgebung erzwungen werden. Bei einer Anordnung, die für Messungen
im Fußbereich bestimmt ist, kann die Grundplatte z. B. eine entsprechende Vertiefung
aufweisen.
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Taucht die Extremität in den Bottich, so erhöht sich durch das eingebrachte
Volumen der Stand der Flüssigkeit und damit der für die Stromleitung zur Verfügung
stehende Querschnitt. Eine klare Abgrenzung der Wirksamkeit der Elektroden z. B.
nach oben läßt sich durch entsprechende Ausgestaltung des Profils erreichen. Zum
Beispiel kann das Elektrodenprofil oben nach seitwärts verlaufen. Aus der Starktromtechnik
sind von der Durchschlagsprüfung an Isolationsölen Profilformen bekannt, die für
einen homogenen Verlauf der Stromlinien und Felddichten innerhalb der Elektroden
und fürein schnelles Abklingen der Wirksamkeit außerhalb der Elektroden sorgen.
Ferner kann durch die Wahl der Elektrodenhöhe und des Profils ein vorzugsweiser
Meßbereich festgelegt werden. Soll z. B. gezielt die Veränderung eines Oedems im
Knöchelbereich verfolgt werden, so ist die Beantwortung der medizinischen Fragestellung
sicher besser, wenn die Elektroden in Knöchel höhe angeordnet werden.
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Für eine kurze Meßzeit ist wesentlich, daß sich die Flüssigkeit sofort
nach dem Eintauchen der Extremität wieder beruhigt, um stabile Verhältnisse für
die Messung zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß Seiten- und/oder Stirnwände
bewegungsenerg ieverzehrend gestaltet werden. Hierzu eignet sich das unter anderem
das bereits aus elektrischen Gründen anzubringende Gitter nach Figur 7. Auch sorgt
ein solches Gitter aus lsolierstoff dafür, daß der Proband oder Patient nie das
Metall berühren kann. Bei den geringen Stromstärken, die zur Anwendung kommen, wäre
dies zwar unbedenklich, jedoch spielen bei ängstlichen Patienten auch psychologische
Gesichtspunkte eine Rolle.
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Ausführungsbeispiel: Ein Ausführungsbeispiel, das für Messungen im
Fuß- und Knöchelbereich gedacht ist, soll die Erfindungsgedanken noch einmal im
Zusammenhang aufzeichnen: Die Anordnung besteht aus einer handelsübl chen Plastikwanne,
in die das Meßgestellt mit den Elektroden frei eingestellt wird. Durch die Trennung
von Wanne und Meßapparatur ist auch hygienischen Gesichtspunkten Rechnung getragen.
Der Boden des Gestells B besteht aus einer Kunststoffplatte, in der sich in der
Mitte eine Vertiefung für den Fuß befindet. Da das Stehen auf den Rändern dieser
Vertiefung unbequem ist ,wird sich jeder Patient bemühen, seinen Fuß in die Vertiefung
zu stellen. Beiderseits dieser Platte befinden sich die Elektroden, die in ihrem
oberen Teil nach außen gebogen sind, um ein Auslaufen der Feldlinien zu erreichen.
Vor diesen Elektroden befindet sich ein Dämpfungsgitter D, das die Wasserbewegungen
bremst und einen direkten Kurzschluß der Feldlinien in senkrechter Richtung verhindert.
An den beiden Stirnseiten befinden sich ebenfalls Elektroden, die eine Messung in
einer um 90 Grad versetzten Richtung ermöglichen.
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Mit dieser Anordnung ist ein Meßgerät verbunden, das aus bekannten
elektronischen Elementen zusammengesetzt ist, wie z. B. Generator für die Erzeugung
des Wechselstroms, Meßverstärker und Demodulator, automatische Kompensationseinrichtung
für die automatische Nullpunkteinstellung, sowie einen Rechner zur Ermittlung der
Ergebnisse und gegebenenfalls einen Drucker oder einer Anzeige zur Ausgabe der
Meßwerte
(Fig. 11).
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Praktisch ausgeführte Versuche zeigen, daß das Verfahren, wie zu erwarten,
bei verschiedenen Gliedmaßenformen absoulute Fehler aufweist. Für die medizinischen
Konsequenzen ist aber die Veränderung ein und derselben Gliedmaße wichtig. Somit
ergibt sich eine sinnvolle Anwendung des Verfahrens für Längsschnittuntersuchungen
in der Therapie.