Verfahren und Vorrichtung zur Messung des
Organisationsgrades von Wasser in menschlichen und tierischen Körpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Organisationsgrades von Wasser in menschlichen und tierischen Körpern.
Es ist bekannt, daß sich der Organisationsgrad von Wassermolekülen, der als durchschnittliche Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen im Wassermolekül definiert ist, mit Hilfe der Schwingungsspektroskopie ermitteln läßt. Je mehr Wasserstoffbrückenbindungen ein Molekül eingeht (maximal 4), 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. Die Assoziation des Wassers ist stark temperaturabhängig, Salze stören sie durch Blockade von potentiellen Bindungsstellen und geeignete Oberflächen, z.B. die innere Oberfläche von Ton- oder Lehmmineralen stimulieren sie.
In der Veröffentlichung von Alfred Pischinger, "Das System der Grundregulation. Grundlagen einer ganzheitsbiologischen Medizin" Haug Verlag, 9. überarbei- tete Auflage (1998) ist recht detailliert der Aufbau des subkutanen Bindegewebes beschrieben und es wird dort die Existenz eines informationstragenden Regulationssystems, der sogenannten Grundregulation, auch Grundsystem genannt, in diesem Bindegewebe postu- liert. 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, die "Glykokalix" eine zentrale Rolle. Im "weichen" Binde- gewebe setzt sich mehr Wasser ab. Dies liegt darin, daß sich um die polaren Stellen der Zuckerpolymere Hydrathüllen bilden, in denen die
hochorganisiert vorliegen.
Die in Ostasien seit Jahrtausenden bekannte und entwickelte Methode der Akupunktur geht von einer gesamtkörperlichen Regeltätigkeit aus, die auf einem Gleichgewicht der verschiedenen CHI-Flüsse, die mit "Energieflüsse" übersetzt werden, basiert. Das "CHI" fließt in Leitbahnen, den Meridianen, an denen entlang die klassischen Akupunkturpunkte angeordnet sind. Durch deren Anstechen mit dünnen Metallnadel, durch Druck auf sie, Hitze oder Laserbestrahlung läßt sich der CHI-Fluß normalisieren. Die "hohe Kunst" be- steht allerdings daraus, zu wissen, welche Leitbahn mehr CHI und welche weniger benötigt. Zu dieser Dia-
gnostik verwenden die Chinesen die Anamnese, das Aussehen der Augen und der Zunge und die Härte des Pulsschlages. All diese Methoden setzen große Sensibilität und Erfahrung des diagnostizierenden Arztes voraus.
Nach Untersuchungen des Anatomieprofessors Heine, Hartmut Heine, "Lehrbuch der biologischen Medizin", Hippokratesverlag, 1991, tritt das subkutane Bindege- webe an den klassischen Akupunkturpunkten besonders nah an die Hautoberfläche heran. Da das Grundsystem von Pischinger auf alle Einflüsse und Reize gleichförmig reagiert ist, der Regelzustand einer Gewebsre- gion ist eine skalare Größe, die unter anderem bisher an der elektrischen Leitfähigkeit, dem elektromotorischen Potential und der Menge der synthetisierten Zuckerpolymere gemessen wird. Die Nützlichkeit der Akupunktur ließe sich steigern, wenn die Aktivität der Leitbahnen zuverlässig mit einem technischen Ge- rät erfaßt werden könnte. Über ein System, das diese Aufgabe durch Widerstandsmessungen an den Quell- oder Endpunkten der Meridiane erfüllen soll, wird von Manfred Doepp in der Druckschrift Acta medica empirica 11/98, S. 821 - 830, "Diagnostik mit einem neuen bio- physikalischen Meßverfahren" berichtet. Da über 90% des Hautwiderstandes durch die äußersten toten Hornhautschicht bestimmt werden, ist die Widerstandsmeßmethode sehr störanfällig, insbesondere gegen Schwankungen des Feuchte-, Salz- und Fettgehalts der Ober- haut.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen Reaktionen des menschlichen und tierischen Kör- pers erfaßt werden können.
Zur Losung der Aufgabe wurden die oben erwähnten Erkenntnisse von Pischmger, Heine usw. verwendet und es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Organisationsgrades von Wasser im menschli- chen und tierischen Korper, d.h. auch in Saugetier- korpern vorgeschlagen, bei der die Haut mit Wellenlangen zwischen 900 und 1100 nm durch eine Strahlungsquelle bestrahlt wird und die m dem darunterliegenden Gewebe ruckgestreute Strahlung durch eine Empfangeranordnung erfaßt wird und das spektrale Re- flexionsvermogen gemessen wird und eine Auswerteeinrichtung die spektrale Lage der Wasserabsorption der 3. Harmonischen der Streckschwingung ermittelt, die ein Maß für den Organisationsgrad des Wassers ist.
Die vom Wasser des Bindegewebes stammenden Absorptionen werden durch die Storfaktoren der Streuung an der Oberhaut und der Absorptionen durch Strukturproteine, Fettspeicher und Blutgefäße überlagert. Die Streuung m bzw. an der Oberhaut wird dadurch vermieden, daß die Strahlungsquelle vorzugsweise schräg auf die Haut strahlt und daß der Empfanger auf eine Stelle der Haut gerichtet ist, d e benachbart zu der Einstrahlstelle liegt.
Die Storfaktoren hinsichtlich der Strukturproteine, Fettspeicher und Blutgefäße sind an den Akupunkturpunkten am geringsten, da dort das subkutane Bindegewebe besonders nah an die Hautoberflache herantritt. Es können somit Messungen an einem Akupunkturpunkt und an einer daneben liegenden Stelle vorgenommen werden. An der daneben liegenden Stelle sind die Störungen in reinerer Form vorhanden und zur Unterdruk- kung bzw. Kompensation der Störungen am Akupunktur- punkt wird ein Vergleich zwischen den erfaßten spektralen Reflexionsvermogen an den beiden Stellen vor-
genommen .
E ne andere bzw. zusätzliche Möglichkeit liegt darin, daß in dem Wellenlangenbereich von 800 bis 1100 nm Storspektren der Strukturproteine, Fettspeicher und/oder Blutgefäße, insbesondere außerhalb der Wasserabsorptionsbande gemessen werden, die bei der Ermittlung der spektralen Lage der Wasserabsorption durch Hochrechnungen und/oder Extrapolation oder der- gleichen mathematische Verfahren berucksichtigr werden. Vorzugsweise sind m der Auswerteeinrichtung Spektren von Storstoffen abhangig vom Ort der Messung auf der Haut und/oder dem Aufbau der Haut gespeichert.
Durch die erfmdungsgemaße Vorrichtung kann beispielsweise an verschiedenen Akupunkturpunkten einer Person der Organisationsgrad des Bindegewebswassers einer Person erfaßt und zur spateren Diagnose der Ge- samtverfassung dieser Person benutzt, wobei die Korrelation zwischen typischen Meßwertkombinationen und Krankheitsbildern entsprechend den unterschiedlichen diagnostischen Lehren ausgewertet werden können.
Eine weitere Möglichkeit, das erfmdungsgemaße Verfahren und die erfindungsgemaße Vorrichtung anzuwenden, liegt in der Glucosemessung, d.h. sie kann bei einer Vorrichtung zur Messung des Blutglucosegehaltes eingebaut werden. Es gibt Ansätze in der Blutglucose- gehaltmessung, die Reflexionsspektroskopie im Nahinfrarot anzuwenden und auf nichtmvasive Weise die notwendigen medizinischen Parameter zu bekommen. In der Dissertation an der Universität Jena von Christoph Fischbacher, 1996 "Untersuchungen und chemome- frische Strategien zur nichtmvasiven Bestimmung der Blutglucose mittels Nahinfrarot-Reflexionsspektros-
kopie" und anderen Forschungen wird versucht, zum Zwecke der Diabetesbehandlung den Glucosegehalt des Blutes durch Bestrahlen der Haut bei Wellenlängen von ca. 800 nm bis zu ca. 1100 nm und Messen der Reflexi- on zu ermitteln. Die bisherigen Kalibrationsverfahren schaffen es nicht, die medizinisch notwendige Schwelle von ± 10 mg/dl Ungenauigkeit zu unterschreiten. Für Kompensationen wurde bereits versucht, das Verhältnis zwischen Kapillarblut und Gewebsflüssigkeit getrennt zu ermitteln, da der Glucosegehalt im Gewebe noch verbrauchsabhängig ist und sich somit von dem des Blutes unterscheidet. Des Weiteren wird die Temperatur des gemessenen Gewebes getrennt erfaßt, da durch sie der Kristallisationsgrad des Wassers stark beeinflußt wird. Diese Störung durch die unterschiedlichen Temperaturen ist stark, da die Glucose 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 Absorpti- on der im Wasser enthaltenen O-H Bindungen und zwar auf der Seite zu längeren Wellenlängen hin, also genau dort, wohin sich der Wasserpeak verrchiebt, wenn der Organisationsgrad steigt. Selbst diese Temperaturkompensation hat bisher anscheinend nicht ausge- reicht, um die auftretenden Artefakte wegkalibrieren zu können, was allerdings auch besonders schwierig ist, da die temperaturabhängige Verschiebungsfunktion der Wasserresonanz gerade bei der Körpertemperatur der Säugetiere einen Sprung aufweist.
Durch die Erkenntnis der Erfinder, den Organisationsgrad des Wassers im Gewebe gezielt zu erfassen, kann die gezielte Erfassung auch bei der Kalibration der Glucosemessung berücksichtigt werden.
Durch die Temperaturabhängigkeit ist die Empfindlich-
keit der nichtinvasiven Glucosemessung auf den Organisationsgrad des Gewebswassers bewiesen. Dieser Organisationsgrad hangt aber, wie oben schon ausgeführt wurde, nicht nur von der Temperatur ab, sondern auch vom Regelzustand des Organismus. Eine Erfassung des Organisationsgrades des Gewebswassers bringt somit eine zusätzliche Information mit sich, die für die Steigerung der Genauigkeit der Glucosemessung eine Rolle spielt. In vorteilhafter Weise wird somit er- fmdungsgemaß m der Nahe des Meßortes der Glucose der Organisationsgrad des Wassers im Gewebe, das eine Störung für die Glucosemessung darstellt, gemessen und für die Glucosekalibration berücksichtigt. Dabei kann m vorteilhafter Weise ein dreistufiges Messen vorgenommen werden, nämlich als erste Stufe die eigentliche Glucosemessung, als zweite Stufe die Messung des Organisationsgrades an Akupunkturpunkt m der Nahe des Meßortes der Glucose und m einem dritten Schritt die Messung des spektralen Reflexionsver- mogens m der Nahe des Akupunkturpunktes und Ber cksichtigung der dort bestimmten Storfaktoren bei der Auswertung des Organisationsgrades.
Vorteilhafterweise kann die erfmdungsgemaße Vorπch- tung auch zur Feststellung eingesetzt werden, ob bei einem Hirnschlag eine Arterie geplatzt ist oder ein Odem entstanden ist. Bei Auftreten eines Hirnschlags (Schlaganfall) sind zwei grundsätzliche Falle zu unterscheiden, die Verstopfung einer Arterie und das Platzen einer solchen. Im ersten Fall erstickt das betroffene Hirngewebe und schon kurze Zeit spater bildet sich durch Einlagerung von Gewebswasser die abgestorbenen Bereiche ein Odem. Im zweiten Fall findet e n Ausstromen von Blut ms Gewebe statt. Bei- des, Odem wie Blut, erscheint im Kernspmtomogramm wie im normalen Rontgenbild nur als Wasseransammlung.
Diese beiden Fälle so früh wie möglich unterscheiden zu können, hat eminente Bedeutung, denn im ersten Fall ist die Verabreichung von durchblutungssteigern- den Medikamenten sehr hilfreich, was aber im Fall ei- ner 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 die Folgenschwere von Hirnschlägen wesentlich beeinflus- sen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens eine Strahlungsquelle auf, die Licht mit einer Wellenlänge zwischen 900 und 1100 nm auf die Haut strahlt. Mindestens eine Empfängeranordnung mißt das spektrale Reflexionsvermögen in Form des reflektierten und/oder in dem Gewebe unter der Haut gestreuten Strahlung. Die Störung durch Streuung bzw. durch Reflexion an der Oberhaut wird minimiert, indem die Empfän- geranordnung auf eine Stelle gerichtet ist, die einige Millimeter neben der Einstrahlstelle liegt. Eine Auswerteeinrichtung ermittelt die genaue spektrale Lage der Wasserabsorption und zwar der 3. Harmonischen der Streckschwingung, wobei deren Rotverschie- bung als Maß des Organisationsgrades des Wassers im Gewebe genommen wird.
Da das Spektrum des Reflexionsvermögens Störungen durch Strukturproteine, Fettspeicher und/oder Blutge- fäße aufweisen kann, die abhängig vom Ort der Messung sind, müssen diese bei der Auswertung berücksichtigt werden. Dies kann auf unterschiedlichste Weise geschehen. Beispielsweise können mit derselben Strahlungsquelle oder auch mit einer zusätzlichen die Spektren der Störstoffe am selben Meßort bei mehreren Wellenlängen zwischen 800 und 1100 nm in Form von Ab-
Sorptionen außerhalb der Wasserbande gemessen und in der Auswerteeinrichtung können diese Spektren für den Bereich der Wasserabsorptionsbande hochgerechnet, extrapoliert oder durch sonstige mathematische Verfah- ren bestimmt werden. Die Starke der aktuellen Störung w rd dann bei der Auswertung des Organisationsgrades berücksichtigt .
Eine weitere Möglichkeit ist, daß für die Messung be- vorzugt Akupunkturpunkte benutzt werden, bei denen das wassertragende Bindegewebe naher an der Hautoberflache liegt, da an diesen Punkten die störenden Deckgewebeschichten dunner sind als außerhalb dieser Punkte. Diese Maßnahme kann zusatzlich zu der zuvor erwähnten verwendet werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Berücksichtigung von Störungen besteht darin, daß zusatzlich zu den Akupunkturpunkten eine oder mehrere Messungen in dazu benachbarter Umgebung in Bezug auf das spektrale Re- flexionsvermogen durchgeführt werden. Die Auswertevorrichtung kann dann durch einen spektralen Vergleich des spektralen Reflexionsvermogens an den Akupunkturpunkten und des spektralen Reflexionsvermogens m dem direkt benachbarten Gewebe die Störungen her- ausfiltern oder auf anderem Wege unterdrucken.
In entsprechender Weise, wie oben beschrieben, wird für die Messung des Organisationsgrades des Wassers im Gewebe zur Kalibration der Vorrichtung zur Messung des Blutglucosegehaltes vorgegangen, wobei jedoch der Organisationsgrad benachbart zum Meßort des Glucose- gehaltes, vorzugsweise an benachbarten Akupunkturpunkten vorgenommen wird.
Wenn die Vorrichtung für die Unterscheidung zwischen
einer Hirnblutung und einem Hirnodem herangezogen werden soll, werden vorzugsweise die Strahlungsquelle und die Empfangeranordnung so angeordnet, daß schräger eingestrahlt wird und daß die E strahlungs- und Erfassungsstellen weiter auseinander, z.B. 2 bis 5 cm, gegebenenfalls auch mehr liegen, wobei die Eindringtiefe relativ groß st und unter Umstanden bis zum Stammhirn reicht. Die anhand einer Durchstrahlung mit verschiedenen Wellenlangen gewonnenen Spektralda- ten, erlauben es, den Organisationsgrad des durchstrahlten Wassers zu erfassen. Da ein Hirnodem durch starke Wasseraufnähme des Bindegewebes entsteht, ist das darin gespeicherte Wasser stark organisiert, wohingegen das Wasser im Blut sehr gering organisiert ist. In der Auswerteemrichtung sind Schwellenwerte für den Organisationsgrad gespeichert, die ein Unter- scheidungskriterium vorgeben. Die Auswerteemrichtung vergleicht die aus den Spektren bestimmten Organisationsgrade mit dem Schwellenwert und trifft die Ent- Scheidung.