CH627554A5

CH627554A5 - Verfahren zur gewinnung eines fuer die ermittlung von messergebnissen bei blutgasanalyse dienenden gleichgewichtswertes.

Info

Publication number: CH627554A5
Application number: CH1401577A
Authority: CH
Inventors: Hermann Dr Marsoner
Original assignee: Avl Ag
Priority date: 1977-11-16
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1982-01-15
Also published as: GB2009416B; AT368636B; US4264328A; ATA792778A; GB2009416A; JPS5481692A; DE2848100A1; JPS5838745B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines für die Ermittlung von Messergebnissen bei Blutgasanalyse dienenden Gleichgewichtswertes aus Signalen, welche die jeweilige Messelektrode abgibt, wenn sie von einem ihrer Gleichgewichtszustände in einen anderen übergeht. 40

Unter dem Begriff Blutgasanalyse wird im allgemeinen die gleichzeitige Ermittlung des pH-Wertes und der Partialdrucke von Sauerstoff und C02 in einer Blutprobe verstanden. Dies geschieht im allgemeinen dadurch, dass in einer Messzelle eine Reihe von selektiven Elektroden für die drei zu messenden 45 Parameter eingesetzt sind, und dass diese selektiven Elektroden zur Ermittlung der genannten Messwerte verwendet werden.

Diese selektiven Elektroden sind an ein Analyseinstrument angeschlossen, welches die ermittelten Messwerte anzeigt.

Die Durchführung der Blutgasanalyse gliedert sich in drei 50 methodische Teilbereiche:

1. Die Feststellung der charakteristischen Eichwerte der Elektroden, aüch kurz Eichung genannt;

2. Die Aufrechterhaltung der Messbereitschaft;

3. Die Durchführung der eigentlichen Messung. 53

Die Durchführung der eigentlichen Messung erfolgt in der ;

Weise, dass die Probe, welche entweder in einer dünnen Glaskapillare oder in einer üblichen Spritze enthalten ist, an ein Probeneinlaufteil angesteckt wird, und nach Betätigung eines Schaltelementes durch eine Bedienungsperson selbsttätigin die Mess- 60 zelle eingesaugt wird.

Es ist wesentlich, dass dabei erkannt wird, ob eine ausreichende Menge von Probematerial in der Analysen- bzw. Messzelle enthalten ist. Nach Ermittlung der Werte der von den Elektroden abgegebenen Signale werden die dementsprechen- 65 den Messwerte unter Zuhilfenahme der entsprechenden Eichwerte nach bekannten Verfahren berechnet und zur Anzeige gebracht.

Wesentlich für die Durchführung der Eichung und der Messung ist die Art und Weise, in der die Gleichgewichtssignalwerte der Elektroden ermittelt werden. Bei elektrochemischen Messfühlern im allgemeinen und bei den Elektroden für die Blutgasanalyse im besonderen werden stabile Gleichgewichtswerte in Kontakt mit einem Eichgas oder einer Probe nur verhältnismässig langsam erreicht. Dies deshalb, weil beim Übergang von einem stabilen Zustand in einen anderen, eine Reihe von hintereinandergeschalteten Vorgängen der Diffusion und chemischer bzw. elektrochemischer Reaktionen ablaufen und in ein neues Gleichgewicht kommen müssen. Üblicherweise wird mit Hilfe der Messinstrumente, welche elektrochemische Elektroden zur Feststellung des stabilen Gleichgewichtssignals verwenden, geprüft, ob die Signaländerung pro Zeiteinheit ein bestimmtes Mass unterschreitet. Im Zeitpunkt des Unterschreitens der vorgegebenen Signaländerungsgeschwindigkeit wird das Signal als Gleichgewichtssignal angesehen und als Gleichgewichtswert übernommen. Dies bedingt bei bekannten Analysatoren eine verhältnismässig lange Wartezeit, bis sich ein Gleichgewichtswert einstellt. Da sich während des Einstellvorganges noch durch sekundäre Effekte bewirkte Driftphänomene überlagern können, ergibt sich neben dem erwähnten Nachteil der langen Messdauer auch noch ein weiterer Nachteil in einer Unsicherheit des Messergebnisses.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diese Nachteile zu beheben.

Dies wird durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 erreicht.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Um das vorliegende Verfahren leichter verstehen zu können, ist zunächst näheres über die einzelnen bereits erwähnten Teilbereiche der Blutgasanalyse sowie über die technischen Mittel zur Durchführung derselben zu sagen.

Zur Messung des pH-Wertes einer Blutprobe dient üblicherweise eine Zusammenstellung, bestehend aus einer pH-empfind-lichen Gaselektrode und einer Referenzelektrode. Der sensitive Teil der pH-empfindlichen Gaselektrode ist in einer Messzelle so angeordnet, dass er mit der Probe in Kontakt gebracht werden kann. Die Referenzelektrode, die keinerlei pH-Sensitivität aufweist, steht mit der Probe in der Messzelle über einen elektrolytischen Kontakt in Verbindung. Eine derartige Referenz-Elektrodenanordnung wurde beispielsweise in der Österreichischen Patentschrift 321 868 beschrieben. Durch Kontakt dieses Elektrodensystems mit einer Probe entsteht eine elektrische Spannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden, die dem pH-Wert der Probe proportional ist. Da bei derartigen Elektrodensystemen ein linearer Zusammenhang zwischen der erzeugten elektrischen Spannungsdifferenz und dem pH-Wert über einen weiten pH-Bereich besteht, kann eine Eichcharakteristik des Elektrodensystems dadurch ermittelt werden, dass dieses Nacheinander mit zwei Pufferlösungen mit unterschiedlichem pH-Wert in Kontakt gebracht wird und die entsprechenden Spannungsdifferenzen an den Elektroden gemessen werden. Bei Kenntnis der Eichcharakteristik ist es dann möglich, einen unbekannten pH-Wert einer Probe durch Messung der Spannung an solchen Elektroden zu ermitteln.

Zur Messung des Partialdruckes von im Blut gelöstem C02 (PC02) wird eine C02-sensitive Elektrode verwendet, wie sie beispielsweise von Stow und seinen Mitarbeitern im Archiv für physikalische Medizin und Rehabilitation Band 38 (1957) beschrieben wurde. Eine derartige Elektrode erzeugt im Kontakt mit einer Flüssigkeit oder einem Gas mit bestimmtem C02-Gehalt eine elektrische Spannung, die dem Logarithmus des PC02-Wertes proportional ist. Auch für diese Elektrode wird eine Eichcharakteristik festgelegt. Dies geschieht dadurch, dass die Elektrode nacheinander mit 2 Gasen mit verschiedenem C02-Gehalt (vorzugsweise etwa 5 % und 10 % C02) in Kontakt

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gebracht wird, und dass die erzeugte elektrische Spannung an der Elektrode gemessen wird.

Eine sensitive Elektrode für die Messung von Sauerstoff in einer flüssigen oder gasförmigen Probe wurde erstmals von Clark im Journal of Applied Physiology, Band 6 (1953) beschrieben. Die dort beschriebene Elektrodenanordnung zur Messung des Sauerstoffs mit Hilfe des polarographischen Verfahrens wird in verschiedenen konstruktiven Varianten auch heute noch allgemein angewandt. Durch Reduktion von Sauerstoffmolekülen, die durch Diffusion durch eine sauerstoffpermeable Membran in die Elektrode gelangen, entsteht in der Elektrode ein elektrischer Stromfluss, der dem Diffusionsfluss von Sauerstoffmolekü-len zur Elektrode und damit unter gewissen Voraussetzungen dem Partialdruck von Sauerstoff in der Probe proportional ist. Durch eine Reihe von sekundären elektrochemischen Vorgängen besteht allerdings auch dann noch ein sehr geringer Rest-stromfluss an der Elektrode, wenn diese mit einem sauerstofffreien Medium in Kontakt ist. Dieser Reststrom wird für eine bestimmte Elektrode im allgemeinen mit Hilfe eines sauerstofffreien Gases bestimmt. Daraus ergibt sich wiederum ein Punkt einer Eichcharakteristik. Der zweite Eichpunkt wird mit Hilfe eines Gases von bestimmten Sauerstoffgehalt (vorzugsweise 20 % Sauerstoff) ermittelt. Wie bei den oben beschriebenen Elektroden lässt sich nach Kenntnis der Eichcharakteristik aus der Messung des Elektrodenstroms nun wiederum ein unbekannter Sauerstoffpartialdruck bestimmen.

Ein Analyseninstrument zur Durchführung der Blutgasanalyse , an welches die besprochenen Elektroden angeschlossen ist, enthält folgende Baugruppen:

- Eine Messkammer zur Aufnahme der obengenannten Elektroden, in der die sensitiven Teile der Elektroden mit den Eichgasen, den Eichpufferlösungen und den Proben in Kontakt gebracht werden können. Der Probenraum einer solchen Messkammer, wie sie etwa auch in der Österreichischen Patentschrift 6A1954/75-2 beschrieben ist, besteht aus isolierendem Material. Da die Blutgasmesswerte in ihrem absoluten Wert von der Temperatur abhängen, bei der die Messung vorgenommen wird, hat die Messzelle eines Blutgasanalysators eine Thermostatisier-vorrichtung, mit deren Hilfe die Messung vorzugsweise bei einer Temperatur von 37° C durchgeführt wird. Bei gewissen Ausführungsformen umgibt ein temperierter Wassermantel zwecks der Temperaturkonstanthaltung die aus isolierendem Material bestehende Probekammer. Bei anderen Ausführungsformen und vorzugsweise auch bei der hier beschriebenen Einrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens umgibt ein erwärmter und temperaturgeregelter Metallkörper den Probenraum.

- Zur Durchführung der Eichung der Elektroden und zur Durchführung der Messung sind Vorrichtungen erforderlich, die es erlauben, die Messzelle mit Eichgasen, Eichpufferlösungen und Proben zu beschicken und die Elektroden mit diesen Medien in Kontakt zu bringen. Diese Aufgabe wird bei bekannten Blutgasanalysatoren in verschiedener Weise gelöst. In einer bevorzugten Ausführungsform "wird dies dadurch vorgenommen, dass der Eingang und Ausgang der Messzelle dicht mit einem drehbaren Ring verbunden ist, an dessen Peripherie sich eine Reihe von Anschlüssen befinden, die durch Drehung des Ringes wahlweise mit dem Eingang bzw. Ausgang der Messzelle verbunden werden können. Dadurch können die in nachstehender

Tabelle angeführten Verbindungen zwischen dem Eingang bzw. dem Ausgang der Messzelle und weiteren Bauteilen der Analysenvorrichtung hergestellt werden.

Eingang Ausgang

Probeneingabevorrichtung Schlauchpumpe

Vorratsgefäss für 1. Pufferlösung Schlauchpumpe

Vorratsgefäss für 2. Pufferlösung Schlauchpumpe

Vorratsgefäss für Waschwasser Saugpumpe frei Saugpumpe

Vorrichtung zur Bereitung des 1. und 2. Eich gases frei

Vorrichtung zur Bereitung des 3. Eichgases frei

5 Verbindungen zwischen dem Eingang und Ausgang der Messzelle und weiteren Bauteilen der Analysenvorrichtung.

— Eine Vorrichtung zur Bereitung von Eichgasen. In vielen Fällen werden in Tanks abgefüllte Eichgse mit vorbestimmter Konzentration an Sauerstoff und C02 dem Analysator zugeführt.

io Es sind jedoch, insbesondere durch die Österreichische Patentschrift 300 423 Vorrichtungen offenbart, die die Bereitung von Eichgasen für Blutgasanalysatoren aus Einfach- und Primärgasen (etwa Luft und reinem C02) erlauben. Für die bevorzugte Ausführungsform eines Analysators werden drei Eichgase aus

15 Luft und reinem C02 mit Hilfe einer Vorrichtung gemäss der obengenannten Österreichischen Patentschrift bereitet. Die ungefähre Zusammensetzung dieser Eichgase ist aus der nachstehenden Tabelle ersichtlich.

20 Zusammensetzung von Eichgasen für die Blutgasanalyse: Nr. C02 02

1 5,5% 19,9%

2 11% 18,6%

3 100%

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— Vorrichtung zur Reinigung der Analysenzelle nach erfolgter Messung sowie zum Einführen der Probe in diese. Derartige Vorrichtungen sind etwa in der in der Zeitschrift «Der Anästhesist» Band 15 (1966) erschienenen Veröffentlichung von Grabow

30 unter dem Titel «Eine Elektrodenanordnung für schnelle Blutgasanalysen» beschrieben.

— Elektronische Einrichtungen zur Steuerung des Analysenablaufs sowie zur Messung der elektrischen Signale der Elektroden, zur Speicherung der charakteristischen Eichwerte und zur

35 Berechnung der Messwerte einer Probe aus den Signalen der Elektrode und den aus einer vorangegangenen Eichung ermittelten charakteristischen Eichwert.

Einleitend ist bereits gesagt worden, dass sich die Durchführung der Blutgasanalyse in drei Phasen gliedert.

40 Der Eichvorgang seinerseits gliedert sich weiter in die im folgenden beschriebenen Schritte:

a) Ermittlung des Nullpunktsignals der Sauerstoffelektrode; als dieses Signal dient der Elektrodenstrom, der sich einstellt, wenn die Elektrode in der Messzelle mit dem Eichmass 3 in

45 Kontakt ist;

b) Ermittlung des Spannungswertes des pH-Elektrodensystems bei Kontakt mit dem Eichpuffer 2. Diese Eichung wird mehrmals hintereinander ausgeführt zur Prüfung, ob sich wiederholbar mit ausreichend geringen Differenzen derselbe Eichwert

50 einstellt;

c) Ermittlung des Spannungswertes am pH-Elektrodensystem bei Kontakt mit dem Eichpuffer 1. Dieser Schritt wird ebenfalls mehrmals ausgeführt zur Prüfung der Wiederholbarkeit;

55 d) Ermittlung des Spannungswertes an der C02-Elektrode bei Kontakt derselben mit dem Eichgas 2;

e) Ermittlung des Spannungswertes der C02-Elektrode sowie des Stromwertes der P02-Elektrode bei Kontakt der beiden Elektroden mit dem Eichgas 1.

60 Bei diesen Vorgängen wird jeweils überprüft, ob die ermittelten Werte innerhalb vorgegebener Grenzen liegen. Ebenfalls wird ermittelt, ob die Wiederholbarkeit der Werte innerhalb gewisser vorgegebener Toleranzen gewährleistet ist. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, wird ein entsprechendes Warnas signal gegeben.

Die Betriebsbereitschaft des Analysators ist gegeben, wenn die Vorratsgefässe für Eichpufferlösungen, für die Elektrolytlö-

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4

sung der Referenzelektrode, die Gefässe für das Waschwasser ' N ..

der Messzelle sowie das Abwasser von der Messzelle entspre- X— X - (X — X ) * •—

chende Pegelstände aufweisen. Diese werden zu gewissen Zeiten 2 2 i N 7*_, (1)

fortlaufend überwacht und bei Unterschreiten und bei Über- „ 1—-L )

schreiten der vorgegebenen Pegel Warnsignale ausgelöst. 5

; wobei die Zeitkonstante des i-ten Einstellvorganges ist.

Ebenso wird überwacht, ob die erforderlichen Eichgase vorhanden sind. Bei Druckverlust in den Eichgasleitungen sprechen ebenfalls Warnsignale an. Weiter ist es zur Aufrechterhaltung Die Gleichung deutet eine additive Überlagerung einer der Betriebsbereitschaft erforderlich, dass das Eichgas 1 durch 10 Anzahl von exponentiellen Einstellvorgängen an. Nach Ablauf die Messzelle ständig strömt, und dass die Signale der PCOi- und einer Latenzzeit xo ist der grösste Teil der Komponenten des POi-Elektroden laufend gemessen und abgespeichert werden. Einstellvorganges soweit abgeklungen, dass man den Weiterver-Bewegen sich diese Werte durch Drift an den Elektroden ausser- lauf dieses Einstellvorganges mit Hilfe des folgenden Ausdruckes halb gewisser vorgegebener Grenzen, werden wiederum Warnsi- als eine einzige Exponentialfunktion beschreiben kann:

gnale ausgelöst. 1S

Wie gesagt, erfolgt die Messung in der Weise, dass die Probe,

welche entweder in einer dünnen Glaskapillare oder in einer Â — X„ — (X„ — X, ) • Ä (2)

üblichen Spritze enthalten ist, an ein Probeneinlaufteil eines 4 1

Analysegerätes angesteckt wird und nach Betätigen eines Schaltelementes durch die Bedienungsperson wird die Probe selbsttätig 20 Es ist festgestellt worden, dass der Endwert entsprechend in die Messzelle eingesaugt. Nach Ermittlung der Werte der von dem neuen Gleichgewichtswert der Elektrode mit Hilfe der den Elektroden abgegebenen Signale werden die dementspre- folgenden Gleichung durch einen Computer berechnet werden chenden Messwerte unter Zuhilfenahme der bekannten Eich- kann:

werte nach bekannten Verfahren berechnet und zur Anzeige gebracht. ~

Wie bereits erwähnt, ist für die Durchführung der Eichung X.* X. — (X. )

und der Messung die Art und Weise wesentlich, in der die Werte ^ = X*2 1-t-l der Signale ermittelt werden, welche den jeweiligen Gleichge- 2 X^+X.j0 — 2« X.

wichtszustand der Messelektrode kennzeichnen. Üblicherweise

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ki i+2 " i+l wird bei Messinstrumenten, welche elektrochemische Elektro- 30

den verwenden, zur Feststellung des stabilen Gleichgewichtssi- In dieser Gleichung bedeuten X;, X;+i und Xi+2 drei Einzel-

gnals geprüft, ob die Signaländerung pro Zeiteinheit ein messwerte, welche nach Ablauf der Latenzzeit xo gemessen bestimmtes Mass unterschreitet. Zum Zeitpunkt des Unter- worden sind und zwischen welchen jeweils ein Zeitintervall Ax schreitens der vorgegebenen Signaländerungsgeschwindigkeit besteht.

wird das von der Elektrode abgegebene Signal als Gleichge- 35 Der Gleichgewichtswert kann auch mit Hilfe der folgenden wichtssignal angesehen und als der gesuchte Messwert über- Gleichung berechnet werden:

nommen. ~

Die in der beiliegenden Zeichnung wiedergegebene Kurve x _ x(Qq ) « XÇfro + 2 Af ) - X (fo, +Afr) zeigtden VerlaufeinesvoneinerElektrodeabgegebenenSignals 2 X(tfc> ) + X (3o + 2AÎ' ) - 2X(To +AT) '

X in Abhängigkeit von der Zeit x. 40

Wenn die Elektrode von einem Gleichgewichtswert Xi zu Durch konsequente Anwendung dieses Messwertermitt-

einem neuen Gleichgewichtswert X2 übergeht, verläuft das von lungsverfahrens bei jeder Eichung und Messung kann eine starke dieser Elektrode abgegebene Signal etwa so, wie dies durch die Verkürzung der für die Eichung und für die Messung erforderli-

folgende Gleichung angegeben ist: chen Zeitdauer erreicht werden.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Gewinnung eines für die Ermittlung von Messergebnissen bei Blutgasanalyse dienenden Gleichgewichtswertes aus Signalen, welche die jeweilige Messelektrode abgibt, 5 wenn sie von einem ihrer Gleichgewichtszustände in einen anderen übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung des Gleichgewichtswertes nur jene Signale angenommen werden , welche die Messelektrode erst nach Ablauf einer Latenzzeit (to) liefert, dass nach Ablauf dieser Latenzzeit jedoch nur jene 10 Signale der Messelektrode zur weiteren Verarbeitung übernommen werden, welche die Messelektrode in aufeinanderfolgenden und gleich langen Zeitabständen ( Ax) liefert, und dass aus drei in dieser Weise erhaltenen Signalen der gesuchte Gleichgewichts-wqrt gewonnen wird. 15
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale in einer Schaltungsanordnung zur Gewinnung des gesuchten Gleichgewichtswertes X2 verarbeitet werden, die die folgende Funktion realisiert:

X = X(frQ ) » XCi-o + 2AÏ ) - X2(te, +Afr) 20 2 X(3e, ) + X(3-o + 2A^) - 2X(TV +A^)

wobei X das von der Messelektrode abgegebene Signal, xo die Latenzzeit und Ax die gleich langen Zeitabstände bedeuten. 25
3. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beginn der Annahme der Signale ein gasförmiges oder flüssiges Medium mit der elektrochemischen Messelektrode in Kontakt gebracht wird, dass der Zeitpunkt des vollständigen Kontaktes der Messelektrode mit einer flüssigen Probe erkannt 30 wird, und dass noch erkannt wird, ob eine ausreichende Probemenge vorhanden ist.

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