DE2418397A1

DE2418397A1 - Elektrode fuer polarographische messungen in physiologischen medien

Info

Publication number: DE2418397A1
Application number: DE19742418397
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Phys Reichenberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-04-16
Filing date: 1974-04-16
Publication date: 1975-11-06
Also published as: DE2418397B2; FR2268265A1; GB1486520A; FR2268265B1; JPS50140189A

Description

Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 10. April 1974

Henkestraße 127

VPA 74/5043 Kue/Kal

Elektrode für polar.ogr-aphisehe Messungen in physiologischen Medien

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für polarographische Messungen in physiologischen Medien, insbesondere Sauerstoffelektrode zum Messen des Sauerstoffpartialdruckes im menschlichen oder tierischen Körper, die eine mit Isolierstoff ummantelt.:- Edelmetallkathode umfaßt, welche am distalen

Ende mit einem Anschluß für eine elektrische Versorgungs- sowie Anzeige- und/oder Verarbeitungseinheit versehen, und am proximalen Ende mit einer sauerstoffdurchlässigen, leitenden Membran überzogen sowie über das physiologische Medium mit einer Anode leitend verbunden ist (im Gegensatz zu den sog. Clark-Elektroden, wo Edelmetallkathode und Anode in einem gemeinsamen Elektrolytraum liegen, der durch eine sauerstoffdurchl: ·- sige, elektrisch isolier-Lude Membran vorn physiologische;, i-.odium getrennt ist).

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Durch den Artikel "The Measurement of Oxygen Tension in Tissues" von I.A.Silver, aus Symposion on Oxygen Measurement in Blood and Tissues and their Significance Churchill Ltd., London, I966, S. 1^5, sind z.B. bereits Elektroden für Sauerstoffpartialdruckmessungen (pO₂~Messungen) in Hirn, Muskeln und sonstigen Körpergeweben vorbekannt, bei denen als Kathode ein in einer Glaskapillare eingeschmolzener kurzer Platin- oder Golddraht verwendet ist, der zu einer Spitze von einigen /um (3 10 /Um) Durchmesser in einem gesonderten Arbeitsgang ausgezogen ist. Die Spitze kann mit einer sauerstoffdurchlässigen Membran bedeckt sein. Die Gegenelektrode, meist chlorierter Silberdraht, wird getrennt"von der Meßelektrode im Gewebe plaziert.

Ferner ist durch den Artikel "Catheter-Mounted Oxygen Electrode for Monitoring Oxygen Tension" von S. Shinmaru et. al. aus der Zeitschrift Cardiovascular Research Center Bulletin, April-June 1972, insbesondere Seite 112, eine weitere Elektrode dieser Art vorbekannt, bei der die Kathode durch ein winziges, an der Spitze eines Stahldrahtes angesetztes Goldstückchen gebildet ist. Stahldraht und Gold sind dabei in einem Isoliermaterial (Epoxy Cement) eingegossen, wobei die Vergußmasse zusätzlich noch mit einer weiteren Isolierschicht aus körperverträglichem Material (Teflon) ummantelt ist. Das proximale Ende dieser Elektrode (Goldspitze) ist mit einer sauerstoffdurchlässigen Membran abgedeckt.

Nachteilig ist, daß diese bekannten Elektroden einen relativ komplizierten und im Falle der Glaselektroden zudem auch noch zerbrechlichen konstruktiven Aufbau aufweisen. Der komplizierte konstruktive Aufbau bringt wegen der Vielzahl und Komplexität der erforderlichen Einselmontageschritte beim Zusammenbau der Elektroden erhebl' V /-rtigungstechnische Schwierigkeiten, die die Elektrode; ' gesamt verteuern und eine billige und einfache Massenfertigung verhindern.

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BAD OFIiGiNAL

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrode der eingangs genannten Art anzugeben, die wesentlich einfacher aufgebaut ist als die bekannten Elektroden und die sich damit besser als jene für eine problemlose und billige Massenfertigung bei guter Reproduzierbarkeit der Elektrodeneigenschaften eignet. Die Elektrode soll sich insbesondere für die störungsarme Langzeitüberwachung des Sauerstoffpartialdruckes im Organismus einsetzen lassen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Edelmetallkathode die Form eines Leitungskabelstückes mit ' wenigstens einem im Isolierstoff eingebetteten, durchgehenden Edelmetalldraht, vorzugsweise Golddraht, als Leitungsdraht aufweist.

Bei der Elektrode nach der Erfindung wird demnach als Grundmaterial für die Edelmetallkathode ein einfach (als Meterware kontinuierlich) herzustellendes Edelmetalldraht-Isolierkabel verwendet, von dem die Kathode beispielsweise im Schnittverfahren stückweise abzuschneiden ist. Die so gewonnenen Kabelschnittstücke brauchen dann lediglich proximal mit der sauersJDoffdurchlässigen Membran überzogen und distal mit den elektrischen Verbindungsleitungen für die elektrische Versorgungs- sowie Anzeige- und/oder Verarbeitungseinheit verlötet oder z.B. mittels übergeschobener Hülse verklemmt werden. Es ergibt sich somit also eine Elektrode, die in wenigen einfachen Arbeitsschritten montierbar ist, die somit auch billig ist und sich für eine Massenfertigung (bei guter Reproduzierbarkeit der Elektrodeneigenschaften) besonders gut eignet. Preiswerte Elektroden können als Einwegartikel für den einmaligen Gebrauch eingesetzt und nach Benutzung weggeworfen . werden.

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In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sollte die Edelmetallkathode ein mit einem Isolierlack, vorzugsweise einem Polyurethan, ummanteltes Edelmetalldrahtstück sein. Soll die bereits isolierte Edelmetallkathode zusätzlich noch mit einem Körperverträglichen Isoliermaterial ummantelt sein, so bietet sich neben der bisher üblichen Umspritzung mit körperverträglichem Kunststoff eine Ummantelung in der Weise an, daß die Edelmetallkathode zwischen wenigstens zwei Folien aus dem zusätzlichen Isoliermaterial eingebettet wird, welche Folien dann durch thermisches Verschweißen innig miteinander verbunden und anschließend durch thermoplastische Verformung od.dgl. z.B. in Rundform gepreßt werden. Auch diese Art des zusätzlichen Isolierens bedingt lediglich einen einfachen zusätzlichen Arbeitsgang, und fördert somit ebenfalls das angestrebte Ziel der einfachen und billigen Massenfertigung der Elektroden.

Vor Anbringung der sauerstoffdurchlassigen Membran am proximalen Ende der Edelmetallkathode sollte zum Zwecke der Erzielung einer definiertenGoldoberflache dieses Ende vorher vorzugsweise geätzt werden. Es empfiehlt sich dabei _den Ä'tzvorgang soweit durchzuführen, daß der Edelmetalldraht am proximalen Ende der Kathode gegenüber dem Isolierstoff zurückversetzt ist, d.h. daß sich eine Edelmetallaussparung gegenüber dem Isolierstoff am proximalen Ende ergibt. Diese Metallaussparung sollte anschließend mit einem Elektrolyten gefüllt und erst dann die Aussparung mit der Membran abgedeckt werden. Das Einbringen eines Elektrolyten in die Aussparung bringt insbesondere bei geeignetem Tulsbetrieb der Elektrode den Vorteil mit sich, daß die während der Meßphase auftretenden polarographischen Ströme weniger von den momentanen Diffu-sionseigenschaften der Membran abhängig sind. Bei längerer Lagerung der Elektroden in Kochsalzlösung kann der Elektrolyt auch durch Diffu-sion durch die poröse Membran mit physiologischer Na Cl-Lösung gefüllt werden. Eine Vorabfüllung der Auss- · :· : mit Elektrolytlösung vor Anbringen der Membran erübrigt : : H.nn.

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Die Applikation der erfindungsgemäßen Elektrode im Körpergewebe kann beispielsweise mit einer Injektionskanüle erfolgen, in die die Edelmetallkathode einlegbar und durch den Kanülenkolben in das Körpergewebe injizierbar ist. Bei Sauerstoffmessungen direkt in Blutgefäßen (Adern) empfiehlt es sich hingegen, die Elektrode als Katheter auszubilden und durch Einschieben des Katheters in das entsprechende Blutgefäß die Kathetermeßspitze dann am erwünschten Meßort zu plazieren .- Die Gegenelektrode (Anode) kann bei beiden Möglichkeiten wahlweise auf der Körperoberfläche oder im physiologischen Medium appliziert werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten-der Erfindung ergeben sich auf der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 bis K vier verschiedene Ausführungsbeispiele einer monopolaren Elektrode nach der Erfindung

Fig. 5 die Ummantelung einer Elektrode nach der Erfindung mit einem zusätzlichen körperverträglichen Isolierstoff in den hauptsächlichen Arbeitsgängen,

Fig. 6a bis 9c die Ausbildung einer Elektrode nach der

Erfindung als Katheter, wobei die jeweilige

Gegenelektrode entweder separat vom Katheter

im Blut bzw. auf der Hautoberfläche in der

Nähe der Meßstelle zu plazieren ist oder

zusammen mit der Kathode am Katheter angeordnet ist.

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Bei den Elektroden nach den Fig. 1 bis 4 ist als Grundmaterial für die Edelmetallkathode jeweils ein Rundkabelstück, bestehend aus einem Golddraht 1 sowie einer Isolierlackummantelung 2, z.B. aus einem Polyurethan,, verwendet. Der Golddraht 1 weist dabei einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 100 /um vorzugsweise 60/Um, auf. Die Teilsfcücke des Ka t ho dengrund materials sind Schnittstücke eines längeren, kontinuierlich zu fertigenden Golddraht-Isolationskabels (Meterware).

Im Ausführungsbeispiel nach der Pig. list das Grundkabelstück 1, 2 mit einer zusätzlichen Isoliermasse3aus körperverträglichem Isoliermaterial, z.B. Teflon, ummantelt. Das proximale Ende der Elektrode ist dabei auf eine Ebene abgeätzt und auf der abgeätzten Ebene eine sauerstoffdurchlässige Membran 4 aufgebracht. Als Membranmaterial kommen hierbei bevorzugt hydrophile und nur für kleine Moleküle und Ionen, nicht jedoch für Makromoleküle, wie z.B. Eiweiß, durchlässige Stoffe, wie vernetzte Polymethacrylate, Polystyrole oder Zelluloseacetate/ in Frage. Am distalen Ende des Golddrahtes 1 ist ferner die elektrische Verbindungsleitung l' zwischen Draht 1 und einer (nicht dargestellt ei) Versorgungs- sowie Anzeige - und/oder Verarbeitungseinheit zur Vorgabe des Elektrodenpotentials einerseits und zur Messung und Anzeige bzw. Verarbeitung der polarographischen Ströme andererseits angelötet oder mittels Hülse angeklemmt. Diese Art der Verbindung zwischen Signalleitung I¹ und Go:-üdrä-ht 1 gilt für sämtliche weiteren Ausführungsbeispiele entsprechend.

Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist bei der AusfUhrungsform nach Fig. 2 durch nachträgliches Herausätzen von Gold gegenüber dem Isolierstoff am proximalen Ende der Kathode eine Aussparung 5 angebracht, in der unmittelbar die Membran 4 eingecet-t ist. Die Ausführungabeispiele nach den FiQ. J5 und ^ we':/;_; entsprechende Aus^parun^c.-. 3 auf.

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Im Vergleich zur Ausführung nach der Fig. 2 enthält jedoch die Ausführung nach der Fig. 3 in der Aussparung 5 zwischen Golddraht 1 und der Membran 4 noch einen Elektrolytraum 6. Ein entsprechender Elektrolytraum 6 ist auch bei der Ausführung nach der Fig. 4 vorgesehen. Im Gegensatz zu den anderen Ausführungsformen ist hier die Membran 4 jedoch nicht mit in die Aussparung 5 eingesetzt, sondern deckt entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 wiederum das gesamte distale Ende der Elektrode ab. Entsprechend den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 3 können selbstverständlich auch die Kathoden nach den Fig. 2 und 4 ebenso mit einem zusätzlichen körperverträglichen Isoliermaterial, z.B. Teflon, ummantelt sein.

Die Fig..5 zeigt in einem Schnitt wiederum ein Teilstück des Elektrodengrundmaterials mit dem Golddraht 1 und dem Isolierlack 2. Das Drahtkabelstück 1, 2 ist hierbei zwischen Kunststoffolien 7 und 8., z.B. aus Teflon, eingelegt. Die Folien weisen bei einer Breite von etwa 500/um eine Dicke von etwa 50/Um auf. Die beiden Folien J, 8 werden an den Anlageflächen innig miteinander thermisch verschweißt. Nach Verschweißurig werden sie durch Erwärmen und Pressen in eine Rundform gebracht. Das in die Rundform gepreßte zusätzliche körperverträgliche Isoliermaterial entspricht dann der in den Fig. 1 und 3 aufgezeigten zusätzlichen Kunststoffummantelung 3·

In den Katheterausführungen nach den Fig. 6a bis 9c (Katheterspitzen im Längs- und Querschnitt·} sind Golddraht, Isolierlack sowie zusätzliches Isoliermaterial (das hier gleichzeitig das Kathetermaterial bildet) der Elektrode wieder mit den Kennziffern 1, 2 und 3 versehen. Entsprechend sind auch Membran sowie gegebenenfalls Elektrolyt wieder mit 4 bzw. 6 bezeichnet.

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Sämtliche dieser Ausführungsformen weisen ferner im Kathetermaterial einen Durchgangskanal 9 (Lumen) auf., der insbesondere zur zusätzlichen Abnahme von Blut- oder Gewebeproben oder wie z.B. in der Katheterausführung nach den Fig. 9^a bis 9° auch zur Spülung des proximalen Sauerstoffelektrodenendes mit einem Spülmedium, insbesondere Na Cl-Lösung, dient . Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6a, b sowie 8a,, b mündet dabei der Durchgangskanal 9 jeweils unmittelbar an der Katheterspitze neben der monopolaren Elektrode 1, 2, bei den Ausführungsformen nach den Fig. 7a, b und 9a bis c hingegen seitlich vor der eigentlichen Katheterspitze. Sämtliche Katheter nach den Fig. 7 a bis 9c weisen außerdem zur Verstärkung der Zugfestigkeit noch eine Textilseele 10 (Textilfaden) auf.

Die Elektroden der Katheter nach den Fig. 6a bis 7b sowie 9^a.> b ergeben zusammen mit einer z.B. auf der Hauptoberfläche zu plazierenden Gegenelektrode, insb. Ag/Ag Cl-Elektrode (die z.B. auch gleichzeitig zur Abnahme weiterer physiologischer Meßgrößen, wie z.B. EKG od.dgl., dienen kann), ein einfaches unipolares Meßsystem für den"Sauerstoffpartialdruck.

Ein entsprechend einfaches bipolares Meßsystem erhält man durch Anbringen der Gegenelektrode unmittelbar am Katheter. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8a, b besteht beispielsweise die Gegenelektrode aus einer Silberhülse 11. Die Zuleitung zu die:, '.r Gegenelektrode ist z.B. ein Kupfer- oder Stahldraht 12 mit der Isolierung IJ. Zur Kontaktierung wird hierbei der Draht 12 vor der Katheterspitze freigelegt, herausgebogen und anschließend die Silberhülse 11 über das freiliegende Drahtende übergeschoben und festgepreßt. Die Kontaktierung am distalen Ende kann durch Löten oder Anbringen eines entsprechenden Steckteils erfolgen. Der durch das Herausbiegen des Drahtes zwischen Gegenelektrode und Katheterspit~3 entstehende Hohlraum Ik vrird mit Kunststoff - verschlosser..

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Claims

Patentansprüche

1J Elektrode für polarographisehe Messungen in physiologischen Medien, insbesondere Sauerstoffelektrode zum Messen des Sauerstoffpartialdruckes im menschlichen oder tierischen Körper, die eine mit Isolierstoff ummantelte Edelmetallkathode umfaßt, welche am distalen Ende mit einem Anschluß für eine elektrische Versorgungs- sowie Anzeige-und/oder Verarbeitungseinheit versehen und am proximalen Ende mit einer sauerstoffdurchlässigen, leitenden Membran überzogen sowie über das physiologische Medium mit einer Anode leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmeta.llkathode (l, 2) die Form eines Leitungskabelstückes mit wenigstens einem Im Isolierstoff (2) eingebetteten, durchgehenden Edelmetalldraht (l), vorzugsweise Golddraht, als Leitungsdraht aufweist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallkathode (l, 2) als Schnittstück eines Edel-

metalldraht-Isolationskabels, vorzugsweise Rundkabels, ausgebildet ist.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, durch gekennzeichnet, daß die E-udmetallkathode (l, 2) ein mit einem Isolierlack, vorzugsweise einem Polyurethan, ummanteltes Edelmetalldrahtstück ist.
4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3 j bei der die bereits isolierte Edelmetallkathode zusätzlich noch mit einem körperverträglichen Isoliermaterial ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, da? die Edelmetall'kathoda (l, 2) zwischen W^n"] ;;ntsns zwei Fo¹ ': :.n ( ,', 8) aus dem zusl'tzliüi.ew Isoliermaterial eingebettet ist, welche Folien durch thermisches

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Verschweißen innig miteinander verbindbar und durch thermoplastische Verformung z.B. in Rundform (j5) preßbar., sind.
5- Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis K, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelmetalldraht (l) einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 100 /um, vorzugsweise 60 /Utn, aufweist.
6. Elektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodendurchmesser (1, 2) unter Berücksichtigung zusätzlicher Isolierschichten (z.B. j5) in der Größenordnung von 150 bis 25O /Utn liegt.
7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelmetalldraht (l) am proxirnalen Ende der Kathode, z.B. durch nachträgliches Herausätzen od. dgl., gegenüber dem Isolierstoff (2) zurückversetzt ist (Edelmetallaussparung gegenüber Isolierstoff).
8. Elektrode nach Anspruch 'J, dadurch gekennzeichnet, daß in der Edelmetall aussparung (5) die sauerstoffdurchlässige Membran (4) eingesetzt ist.
9. Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Elektrodendraht (l) und Membran (4) ein Elektrolyt (6), z.B. Na Cl-Lösung, eingelagert ist.
10. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9 j dadurch gekennzeichnet, daß der Edelmetalldraht (l) am distalen Ende unmittelbar mit elektrischen Anschlußleitungen (l¹) für die Versorgungs- sowie Anzeige- und/oder Verarbeitungseinheit versehen ist, z.B. die Leitungen am Edelmetalldraht angelötet oder angeklemmt sind.

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11. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine der Edelmetallkathode (l, 2) zugeordnete Injektionskanüle, in die die Kathode einlegbar und durch den Kanülenkolben in das Körpergewebe injizierbar ist.
12. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallkathode (l, 2) zur Einführung unmittelbar in den Blutkreislauf an einem Katheter angeordnet ist oder Bestandteil eines Katheters bildet.
13. Elektrode nach Anspruch 4 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Isoliermaterial (3) das Kathetermaterial bildet.
14. Elektrode nach Anspruch 12 oder I3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katheter einen Durchgangskanal (9) (Lumen) aufweist, der im besonderen zur Abnahme von Blutproben und/oder zur Spülung der proximalen Kathodenfläche dient, wobei zu Spülungzwecken das proximale Ende (9^!) des Kanals (9)'an der zu spülenden Kathodenfläche vorbei seitlich aus dem Katheter herausgeführt ist.
15. Elektrode nach einem der Ansprüche 12 bis l4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katheter eine zugfeste Textilseele (IO) aufweist.
16. Elektrode nach einem der Ansprüche 12 bis I5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katheter neben der Edelmetallkathode (l) wenigstens eine weitere Metallader (I2)aufweist, die als Zuleitung zu einer unmittelbar am Katheter angeordneten Anode (ll), z,B. SilberhUlse, dient.
17. Elektrode nc r^m der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß :·-' ntralen Führung der Edelmetallkathode (l, 2) im Blutgefäß nahe dem proximalen Katheterende ein über ein zusätzliches Lumer. -'bla.sbarer P· "lon, z.B. aus Gummi, angebracht ist. 509845/0960

BAD ORIQINAL