DE2514478A1

DE2514478A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen des partialdruckes von gasen oder daempfen im blutstrom von tieren oder menschen

Info

Publication number: DE2514478A1
Application number: DE19752514478
Authority: DE
Inventors: Dawood Parker
Original assignee: GD Searle LLC
Current assignee: GD Searle LLC
Priority date: 1974-04-05
Filing date: 1975-04-03
Publication date: 1975-10-23
Also published as: US4005700A; CA1043125A; JPS50141186A; GB1509174A

Description

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DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATK HTANWlLTK D-8000 MDNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087

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G.D. Searle & Co., Ltd., High Wycombe, Buckinghamshire / England

Vorrichtung und Verfahren zum Messen des Partialdruckes von Gasen oder Dämpfen im Blutstrom von Tieren oder Menschen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Partialdruckes von Gasen oder Dämpfen im Blutstrom von Tieren oder Menschen und insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Messung von Sauerstoff (PO„) und Kohlenstoffdioxyd (PCO₂) im arteriellen Blut solcher Lebewesen. Die Erfindung betrifft weiter ein solches Verfahren.

Es gibt zahlreiche klinische Situationen, bei denen die Bestimmung des Partialdruckes von Sauerstoff, Kohlenstoffdioxyd oder Stickstoff oder der Druck von anderen Gasen im arteriellen Blut notwendig ist. Insbesondere sind derartige Messungen bei

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der Intensivbehandlung von Kindern oder Erwachsenen erforderlich. Gewöhnlich werden hierzu Blutproben in regelmässigen Zeitintervallen entnommen und der Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxyddruck des Blutes auf chemische oder elektrische Weise analysiert. Diese Verfahren sind insofern nicht ideal, da sie entweder für den Patienten Unannehmlichkeiten bereiten oder die Katheterisierung einer Arterie erfordern.

Neuerdings ist es möglich, den Sauerstoff und Kohlenstoffdioxyddruck des Blutes mittels feiner Messelektroden zu überwachen, die in.passende Arterien oder Venen eingesetzt werden. Mit diesen Verfahren lässt sich eine konstante Einstellung der Behandlung vornehmen, so dass die Gaszustände im Blut bei den gewünschten Werten gehalten werden. Diese Techniken sind jedoch nicht zufriedenstellendin Fällen, bei denen eine arterielle Katheterisierung aufgrund anderer Gegebenheiten nicht gerechtfertigt ist.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur überwachung des Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxydzustandes im Blut verwendet eine Oberflächenelektrode, die an die Haut des Objektes angelegt wird. Die Körperfäche des Objektes wird dabei erwärmt, um die Blutzirkulation in dem Bereich anzuregen, an dem die Elektrode angelegt ist. Der elektrische Strom wird dabei durch eine elektrochemische Reaktion.an der Elektrodenoberfläche mit dem Gas gesteuert, das aus dem Blut zur Körperoberfläche diffundiert 1st.Dieser Strom wird anschliessend gemessen. Dieses Verfahren beruht auf der Diffusion von Blutgasen aus der kapillaren Zirkulation unterhalb der Haut zur Hautoberfläche. Auf diese Weise gemessene Blutgase lassen auf die Gasdrücke in der kapillaren Lage unterhalb der Haut schliessen_# jedoch nicht auf die arteriellen Gasdrücke. Wird die Oberfläche der Haut jedoch auf etwa 43°C erwärmt oder werden gefässerweiternde Agentien an die Haut angelegt, so steigt der Blutfluss zu den Kapillarien derartig an, dass aufgrund des Gewebestoffwechsels eine nur geringe Änderung in seinen Gasdrücken erfolgt. Daher geben die auf nicht-invasive Weise an der Haut -

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Oberfläche gemessenen Gasdrücke die Verhältnisse bei den arteriellen Gasdrücken wieder.

Ziel der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, bei denen eine arterielle Katheterisierung nicht erforderlich ist, und bei denen von einer elektrochemischen Reaktion nicht Gebrauch gemacht wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe vorrichtungsmässig gelöst durch einen Grundkörper mit einer Begrenzungswand, die an die Haut des zu messenden Objektes angelegt werden kann_yund mit einer inneren Sammelkammer, in der die Gase oder Dämpfe, die durch den von der Begrenzungswand definierten Hautbereich diffundieren, gesammelt werden, durch eine Heizeinrichtung im Grundkörper zurErwärmung des Hautbereiches, und durch einen Auslass aus der Sammelkammer, durch den die in der Kammer gesammelten Gase oder Dämpfe zu einem Analysierinstrument ableitbar sind.

Die Sammelkammer kann dabei bei einer verringerten Temperatur liegen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man an die Haut des Objektes die Begrenzungswand einer Sammelvorrichtung anlegt, einen durch die Begrenzungswand definierten Hautbereich erwärmt, in der Sammelvorrichtung die Gase oder Dämpfe sammelt, die durch den Hautbereich diffundiert sind, die Gase oder Dämpfe aus der Sammelvorrichtung abführt und zu einem Analyseinstrument leitet und die Verhältnisse und Änderungen in den Verhältnissen der Bestandteile der Gase oder Dämpfe misst.

Obschon das Hauptanwendungsgebiet der Vorrichtung in der Messung von Blutgasdrücken liegt, gibt es auch andere Substanzen, die

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van der Haut des Objektes freigegeben werden. Diese Substanzen verdampfen, wenn sie in der Sammelkammer einem niedrigen Druck ausgesetzt werden und lassen sich durch ein Massenspektrometer messen. Aus Gründen der Einfachheit sind derartige Dämpfe mit unter den Begriff "Gase" nachfolgend eingeschlossen.

Da sich die Vorrichtung in inniger Berührung mit der Haut zum Sammeln der durch die Haut innerhalb der Umgrenzungen der Vorrichtung diffundierenden Gase anordnen lässt, ist es wesentlich, dass die Begrenzungswand mit der Haut eine im wesentlichen luftdichte Berührung annimmt, so dass das Innere der Vorrichtung gegenüber der Aussenatmosphäre isoliert ist; dies kann beispielsweise mittels eines doppelseitig klebenden Ringes, wie er gewöhnlich bei Elektrokardiogramm-Elektroden verwandt wird, erzielt werden. Die durch die Haut diffundierenden Gase werden dann in der Sammelkammer gesammelt und zu einem Analyseinstrument, wie beispielsweise ein Massenspektrometer abgeleitet. Die innerhalb der Umgrenzungswand enthaltene Haut und die Gase in der Sammelkammer können durch eine Heizeinrichtung in der Umgrenzungswand erwärmt werden. Eine Temperaturmesseinrichtung, wie beispielsweise ein Thermistor kann vorgesehen und mit einer ausserhalb liegenden Einheit verbunden werden, durch die sich die Temperatur konstant halten lässt, indem die dem Heizelement zugeführte Energie gesteuert wird. Durch die Erwärmung der mit der Haut in Berührung stehenden Oberfläche der Vorrichtung wird die Blutzirkulation durch die Kapillaren in der Nähe der Vorrichtung erheblich verstärkt, so dass sich der Sauerstoffdruck in dem unmittelbar unter der Hausoberfläche liegenden Gewebe an den Druck im arteriellen Gewebe annähert. Aufgrund dieses hohen Sauerstoffdruckes kann die Diffusion von Sauerstoff aus den Kapillaren durch die Hautoberfläche stattfinden, wobei dieser Sauerstoff gesammelt und im Massenspektrometer analysiert wird. Dasselbe Prinzip vollzieht sich auch bei Kohlenstoffdioxyd und anderen Gasen, wie

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beispielsweise Anästhesiegasen, die im Blute des Objektes aufgelöst sein können. Dies Sammelkammer der Vorrichtung sollte ein sehr geringes Volumen im Vergleich zu dem von ihr eingenommenen Hautoberflächenbereich haben, so dass geringe Änderungen im Gasdruck erfasst werden können.

Über die Frontfläche der Vorrichtung, die mit der Haut in Berührung steht, kann eine Membran angeordnet werden. Bei Verwendung einer Membran mit der gewünschten Permeabilität lässt sich eine selektive Diffusion von interessierenden Gasen in die Sammelkammer vornehmen. Eine solche Membran verringert auch Fehler bei der Gasmessung, die durch Schwexssabsonderung von der Haut des Objektes verursacht werden. Es können gasdurchlässige Membrane, z.B. aus Silikongummi, P.T.F.S. oder Polypropylen, verwendet werden. So ist z.B. eine Silikongummimembran für Sauerstoff und in grösserem umfang für Kohlenstoffdioxyd durchlässig, so dass diese Gase in die Kammer hineingelangen können. Die Sammelkammer kann mit einem gasporösen Material, wie beispielsweise Sinterglas oder Sintermetall gefüllt oder teilweise gefüllt sein. Eine solche Füllung schafft einmal ein verringertes Kammervolumen und damit eine Verringerung von "totem Raum" in der Vorrichtung, und zum anderen dient sie zum Tragen der Haut sowie, falls vorhanden, der Membran, wenn diese der Saugwirkung von einem Massenspektrometer ausgesetzt ist.

Es ist nicht wesentlich, dass die in die Sammelkammer eindiffundierten Gase zu einem Massenspektrometer geleitet werden, obgleich ein solches Instrument deshalb bevorzugt wird, da es eine grosse Empfindlichkeit mit einem niedrigen Gasbedarf verbindet -Des weiteren lassen sich unterschiedliche Gase gleichzeitig messen, so dass demzufolge die Blutdrücke dieser Gase gleichzeitig mit einer Vorrichtung überwacht werden können. Z.B. kann möglicherweise eine Vorrichtung, wie beispielsweise

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das Medspect (Scientific Research Instruments) eingesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur in der Zeichnung stellt einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung dar.

Die gezeigte Vorrichtung umfasst einen kreisförmigen, scheibenartigen Körper 1, der aus irgendeinem passenden Material, wie beispielsweise Aluminium, Stahl, Nylon oder anderen Kunststoffen hergestellt werden kann. Der Körper 1 weist eine zentrale Kavität oder Ausnehmung auf, die mit einer Auskleidung 2 aus einem thermisch isolierenden Material, bei dem es sich um Nylon oder Keramik handeln kann, bestückt ist. Innerhalb dieser Auskleidung ist eine zentrale, hohle, zylindrische Anordnung 3 aus Aluminium, Stahl oder Kupfer eingesetzt. Diese Anordnung bildet eine zentrale GassammeIkammer 4 und sie weist ferner eine umfängliche Ausnehmung auf, die eine elektrische, durch die Zuleitungen 5a gespeiste Heizspirale 5 enthält. Die zentrale Anordnung 3 ist ferner mit einem inneren, porösen Träger 6 ausgestattet, der aus gesintertem Glas oder vorzugsweise einem porösen Material, wie beispielsweise gesinterter, rostfreierStahl oder gesinterte Bronze, bestehen kann.

Über die äussere Oberfläche des porösen Trägers 6 und über die benachbarte Oberfläche des Körpers 1 ist eine gasdurchlässige Membran 7 gespannt, die durch eine ringförmige Kappe 8 gehalten wird. Die Kappe 8 kann im Schnappsitz einaiWulst 9 am Körper 1 hintergreifen. Die Kappe bildet eine Begrenzungswand des Körpers, die in Berührung mit der Haut des Patienten gebracht werden kann. In einer Nut im Körper 1 ist weiter ein gewöhnlich aus Neopren bestehender Ο¹*Ring so angeordnet, dass er die Membran 7 gegenüber

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der Innenseite der ringförmigen Kappe 8 abdichtet.

Aus dem Innenraum der Sairatielkammer 4 führt eine Rohrleitung 11, deren Wand gegenüber den Gasen undurchlässig ist, zu einem Massensprektrometer 12 oder einem anderen, geeigneten Analyseinstrument, das eine partielle Gasdruckdifferenz aufrechtzuerhalten vermag.

In der zentralen Anordnung 3 ist: ein Thermistor 13 angeordnet, der mittels der Thermistorzuleitungen 13a an einen Steuerschaltkreis 14 angeschlossen ist. Die Zuleitungen 5a zur elektrischen Heizspirale 5 sind ebenfalls an den gleichen Steuerschaltkreis 14 angeschlossen, der so aufgebaut ist, dass er die Temperatur des Körpers der Vorrichtung in der Berührungszone mit der Haut bei etwa 43°C hält.

Ein zweiter Thermistor 16, der innerhalb einer Kavität 18 im Körper 1 durch ein geeignetes Material 17 thermisch isoliert angeordnet ist, wobei jedoch sein Messelement nahe der Membran liegt, misst die Hauttemperatur des Objektes, wobei diese Messung durch ein Anzeigeinstrument 15 erfasst wird, das mit dem Thermistor 16 über die Thermistorzuleitungen 16a verbunden ist. Diese Möglichkeit erweist sich als sehr wertvoll, wenn das mit der Vorrichtung behaftete Objekt an einer beträchtlich herabgesetzten peripheren Perfusion leidet und transkutane Gasmessungen nicht für den arteriellen Zustand kennzeichnend sind. Das Vorliegen eines solchen Umstandes muss festgestellt werden, damit beispielsweise eine fehlerhafte Beurteilung des Sauerstoffes vermieden wird. Unter derartigen Bedingungen wird die durch die Haut des Objektes wegbeförderte Wärme aufgrund des Abfalls in der peripheren Blutzirkulation verringert werden, wobei dies wiederum zu einer Temperaturzunahme führt, die am Instrument 15 angezeigt wird. Eine solche Anzeige gibt ein Warnsignal dafür, dass die vom Spektrometer 12 abgegebenenErgebnisse

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falsch sind oder falsch sein können.

Beim Einsatz wird die Membran 7 und die durch die Oberfläche der Kappe 8 gebildete Begrenzungswand fest gegen die Haut des Objektes gepresst, um die Sammelkammer 4 luftdicht abzuschliessen. Die Vorrichtung wird an der Haut des Objektes, beispielsweise durch einen Klebstreifen abgedichtet. Die Haut des Objektes als auch das Gas in der Kammer 4 werden mittels Zuleitung von elektrischem Strom durch die Heizleitungen 5a aufgewärmt. Die durch diese Erwärmung erreichte Temperatur wird durch den Thermistor 13 gemessen und durch den Schaltkreis 14 gesteuert, während die tatsächliche Hauttemperatur vom Thermistor 16 erfasst und vom Instrument 15 überwacht wird. Die durch den von der ringförmigen Kappe 8 definierten Hautbereich diffundierenden Gase gelangen in die Kammer 4 und werden über die Leitung 11 zum Analyseinstrument 12 geführt. Danach lassen sich die einzelnen Gase in der Gasmischung und Änderungen hinsichtlich der Verhältnisse der verschiedenen erfassten Gase analysieren.

Aus diesen Messungen ist es möglich, einen brauchbaren Hinweis auf die Höhe des arteriellen Sauerstoffes und anderer Gase zu erhalten,und weiter lassen sich Veränderungen in der Höhe dieser Gase im Blut erfassen.

Es versteht sich, dass die Verwendung von einem elektrischen Widerstandsheizelement, wie beispielsweise der Spirale 5, nicht wesentlich ist, da andere Erwärmungsweisen vorgesehen werden können.

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Claims

25UA78 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Messen des Partialdruckes von Gasen oder Dämpfen im Blutstrom von Tieren oder Menschen, gekennzeichnet durch einen Grundkörper (1) mit einer Begrenzungswand, die an die Haut des zu messenden Objektes angelegt werden kann, und mit einer inneren Sammelkammer (4), in der die Gase oder Dämpfe, die durch den von der Begrenzungswand definierten Hautbereich diffundieren, gesammelt werden, durch eine Heizeinrichtung (5) im Grundkörper zur Erwärmung des Hautbereiches und durch einen Auslass (11) aus der Sammelkammer, durch den die in der Kammer gesammelten Gase oder Dämpfe zu einem Analysierinstrument (12) ableitbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einreichüung (13) zur Messung der Temperatur des Grundkörpers (1) der Vorrichtung, die mit einem elektrischen Steuerschaltkreis(14) zur Steuerung der Heizeinrichtung (5) verbunden ist, und durch eine Einrichtung (16) zur Messung der tatsächlichen Hauttemperatur des zu messenden Objektes, die mit einem Anzeigegerät (15) zur Überwachung der Temperatur verbunden ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Auslass (11) mit einem Massenspektrometer (12) verbunden ist, der unter einer partiellen Gasdruckdifferenz gehalten werden kann.

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4., Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An-■ Sprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Sammelkammer (4) eine durch einen porösen Träger (6) für den Hautbereich gebildete Wand aufweist, durch die die Gase oder Dämpfe in die Sammelkammer hindurchtreten können,

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass eine für die Gase oder Dämpfe vom Objekt durchlässige Membran (7) in Berührung mit dem porösen Träger (6) angeordnet ist, wobei die Membran durch eine ringförmige, am Grundkörper (1) angesetzte Kappe (8) gehalten ist, die die Begrenzungswand des Grundkörpers definiert.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Grundkörper

(1) eine zentrale,mit einem thermisch isolierenden Material

(2) ausgekleidete Ausnehmung aufweist und in der Ausnehmung eine zentrale,die Sammelkammer (4) bildende Anordnung (3) angeordnet ist, wobei die Anordnung das elektrische Heizorgan

(5) und den porösen Träger (6) enthält, wobei der Träger so angeordnet ist, dass er auf den Hautbereich aufgesetzt werden kann und einen Durchgang der Gase oder Dämpfe in die Sammelkammer. (4) erlaubt.

7. Verfahren zum Messen des Partialdruckes von Gasen oder Dämpfen im Blutstrom von Tieren oder Menschen, dadurch gekennzeichnet , dass man an die Haut des Objektes die Begrenzungswand einer Sammelvorrichtung anlegt, einen durch die Begrenzungswand definierten Hautbereich erwärmt, in der Sammelvorrichtung die Gase oder Dämpfe sammelt, die durch den Hautbereich diffundiert sind, die Gase oder Dämpfe aus der Sammelvorrichtung abführt und zu einem Analyseinstrument leitet und die Verhältnisse und Änderungen in den Verhältnissen der Bestandteile der Gase oder Dämpfe misst.

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Hautbereiches zusätzlich kontinuierlich überwacht wird.

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