DE2632931C3

DE2632931C3 - Polarografische Sauerstoffmessung

Info

Publication number: DE2632931C3
Application number: DE2632931A
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof. Dr.Med. 4600 Dortmund Kessler
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: KESSLER, MANFRED, PROF. DR., 8520 ERLANGEN, DE
Priority date: 1976-07-22
Filing date: 1976-07-22
Publication date: 1980-05-08
Also published as: DE2632931B2; CH627553A5; US4120770A; DE2632931A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur polarografischen Messung von Sauerstoff, iestehend aus einer Polarografieelektrode und einer Referenzelektrode.

Ist Sauerstoff chemisch oder physikalisch an eine Substanz gebunden, dann stellt sich ein Gleichgewicht zwischen freiem und gebundenem Sauerstoff ein, das bei Störungen durch Diffusionsvorgänge ausgeglichen werden muß. Diffusionsvorgänge sind jedoch langsam. Soll nun der Sauerstoffpartialdruck durch Polarografie des freien Sauerstoffs gemessen werden, dann muß der durch die Messung verbrauchte Sauerstoff durch Diffusion nachgeliefert werden. Das gelingt aufgrund der geringen Diffusionsgeschwindigkeiten nur unvollkommen, so daß sich ein Konzentrationsgradient im Meßmedium ausbildet, der am Meßort zu einem scheinbar niedrigen Partialdruck führt.

Zur Ausschaltung dieser Schwierigkeit sind eine Reihe von Verfahren entwickelt worden. So ist es bekannt, das Meßgut, wenn möglich, konvenktiv zu bewegen oder die Elektroden mit einer derart kleinen Meßfläche auszustatten, daß sich ein merkliches Diffusionsfeld gar nicht erst einstellt. Da weiterhin der Verlauf der Diffusionsfelder für verschiedenen Flächenformen der Elektrode gut bekannt ist, kann der zu niedrige Sauerstoffpartialdruck an der Meßfläche in Kauf genommen und durch Korrekturfaktoren ausgeschaltet werden (Grunewald, Diss. Marburg, 1966).

Weitere Schwierigkeiten ergeben sich aber, wenn der Sauerstoff in einem insbesondere stark veränderlichen Perfusionsstrom mitgeführt wird, wie beispielsweise in itiit Blut perfundiertem Gewebe.

In einem solchen Falle, wenn also das Einzugsgebiet der Elektrode in das Kapillarsystem reicht, ist auch durch Modellversuche nicht zu klären, wie groß der Sauerstoffpartialdruck im Gewebe tatsächlich ist, so daß

auch keine Korrekturen nachträglich möglich sind.

Um in diesem wichtigen Fall — dem Normalfall physiologischer Messungen — trotzdem messen zu können, ist es bekannt, gleichzeitig die Perfusicin und den Sauerstoffpartialdruck zu bestimmen, um daraus die Perfusionseffizienz zu berechnen. Wird dabei der zur Messung benötigte Sauerstoff, d. h. also die Meßfläche klein gehalten und die Perfusion beispielsweise nach dem Thermostromverfahren nach Hensel gemessen,

ίο dann können beispielsweise transcutan zuverlässige Werte des Sauerstoffpartialdruckes gemessen werden, die dem arteriellen Sauerstoffpartialdruck im Kapillarnetz lokal entsprechen (DE-AS 22 55 879).
Nachteilig dabei ist, daß zur KJeinhaltung des Sauerstoff stromes Elektroden von wenigen μ² Meßfläche verwendet werden müssen, die eine geringe Langzeitkonstanz des Gebrauches haben. Werden andererseits Elektroden mit mehr als 100 μ² Meßfläche eingesetzt dann ist die Langzeitkonstanz zwar befriedigend, der durch die Perfusion hervorgerufene Diffusionsfehler ist jedoch nicht mehr tolerabel. Außerdem stellt die Vereinigung von Polarografiesonde und Thermosonde ein mechanisch komplexes und elektrisch anfälliges Bauteil dar.

Ein weiterer Ausweg zur Vermeidung der großen Trägheit von Diffusionsprozessen besteht in der Anwendung von Impulsverfahren (Pflügers Arch. 276/S. 415 ff.). Hierbei wird eine große Elektrode verwendet jedoch nicht der Sauerstoffpartialdruck im Gewebe

jo sondern in einer zwischen Gewebe und Elektrode liegenden Kammer gemessen, deren Sauerstoffpartialdruck im Gleichgewicht mit dem Gewebe steht Die Kammer wird durch die Messung entleert und muß in ihrer Größe genau auf die Meßfläche der Elektrode und die Meßdauer angepaßt sein. Die technischen Schwierigkeiten der Methode sind beträchtlich, so daß sie bisher nicht im größeren Maße verwendet wird.

Schließlich ist es bekannt die Perfusion durch die Methode der Wasserstoffclearance to messen (Pflügers Arch, 348/225). Hierbei wird zunächst durch ein Elektrodenpaar Wasserstoff erzeugt Dieser Wasserstoff wird durch den Perfusionsstrom ausgewaschen. Mißt man dabei polarografisch den Wasserstoffpartialdruck, dann kann aus dem Abfall des Wasserstoffpartialdruckes auf die P«· rfusionsrate geschlossen werden.

Es besteht somit die Aufgabe, eine Anordnung zu schaffen, die eine gute Langzeitkonstanz der Polarografieelektrode aufweist und die einfach in der Herstellung ist.

ω Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Umschalter vorgesehen ist, der die Elektrode nacheinander mit einer Spannungsquelle zur H₂-Erzeugung, einer Meßanordnung mit Anzeige zur polarografischen Messung des H2-Partialdruckes und einer Meßanordnung mit Anzeige zur polarografischen Messung des Oj-Partiaidruckes verbindet

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nunmehr der Sauerstoffpartialdruck mit hinreichender Genauigkeit mit einer großen und stabilen Elektrode meßbar ist, weil der aus der Perfusion herrührende Teil der Sauerstoffkonzentration bestimmbar ist, der durch den Diffusionswiderstand allein hervorgerufene Druckabfall aber konstant und durch Modellversuche zu ermitteln ist
In Weiterentwicklung der Erfindung ist das Meßsignal des H2-Partialdruckes einem veränderbaren Korrekturglied in der Anzeigeanordnung für den 02-Partialdruck als Korrektursignal zugeführt. Hiep durch ist eine Anzeige des Sauerstoffpartialdruckes

ermöglicht, die unabhängig von der Perfusion des gemessenen Gewebeteils ist.

In einer Fortentwicklung dieser Anordnung ist ein weiteres einstellbares Korrekturglied zur Korrektur des Diffusionswiderstandes des Meßobjektes vorgesehen.

Durch diese Fortentwicklung kann die Anordnung absolut auf den Sauerstoffpartialdruck geeicht werden.

Es ist ein weiterer Vorteil, wenn die Umschaltung periodisch und selbsttätig erfolgt, da eine solche Anordnung dann auch zur Überwachung, beispielsweise auf Intensivstationen und bei der Operation verwendbar ist

Hinreichend genaue Meßwerte sind dann ermöglicht, wenn die Taktzeit der Umschaltung für die C^-Messung, für die H2-Messung und für die ^-Erzeugung mehr als 20 sek und weniger als 3 Min. betragen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die vollständige Anordnung in schematischer Darstellung,

F i g. 2 eine Meßsequenz über der Zeit.

Eine Meßsonde 1 mit einer Polarografieeisktrode 2 von etwa 100 μ Durchmesser oder mehr und einer Referenzelektrode 3 ist mit einem Umschalter 10 verbunden, der die beiden Elektroden 2 und 3 nacheinander mit einer Spannungsquelle 101 von ca. 500-800 mV, einer polarografischen Meß- und Anzeigeanordnung für Wasserstoff 1000-100 und einer polarografischen Meß- und Anzeigeanordnung 1024-102 für Sauerstoff verbindet

Durch eine Verbindung 1001 wird das Meßsignal der Messung des Wasserstoffpartialdruckes einem Integrator 1020 zugeführt, dessen Signal immer dann über einen elektronischen Schalter 1021 einem Korrekturglied 1022 zugeführt ist wenn die Meßanordnung für Wasserstoff durch den Umschalter 10 mit der Sonde 1 verbunden ist Das Korrekturglied kann beispielsweise ein selbstregelndes Kompensationspotentiometer sein, das einen Korrekturwiderstand im Stromkreis des Anzeigeins' rumentes 1024 einstellt oder eine andere bekannte Regelanordnung. Diese Regelanordnung beeinflußt die Anzeige des Sauerstoffdruckes, wenn der Umschalter 10 auf die Meßanordnung für Sauerstoff 102 geschaltet hat Ein weiteres Korrekturglied 1023 ist von Hand einstellbar und gestattet die Korrektur der Diffusionswiderstände der gemessenen Gewebetypen /.

Diese werden dazu einmalig durch Versuche an nichtperfundiertem Gewebe bestimmt und stehen sodann als Tabelle für die /verschiedenen Faktoren >K\ bereit

In F i g. 2 ist zum Zeitpunkt f,die Spannungsquelle 101 zur Erzeugung von Wasserstoff eingeschaltet, so daß ein Strom /(101) von konstant 0,3 -1 μΑ in der Zeit ti+ι bis tj+2 fließt

Nach Erreichung stationärer Meßwerte zur Zeit t,-+1

ίο wird im Zeitpunkt ί,+j die Erzeugung von Wasserstoff unterbrochen, so daß eine Auswaschkurve P(IOO) durch die polarografischen Meßanordnung 100 zwischen der Zeit f/+2 und f_/+3 gemessen werden kann. Hierbei ist

P„

P(l(lO)dr

= K₁(J)

ίο wenn /der Perfusionsstrom des Blut?- ist Die Funktion Κι(ί} wird, da Ki unmittelbar als elektrische Spannung vorliegt zur Steuerung des Korrekturgliedes 1022 verwendet so daß, wenn bei i,+4 die polarografische Meßanordnung für Sauerstoff eingestellt ist, eine Korrektur des Sauerstoffmeßsignals P (102) erfolgt Hierbei ist Pi der Meßwert für den Fall, daß die Perfusion verschwindet Pi der wahre Sauerstoffpartialdruck, der vorliegen würde, wenn die Messung ohne Sauerstoffverbrauch erfolgen könnte. Durch das Kor-

jo rekturglied 1023 kann das Defizit P₃-Pi durch ·Κ\ ausgeglichen werden. P2 ist die tatsächliche unkorrigierte Anzeige bei Vorliegen von Perfusion. Dieser Wert schwankt, wenn lebendes Gewebe gemessen wird, weil die Mikrozirkulation autonom den physiologischen Bedürfnissen des Gewebes angepaßt wird. Die Korrektur des Sauerstoffüberschusses Pi-Pu der aus dem Perfusionszustrom stammt kann jedoch nur aus der Kenntnis der Perfusionsrate erfolgen, so daß das diese Rate charakterisierende Signal Ki aus der Wasserstoffmeßanordnung 100 zweckmäßig als Steuersignal der Regelstrecke 1022 für die Sauerstoffanzeige zugeführt ist Angezeigt wird schließlich dann der Wert Pk (102) des Sauerstoffpartialdruckes, der nach zweimaliger Korrektur mit den Korrekturfaktoren 'K, und K₂ entsteht und dem wahren Wert des S'nuerstoffpartialdruckes an der gemessenen Gewebestelle entspricht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur polarografischen Messung von Sauerstoff, bestehend aus einer Polarografieelektrode und einer Referenzelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter (10) vorgesehen ist, der die Elektroden (2,3) nacheinander mit einer Spannungsquelle (101) zur H₂-Erzeugung, einer Meßanordnung (100) mit Anzeige (1000) zur polarografischen Messung des H2-Partialdruckes und einer Meßanordnung (102) mit Anzeige (1024) zur polarografischen Messung des OrPartialdruckes verbindet

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal des H₂-Partialdruckes einem veränderbaren Korrekturglied (1022) der Anzeigeanordnung (1024) für den 02-Partialdruck als Korrektursignal zugeführt ist

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres einstellbares Korrekturglied (1023) zur Korrektur des Diffusionswiderstandes des Meßobjektes vorgesehen ist

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung selbsttätig und periodisch erfolgt

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktzeiten der Umschaltung zwischen 20 sei; und 3 Min. liegen.