DE2645736A1

DE2645736A1 - Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren von messaufnehmern zur bestimmung von gasen

Info

Publication number: DE2645736A1
Application number: DE19762645736
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Leist; Peter Schluessel; Georg J Dipl Phys Ullrich
Original assignee: Hellige GmbH
Current assignee: GE Medical Systems Information Technologies GmbH
Priority date: 1976-10-09
Filing date: 1976-10-09
Publication date: 1977-11-03
Also published as: DE2645736C3; DE2645736B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren von
Meßauerdnungen mit Meßaufnehmern zur Bestimmung der Konzentration von Phasen Die Erfindung betrifft etI neues vereinfachtes Verfahren zum Kalibrieren von Meßanordnungen mit Meßaufnehmern zur Bestimmung und der Konzentration von Gasen, insbesondere mit beheizten Meßaufnehmern für die Bestimmung der Konzentration von Gasen im Blut. Solche Meßaufnehmer sind im allgemeinen durch eine Membran von dem Medium abgeschlossen, in dem gemessen wird, die aber für die zu messende Substanz durchlässig sein muss, Sie werden insbesondere für medizinisch-diagnostische 7wecke honutzt, z.B. um Bluteigenschaften festzustellen und daraus diagnostische Schlüsse zu ziehen. Vornehmlich hat die Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff im T3iut, des sogenannten pO2 -Wertes, eine große praktische Bedeutung in der Pädiatrie wie auch in anderen medizinischen Bereichen. Die F:rfindung wird daher im Nachfolgenden unter Zugrundelegung der Bestimmung des p02-Wertes im Blut mittels eines beheizten polarographischen Meßaufnehmers, der transkutan angesetzt wird, näher beschrieben.
Es ist bekannt, für die Bestimmung des pO2 -Wertes polarographische Meßwertaufnehmer nach Clark zu verwenden, mit welchen man durch die Haut hindurch, also transkutan, den Partialdruck des Sauerstoffs im Blut bestimmen kann. Durch eine thermostatische Beheizung des Aufnehmers wird die Hauthis auf eine bestimmte Temperatur, z.B. 44 C, erwärmt und dadurch hyperämisiert, so daß eine lokale Uberschußversorgung mit Sauerstoff entsteht.
Polarographische Meßwertaufnehmer sind indessen für die Messung zu kalibrieren. Zur p02-Bestimmung ist zum einen der bei eInem Sauerstoffdruck Null noch vorhandene Reststrom der Mess- bzw.
Verstärker-Anordnung zu kompensieren, und zum anderen ist dann die Messempfindlichkeit der Mess- bzw. Verstärker-Anordnung für einen gegebenen bekannten Sauerstoffdruck, vorzugsweise fiir den Parti aidrurk des Sauerstoffs in der Luft, bzw. die Verstärkung so einzustellen, daß dieser Partialdruck auch tatsachlich angezeigt wird. Dabei kann eine iterative Einstellung in mehreren Schritten notwendig werden.
Zu diesem Zweck wurden bisher zwei kleine, auf konstanter Temperatur - vorzugsweise der vorgesehenen Meßtemperatur am Patienten - gehaltene Wasserbäder benutzt, in die der Meßaufnehmer zur Reststromdompensation bzw. zum Verstärkungsabgleich einzubringen war. Ein Bad wurde von Luft oder einem anderen Gasgemisch bekannter Suerstoff-Konzentration, das andere von reinem Stickstoff durchströmt. Letzterer verdrängt den gelösten Sauerstoff aus dem betreffenden Bad, während im ersten Falle > eine der Zusammensetzung des Eichgases bzw. der Tuft entsprechende Menge Sauerstoff sich im Wasser löst. Bei diesem Kalibrierverfahren kann man praktisch mit einer völligen Wasserdampf sättigung (relative Luftfeuchtigkeit = 100%) und einem kenstanten Einfluss der Luftfeuchtigkeit rechnen, sodaß deren Wert nicht berücksichtigt werden muss, zumal auch beim Finsatz des Meßaiifnehmers zur eigentlichen Messung am Patienten annähernd die gleichen Bedingungen hinsichtlich der Luftfeuchtigkeit vorliegen. Dieses bekannte Verfahren ist aber im Aufbau und in der Handhabung umständlich und verlangt einen beträchtlichen apparativen Aufwand, da zusätzlich Thermostaten, Wasserbäder, Luftpumpen, Gasflaschen mit Armaturen und Verbindungsschläuche benötigt werden, was besonders den Einsatz am Patientenbett erschwert. Da der Meßaufnehmer zudem in ein Wasserbad getaucht werden muss, können auch schwer überschaubare Leck-Ströme die Messungen verfälschen.
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, das Verfahren zu vereinfachen, z.B. dadurch1 daß der polarographische Meßaufnehmer in eine Kammer gebracht wird, die von reinem Stickstoff bzw. von Luft oder einem Gasgemisch bekannten Sauerstoffgehaltes durchströmt wird, das mit Wasser befeuchtet ist, so daß eine relative Feuchte von 100% angenommen werden kann. Man kann auch die Raumluft selbst zur Kalibrierung benutzen, wenn deren relative Feuchte bekannt ist. Hierzu bräuchte man jedoch zusätzlich ein Hygrometer.
Der Nachteil dieser Verfahren ist die mangelhafte Definition des physikalischen Zustandes des Kalibriersystems. Entweder erfolgt der ganze Klibriervotgang bei Raumtemperatur. Dann sind Umrechnungen erforderlich auf die Meßtemperatur am Patienten.
Oder der Aufnehmer befindet sich auf der am Patienten vorgesehenen Meßtemperatur. Dann stellt sich ein Kleinklima unmittelbar vor dem Meßaufnehmer ein, was wiederum zu gewissen Annahmen und Korrekturrechnungen zwingt. Fs ist daher unmöglich, mit diesen Verfahren die gute Genauigkeif der oben beschriebenen, jedoch relativ aufwendigen Kalibrierung im Wasserhad zu erreichen.
Demgegenüber soll mit der Erfindung das Kalibrieren unter Beibehaltung guter Genauigkeit vereinfacht, der apparative Aufwand weitgehend reduziert und die routinemässige Anwendung der polarographischen Messwertaufnehmer vor allem in der medizinischen Diagnostik ermöglicht werden, ohne dass zusätzliche Rechenvor gänge die Arbeit erschweren und eine Fehlerquelle bilden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemass der Frfindung, die diese Aufgaben und Forderungen erfüllen, sind nach den Ansnriichen gekennzeichnet durch eine lokalisierte Anordnung von im Verhältnis zum Meßaufnehmer kleinen Kalibriervolumina, in welchen die bekannten Konzentrationswerte des zu bestimmenden Stoffes hergestellt und aufrechterhalten werden, unmittelbar über der eigentlichen Messzone des Aufnehmers und im wesentlichen unter räumlicher Beschrnnkung auf diese.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich die Anwendung zur Kalibrierung von polarographischen Aufnehmern fijr die transkutane pO2 -Bestimmung von Sauerstoff im Blut wird mit der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden naher erläutert.
Fig. 1 veranschaulicht die Mittel und Maßnahmen zur Kalibrierung bei einem Sauerstoffpartialdruck der atmospärischen Luft, Fig. 2 bei einem Sauerstoffpartialdruck Null.
Der Messwertaufnehmer 1, der bei der eigentlichen Messung mit seiner Frontfläche la auf die Haut des Patienten aufzusetzen ist, enthält, wie an sich bekannt (siehe Dt.AS 22 55 382), eine Messelektrode und eine Bezugselektrode eine elektrische Beheizungsvorrichtung und einen Temperaturfühlen zwecks Thermotasierung.
Diese Elemente sind über ein Kabel 8a an das Meßgerät 8 angeschlossen, welches die aufgenommenen polarographischen Mess-Signale verstärkt, den Heizstrom für den Messaufnehmer liefert und die Regelungsein richtung für die Thermostasierung enthält. Fizr das Kalibrieren kann es zweckmässig sein, eine Halterung 2 zu verwenden, die den Aufnehmer 1 teilweise so aufnimmt, dass dessen Frontfläche la nach oben weist und waagerecht verlauft. Diese umfasst in ihrer Mitte die vor der Messelektrode liegende Messzone 1b. Um die Umgebung mit bekannter Sauerstoffkonzentration unmittelbar auf den Raum über der Messzone zu beschränken, werden bei dem erfindungsgemässen Verfahren Lokaliz sierringe 3 bzw. 6 angewandt, die unter Freilassung der Messzone 1b auf die fläche la aufgebracht werden, und mit einer zentralen Öffnung 3a bzw. 6a den Raum über oer Messpone 1b freilassen, welcher Raum das Kalibriervolumen bildet. Zweckmässig ist der Tokalisierring 3 (oder auch 6) als Doppelklebering ausgebildet, um einen festen und dichten, das Entweichen des Wasserdampfes verhindernden Sitz zu gewähr3eisten. Sein zentrisches Kalibriervolumen wird mit einem wassergetränkten Filterpapierring (5) oder Schwamm ausgefüllt.
Die ganze Anordnung wird mit einer gut sauerstoffdurchlässigen, für Wasserdampf jedoch relativ undurchlässigen Schutzfolie 4, insbesondere aus Kunststoff wie Polyaethylen oder Polytetrafluoraethylen in einer Stärke von etwa 10 bis 50 um überdeckt. Sie verhindert während des Beheizen und der Thermostasierung des Anfnehmers das Austrocknen des feuchten Filterpapiers und gewährleistet die Aufrechterhaltung einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100% wie beim eigens liehen Messvorgang, wo die natürliche Hautfeuchtigkeit fiir diese Verhälthisse sorgt. Beim Kalibrieren wird im iibrigen eine hestinimte Temperatur, z.B. 450C an der Messzone ib, wie bei den eigentlichen Messingen, aufrechterhalten, indem die in den Aufnehmer 1 eingebaute Beheizungs- und Thermostasierungsvorrichtung in Betrieb gehalten wird. Nach Erreichen eines stabilen Zustandes wird die Verstärkung des Registriergerats bzw. die Empfindlichkeit der Messanordnung so eingestellt, daß der Partialdruck des Sauerstoffs in der Luft angezeigt wird, der sich aus dem Harometerstand ergibt und Z. B.
aus einem Diagramm oder einer Tabelle entnommen werden kann.
Der zweite Kalibrierschritt dient zur Kompensation des auch bei einem Partialdruck des Sauerstoffs des Wertes Null noch verbleibenden Reststrom der Messanordnung. Dazu werden die Ringe 3 und 4 vom Messaufnehmer entfernt und dafür ein Lodalisierring in der Form des 7-entrierringes 6 gemäss Fig. 2 auf die Frontfläche la aufgesetzt.
Dieser kann gegebenenfalls etwas anders Ausgebildet sein, z.P, eine etwas grössere Hhhe bzw. Dicke als der Klehering 3 haben, so dass das zentrische Kalibriervolumen 6a auch etwas grösser ist und eine wässrige Losllng, eine Paste oder einen Tropfen 7 aufnehmen karn.
der eine sauerstoffbindende Chemikalie, z. B. Natriumsulfit Na2 SO3 oder Natrinmdithionit Na2 S2 O4, in geeigneter Konzentration entbält. Zweckmässig ist der Lokalisierring 6 am Rande unter Bildung eines Kragens 6 d umgebördelt, damit er zentriert auf die Frontfläche aufgesetzt werden kann und das Kalibriervolumen 6a genau über der Messzone 1b zu liegen kommt. Bei dieser Reschränkung des Kalibriervolumens 6a auf den kleinen Paum unmittelbar aber der Messzone 1b ist gewährleistet, dass die sauerstoffbindende Chemikalie nur mit der Messzone in Berührung kommt, nicht aber in den Elektrodenraum gelangen kann. Der T ropfen 7 soll möglichst ohne Luftblasen vollständig die Messzone überdecken. Fr saugt alle Sauerstoffreste auf und verhindert auch das Durchdiffundieren des Luftsauerstoffs zur Messzone, so dass an der Messzone praktisch ein Partialdruck des Sauerstoffes vom Wert Null hergestellt wird. Der bei Erreichen dieses stationären Zustandes noch vorhandene und am Anzeigegerät R feststellbare Reststrom wird dann kompensiert, so daß dort auch Null angezeigt wird. Nun kann der Kalibriervorgang mit Luftsauerstoff noch einmal wiederholt werden, um die Ungenauigkeit zu beseitigen, die dadurch entsteht, daß durch die Reststromkompensation eine Nullpunktverlagerung stattgefunden hat gegeniiber der erstmaligen Durchführung der Kalibrierwung mit Luftsauerstoff.
Nach Beendigung der erforderlichen Kalibrierschritte, wie vorstehend besehrieben, die im Vergleich zu früheren Verfahren auch viel weniger Zeit beansnrvchen ist dann der Aufnehmer 1 und die gesamte Gerätekombination 1,8 zur transkutanen Messung des Sauerstoffgehaltes im Blut bereit. Dazu sind die bei der Irali brierung benötigten Lokalisierringe 3 und 6 zu entfernen und die Frontfläche la z. B. mit Saugpapier von Resten der sauerstoffbindenen Lösung 7 zu reinigen.
Der mit dem erfindungsgemässen Kalibrierverfahren erzielte Fortschritt gegenüber dem frtjheren Sfond der Technik ist offensichtlich und unmittelbar einzusehen. Es kommt nämlich zunächst ohne die Anwendung zusätzlicher Thermostaten, Wasserbäder, Luftpumpen, Hygrometer und Gasflaschen aus. nie Handhabung der einzelnen wenigen Verfahrensschritte ist äusserst einfach, nicht zeitraubend und nnkritisch. Zusätzliche, umständliche Berechnungen und der Umgang mit komplexen Diagrammen, sowie Korrekturen zur Berücksichtigung der Raumtemperatur, entfallen. Es besteht nicht die -efahrs dass sich Lösungsmittel in den Messraum des Messwertaufnehmers einschlei chen, wie es bei der Anwendung von Rädern mit sauerstoffbindender Lösung der Fall wäre. Die für das neue Messverfahren benötigten Zusatzelemente bestehen im wesentlichen aus einigen Ringen und Folienblättchen für den Meßaufnehmer und einem Fläschchen für die sauerstoffbindende Lösung, welches zubehör in einem kleinen Kalibriersatz bevorratet sein kann Besonders wichtig ist auch, daß die Einflüsse der relativen Luftfeuchtigkeit bei den einzelnen Kalibriervorgängen und bei der Messung nicht berücksichtigt werden müssen, weil bei allen Verfahrensschritten, und zwar auch bei Thermostasierung, die Messfläche sich praktisch in einer Umgebung mit 1OO0t,ciger Luftfeuchtigkeit befindet wie bei den Messungen. Das beschriebene Kalibrierverfahren ist nicht auf die anwendung zur transkutanen Bestimmung der Konzentration von Blutsauerstoff beschränkt, sonderr kann auch für die Bestimmung der Konzentration von anderen Blutgasen, wie Kohlendioxid, oder der Konzentration von sonstigen vom Blut gelösten bzw. Aufgenommenen Stoffen, wie Alkohol, in analoger, wenn auch an die speziellen chemischen Verhältnisse angepasster Weise: benutzt werden.
Die beschriebenen Vorzüge und Vorteile des neuen Kalibrierverfahrens von polarographischen Messwertaufnehmern für die transkutane Bestimmung der Konentration von Stoffen im Blut sind für eine routinemässige Anwendung im ärztlichen und Klinikbetrieb von hoher Bedeutung, weil die Handhabung nun unkompliziert und unkritisch ist, kein nennenswerter apparativer Aufwand für die Kalibrierung benötigt wird,und keine Umrechnungen erforderlich sind.

Claims

Ansprüche Verfahren zum Kalibrieren von Meßanordnungen mit Meßaufnehmern zur Bestimmung der Konzentration von Gasen, insbesondere mit beheizten, Meßwertaufnehmern für die transkutane Bestimmung der Konzentration von Gasen im Blut, indem der Aufnehmer (1) nacheinander in zwei Umgebungen mit verschiedener, aber bekannter Konzentration des zu bestimmenden Stoffes gebracht, das Meßgerät in Betrieb gesetzt und so einreguliert wird, daß es die jeweilig bekannten Konzentrationswerte anzeigt, gekennzeichnet durch eine lokalisierte Anordnung von Kalibriervolumina (3a, 6a), die klein sind im Vergleich zum Meßaufnehmer und in welchen die bekannten Konzentrationswerte des zu bestimmenden Stoffes hergestellt und aufrechterhalten werden, unmittelbar über der eigentlichen Meßzone (1@) des Aufnehmers (1) und im wesentlichen unter räumlicher Beschränkung auf diese.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kalibriervolumina (3a, 6a) eine Wasserdampfsättigung von 100% hergestellt und aufrechterhalten wird, indem wassergetänkte Schwämme oder Filterpapiere (5) in die Kalibriervolumina eingeligt und letztere mit diinnen Folien (4) abgedeckt werden.
3. Verfahren narh Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halibrierschritte bei einer Temperatur an der Meßzone (1b) wie bei den eigentlichen Messungen durchgeffihrt werden, indem die inden Aufnehmer (1) eingebaute Beheizungs- und Thermostasjerungsvorrichtung in Betrieh gehalten wird
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis s 3, gekennzeichnet.

durch Anwendung von Lokalisierringen (3 bzw. 6), die auf der die Meßzone (lb) umfassenden Frontfläche (id) des Aufnehmers unter Freilassung der Meßzone aufbringbar sind und eine Ringöffnung (3a, 6a) besitzen, die die Meßzone (1b) freilassen und die Kalibriervolumina bilden
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Einbringen von kleinen Mengen von Lösungen, Pasten, Gelen, getränkten Filtern (5)s getränkten Schwämmen oder Tropfen (7) unter wenigstens teilweiser Überdeckung der Meßzone (1b), zwecks Herstellung einer definierten Konzentration des zu bestimmenden Stoffes, in die Ringöffnungen bzw. Kalibriervolumina (3a, 6a), und gegebenenfalls durch Überdecken mit wasserundurchlässigen Schutzfolien (4).
6. Anwendung der Verfahren nach den Anspriichen 1 bis 5 zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff im Blut 7. Vorrichtung zur Durchfiihrung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch auf die Frontfläche (1 d) des Aufnehmers (1) aufbringbare Lokalisierringe (3 bzw.
6) mit einem etwa gleichen Durchmesser wie die Frontfläche und mit einer zentrischen Aussparunr (3a, 6a) oder Ringöffnug, die die Meßzone (1b) des Aufnehmers freilässt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzfolie (4) sauerstoffdurchlässig ist und aus einem Kunststoff wie Polyaethlen oder Polytetraflouraethylen besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprfiche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokalisierring () mittels eines kragenförmig umgebördelten Randes (6d) auf dem aufnehmer zentrierbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Anspräche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Halterung (2) zur Aufnahme des Meßaufnehmers (1) bei der Kaligrierung.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch Ausbildung der Lokalisierringe (3 bzw. 6) als Doppelkleberinge.