DE2758413A1

DE2758413A1 - Elektrodenanordnung zur sauerstoffmessung

Info

Publication number: DE2758413A1
Application number: DE19772758413
Authority: DE
Inventors: Bunji Hagihara
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-28
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE2758413C3; FR2376412B1; US4185620A; IT1090849B; GB1587880A; SE434437B; DE2758413B2; FR2376412A1; SE7714832L

Description

BÜNJI HAGIHARA, Suita, Osaka / Japan

Elektrodenanordnung zur Sauerstoffmesstmg

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung zur Sauerstoffmessung und insbesondere zur transkutanen Messung des Sauerstoff partialdruckes im arteriellen Blut. Bei der den arteriellen Blutsauerstoff transkutan messenden Elektrodenanmeldung {im folgenden auch kurz "transkutan messende Sauerstoffelektrode" genannt) handelt es sich um einen Mechanismus für die Ermittlung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut von einer Person über deren Haut, ohne dass direkt das Blut untersucht wird. Daher kann die Messung eingriffsfrei und ohne Verletzung eines Teiles des Körpers durchgeführt werden. Eine solche Elektrodenanordnung spielt daher eine wichtige Rolle bei der Sauerstoffüberwachung von Patienten, insbesondere neugeborenen Kindern. Bei Anlegen einer Elektrodenanordnung solcher Bauart an die Haut einer zu untersuchenden Person diffundiert der Sauerstoff im subkutanen Gewebe durch die Haut und gelangt über eine Elektrodenmembran zu einer Kathode aus

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Edelmetall, wo der Sauerstoff unter Schaffung eines elektrolytischen Stromes reduziert wird. Daher lässt sich der Sauerstoff part la ldruck im Gewebe aus dem Wert für den elektrolytischen Strom ermitteln. Wenn hierbei die über die Membran in Berührung mit der Elektrode stehende Haut auf eine möglichst hohe Temperatur in einem Temperaturbereich erwärmt wird, bei der die Haut nicht verbrennt, erfolgt eine lokale Durchblutung des subkutanen Gewebes nahe der Elektrode. Somit liegt der nach diesem Verfahren gemessene Sauerstoffpartialdruck des Gewebes nahe bei dem Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Blut. Wie nahe die beiden genannten Werte zueinander stehen, d.h. der transkutan gemessene Wert und der wahre arterielle Wert/ hängt stark von dem Ausmass der arteriellen Durchblutung des subkutanen Gewebes und zum anderen von den Eigenschaften der Elektrodenmembran, der Grosse und Gestalt der Kathode und von anderen Ausbildungen der Elektrodenanordnung ab. Bekannt sind zwei Arten von transkutan messenden Elektrodenanordnungen. Jede dieser Elektrodenanordnungen hat jedoch hinsichtlich ihrer Elektrodenausbildung,insbesondere was die Erwärmungsmechanismen für die Haut, die Gestalt und Grosse der Kathode und die Tragmechanismen für die Elektrodenmembran betrifft, innewohnende Nachteile.

Bei der erstgenannten bekannten Elektrodenanordnung zur transkutanen Bestimmung des arteriellen Sauerstoffs ist die Kathode ein dünner Platindraht mit einem Durchmesser in der Grössenordnung von 0,015 mm. Diese Kathode zusammen mit einer in Beziehung dazu angeordneten Silberanorde wird von einer sauerstoffdurchlässigen Membran (eine Polytetrafluoräthylenfolie von 12 μ Dicke) bedeckt, die an den Oberflächen von beiden Elektroden eine Elektrolytlösung hält. Die Elektrodenmembran ist mit dem Elektrodentragkörper über einen O-Ring aus Gummi verbunden. Bei dieser Elektrodenanordnung erfolgt die Erwärmung der Haut durch die Silberanode , die auf eine konstante Temperatur

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(43°C oder AA⁹C) erwärmt wird. Bei diesem Heizmechanismus ist die arterielle Durchblutung des subkutanen Gewebes nicht ausreichend, da der erwärmte Bereich der Haut durch die kleine Anodenfläche begrenzt ist. Des weiteren ist das Signal/ Rauschverhältnis (S/N-Verhältnis) dieser Elektrodenanordnung wegen der extrem kleinen Elektroden sehr niedrig. Da ferner die ebene Membran durch den G-Ring gehalten . ist, neigt, die fiembran an den Befestigungsstellen zur Faltenbildung» so dass es schwierig ist, die Elektrodenfläche gleichinässig in Berührung mit der Membran zu halten und daher eine unstete Eiektrodenaktivität vorliegt.

Die transkutan den arteriellen Sauerstoff messende ' Elektrodenanordnung der zweiten bekannten Bauart ist auf dera Markt erhältlich. Bei dieser Elektrodenanordnung wird eine relativ grosse <3 mm Durchmesser} Goldkathode verwendet. Die Kathode und die Anode sind mit einer Elektrodenmembran {Polyesterfolie von 6 μ Dicke) bedeckt, die an dem Elektrodenhalter mit einer Hülse befestigt ist. Bei dieser Elektrodenanordnung erfolgt das Erwärmen der Haut über die auf eine konstante Temperatur {42° oder 44⁰C) gehaltene Goldkathode. Bei eines? solchen Heizmechanismus ist die arterielle Durchblutung des subkutanen Gewebes aus den gleichen Gründen wie bei der ersten bekannten Elektrodenanordnung nicht ausreichend. Obgleich die Kathode bei der zweiten Bauart eine relativ grosse Abmessung ( 3 mm Durchmesser) hat, ist die Grosse der Kathode zur Erzielung einer ausreichenden Durchblutung nach wie vor zu gering. Der zweite wesentliche Nachteile bei dieser Elektrodenanordnung liegt darin, dass, da die Kathodenfläche zum Erwärmen gross sein muss und damit deren Sauerstoffverbrauch entsprechend hoch ist, der gemessene Sauerstoffwert viel kleiner als der tatsächliche Wert im arteriellen Blut ist. um den vorgenannten Nachteil zu mildern, wurde schon versucht, als Eiektrodenraembran eine solche mit einer sehr geringen Sauerstoffdurchlässigkeit vorzusehen. Diese Vorgehensweise führt jedoch zu einer geringen Ansprechempfindlichkeit der Elektrode. In Ver-

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bindung mit der starken Sauerstoffreduktion an der Kathode ergibt sich ein sehr hoher Elektrolytverbrauch und wird die Abweichung hinsichtlich der Empfindlichkeit der Elektrode bemerkenswert gross. Ferner unterscheidet sich der ümfangsbereich der Kathode hinsichtlich der Reaktionsfähigkeit vom mittleren Bereich, da diese beiden Bereiche unterschiedliche Abstände von der Anode haben und auch hinsichtlich der Speisung mit Ionenbestandteilen im Elektrolyten verschiedenartig sind.

Wie bei der erstgenannten bekannten Bauart hat auch die zweite den Nachteil, dass sich die Elektrodenaktivität in Verbindung mit dem Erhalt ungenauer Messergebnisse mit einer Änderung des Andruckes an die Haut ändert, da die Berührung zwischen Membran und Elektrodenoberfläche ungleichmässig ist.

Zweck der Erfindung ist es demgegenüber,die vorgenannten mit herkömmlichen,den arteriellen Sauerstoff transkutan messenden Elektrodenanordnungen verbundenen Nachteile zu beseitigen.

Ein Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung einer Sauerstoffelektrodenanordnung mit einem System zur Erwärmung der Haut an einem grossen Flächenbereich, so dass die arterielle Durchblutung des subkutanen Gewebes selbst bei nicht zu Verbrennungen führender Temperatur zufriedenstellend erfolgt. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer neuen Bauart (ringförmigen) der Kathode, so dass der Umfang der Reaktion in angemessener Weise verstärkt wird und damit ein besseres Signal/Rausch(S/N)-Verhältnis unter Beibehaltung einer gleichmässigen Reaktionsaktivität längs der Kathodenfläche vorliegt. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer neuartigen Einrichtung zum Belasten der Elektrode nmembr an , um eine gleichmässige und stabile Berührung mit der Kathodenfläche zu erzielen.

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Diese Ziele werden erfindungsgemäss durch die folgenden speziellen Merkmale gelöst:

(1) Anders als bei den konventionellen transkutan messenden Elektrodenainrdnungen erfolgt bei der Erfindung die Erwärmung der Haut nicht über die Kathode oder Anode. Bei der erfindungsgemässen Elektrodenanordnung wird ein metallischer Abschnitt, der einen grösseren Teil der Elektrodenanordnung einnimmt* auf eine konstante Temperatur gehalten. Dabei steht dieser Teil in Wärmeverbindung mit einer metallischen Platte am unteren Ende der Elektrodenanordnung, so dass die Haut durch diese Platte, die eine wesentlich grössere Fläche als die Stirnfläche von Anode oder Kathode hat, erwärmt wird. Bislang erfolgte die Erwärmung der Haut von den Elektroden über die Elektrolytschicht und die Elektrodenmembran, während bei der erfindungsgeraässen Anordnung ein derartiges Hindernis, wie es die Elektrolytschicht oder die Elektrodenmembran darstellt, nicht vorliegt. Hierdurch ergeben sich die beiden Vorteile, dass ohne Vorliegen einer störenden Schicht eine grosse Heizfläche geschaffen ist und dass die Erwärmung der Haut wirksamer und genauer als bei den bekannten Ausführungen vorgenommen werden kann.

(2)Eine rohrförmige Silberanode ist koaxial zu einem ringförmigen Ende von einer Platin-(oder Gold) Kathode über ein isolierendes Material angeordnet, so dass die Kathodenfläche eine gleichförmige Reaktivität in Bezug auf Anode und Elektrolyt hat. Da das Ende der Kathode ringförmig ist, hat die Kathode im Vergleich zu einer Punkteleketrode eine grosse Fläche und ist die Elektrodenreaktivität zur Erzielung eines hohen Signal/ Rauschverhältnisses ausreichend hoch.

(3) Das Ende der Kathode und der die Kathode umgebende Teil stehen etwas über dem Ende der Anode vor. Die Elektrodenmembran wird mit einer Abdeckplatte niedergedrückt. Diese Abdeckplatte hat eine öffnung, an der der Teil der Elektrodenmembran, der

das Ende der Kathode bedeckt, freiliegt. Auf diese Weise befindet sich die Membran in stetiger Berührung mit der Kathodenfläche, da sie unter einer Streckkraft steht. Die Abdeckplatte besteht aus einem Netall mit guter Wärmeleitfähigkeit und dient gleichzeitig, wie erwähnt, zur Erwärmung der Haut.

Bei allen konventionellen Elektrodenanordnungen wird keine Abdeckplatte zum Strecken der Elektrodenmembran verwendet, so dass die Membran lose unter nur geringer Kraft an der Elektrodenfläche aufliegt. Daher ist es schwierig, zwischen der Membran und der Elektrodenfläche eine gleichmässige Elektrolytschicht vorzusehen, ein Umstand, der andererseits die Elektrodenempfindiichkeit bestimmt.

(4) Die Elektrodenmembran ist mit der ringförmigen Oberfläche des Kunststoffabschnittes des Elektrodenhalters verbunden. Der Kunststoffabschnitt befindet sich ausserhalb des Elektrolyt vorratbades, das ausserhalb der ringförmigen Silberanode vorliegt. Daher wirft anders als bei Vorsehen eines Klemmechanismus mittels eines O-Ringes oder einer Hülse die Membran niemals Falten und steht somit in gleichmässiger Berührung mit der Elektrode. Aus diesem Grund hat die erfindungsgemässe Anordnung eine wesentlich verbesserte Empfindlichkeit und wird ein Leckaustritt von Elektrolyten vollständig verhindert. Wenn die Verbindung der Membran mittels eines kohäsiven Materials (Klebstoff) vorgenommen wird, lässt sich ein Austausch der Elektrodenmembran ohne weiteres erzielen.

(5) Die den Elektrolyten bevorratende Nut ist im Elektrodenhalter um der Endfläche der Anode ausgebildet und enthält eine ausreichendeElektrolytraenge. Der Druck in der Elektrolytvorratsnut steht über eine kleine, mit der Aussenluft verbundene Bohrung im Druckgleichgewicht. Somit werden die Berührungsverhältnisse zwischen Elektrodenmembran und Elektrodenoberfläche unabhängig von Änderungen in der Temperatur und

dem Atmosphärendruck konstant gehalten.

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Vergleich der Erfindung mit bekannten Elektrodenanordnungen:

Eine vergleichende Betrachtung der Hauptmerkmale der erfindungsgemässen transkutanen Elektrodenanordnung mit den beiden bekannten Ausführungen ist in Tabelle 1 gegeben. Durch diese baulichen Merkmale zeigt die erfindungsgemässe Elektrodenanordnung eine wesentlich bessere Genauigkeit (höheres Verhältnis von gemessenem PO^-Wert pro tatsächlichem arteriellen PO--Wert), eine höhere Kontinuität und zahlreiche andere bessere Kriterien als die bekannten Bauarten.

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Tabelle I Vergleich der erfIndungsgemäss aufgebauten Elektrodenanordnung mit bekannten Ausführungen

Konstruktionsmerkmale

erste bekannte Ausführung

zweite bekannte Ausführung

erfindungsgemäese Elektrodenanordnung

Kathodenquerschnitt Kathodenfläche

Erwärmung der Haut über «ο

«o Heizfläche

J^ Befestigung der Membran

^Andruck der Membran Q an Elektrode

«° Membranschutz

punktförmig	scheibenförmig	ringförmig	(3 in
klein	gross	da zwi schenllegend
Anode	Kathode	Halterteil(Ring)
		und Platte	(8, 7)
♦ringförmig,klein	scheibenförmig,klein	♦ringförmig,gross	Γ7)
durch O-Ring	durch Kappe (Hülse)	mit Halter verbunden	(5·)
lose	lose	stetig
keiner	keiner	dünne Platte	(7)

Sowohl bei der ersten bekannten Elektrodenanordnung als auch bei der erfindungsgemässen ist der erwärmte Bereich ringförmig mit einer in seinem Zentrum befindlichen öffnung. Indem die öffnung jedoch klein ist, wird die arterielle Durchblutung des subkutanen Gewebes durch das Vorliegen der öffnung im Erwärmungsbereich nicht beeinflusst, weil sich das Blut durch die subkutanen Kapillaren ausbreitet. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, dass bei gleicher Erwärmungstemperatur die Erwärmungsflache für eine ausreichende arterielle Durchblutung möglichst gross sein sollte.

Zusammengefasst wird durch die Erfindung eine Elektrodenanordnung zur Messung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut geschaffen, bei der ein Elektrodenpaar, bestehend aus einer zylindriseilen Anode und Kathode, koaxial in einem isolierenden Material dergestalt angeordnet ist, dass sich die Kathode im isolierenden Material befindet. Die Stirnflächen der Elektroden stehen mit der Körperoberfläche über eine Elektrodenmessbran in Verbindung _f die die Elektroden unter einer geeigneten Spannung bedeckt und an den Elektrodenflächen eine Schicht aus einer Elektrolytlösung hält. Die Elektroden— membran ist an einem ringförmigen Endteil von einem zylindrischen Halter aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, das die Anode umgibt» befestigt. Ein den Halter umgebender metallischer Ring trägt eine die Membran abdeckende Metallplatte mit einer öffnung, an der ein Bereich der Elektroderasexabran zur Berührung mit der Körperoberfläche freiliegt. Die Membranabdeckplatte, die mit dem Ring verbunden und auf eine gewünschte Temperatur gebracht wird, erwärmt die Körperoberfläche und aktiviert die Durchblutung des subkutanen Gewebes durch Kapillarwirkung. Somit kann die Elektrode den Partialdruck des arteriellen Sauerstoffs messen.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 im Schnitt den Aufbau von einer Ausführungsform

einer erflndungsgeraäss aufgebauten Messelektrodenanordnung,

Fig. 2 eine geschnittene Ansicht von den elementaren Bauteilen einer anderen Ausführungsform der Erfindung, .

Fig. 3 eine geschnittene Ansicht von einer die Bauteile

nach Fig. 2 aufweisenden Sauerstoff-Messelektrodenanordnung,

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht von einer Modifikation der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 5 eine grafische Darstellung bezüglich der Änderung des Elektrolysestromes mit dem Gasaustausch bei einer erfindungsgemäss aufgebauten Elektrodenanordnung zur transkutanen Sauerstoff messung, und

Fig. 6 eine grafische Darstellung bezüglich des zeitlichen Verlaufes des Elektrolysestromes, wie er mit einer transkutan den Sauerstoff messenden Elektrodenanordung (44 *C) an der Haut am Vorderarm von einer Person (weiblich, Alter 26 Jahre) tatsächlich ermittelt wurde.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäss aufgebauten Elektrodenanordnung zur transkutanen Sauerstoff messung. In Fig. 1 betrifft das Bezugszeichen 1 einen Elektrodenhalter aus einem geeigneten Isoliermaterial, wie Kunststoff. In dem Halter 1 ist eine zylindrische Silberanode 2 eingebettet, deren unteres Ende freiliegt. Das obere Ende der Anode 2 ist mit einem Flansch 2* versehen, dessen umfang am Aussenumfang des Halter8 1 ebenfalls freiliegt. Eine Kathode 3 in Form von einem dünnen Metallrohr wird koaxial in Abstand von der Anode

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durch einen an der Anode 2 befestigten Glaszylinder 4 gehalten. Die Umfangskante am freiliegenden Ende an der Aussenseite des Xathodentragzyllnders 4 ist abgerundet» und der Kathodenträger selbst ist dergestalt ausgebildet, dass seine Stirnfläche über die Stirnfläche der Anode 2 um eine Wegstrecke vorsteht, die im wesentlichen gleich dem Krümmungsradius der abgerundeten Kante ist. Andererseits liegt das freie Ende der Kathode 3 in der gleichen Ebene wie das Ende des Kathodentragzylinders 4.

Eine Elektrodenmembran 5 erstreckt sich über die freiliegenden Enden der Elektroden 2 und 3 sowie des Glaszylinders 4. Die Membran 5 ist eine sauerstoffdurchlässige Folie aus einem wasserabweisenden Polymer, wie Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen oder Polypropylen. Die Membran ist mit einem geeigneten Klebstoff an einem Umfangsteil an der unteren Endfläche des Halters 1 verklebt. Um eine gute Berührung zwischen Mesabran 5 und den Enden van Kathoden usw, zu erhalten und dennoch dazwischen eine Elektrolytschicht 12 vorsehen zu können, liegen die Enden von Anode und Halter 1 in der gleichen Ebene.

Ferner werden der Bereich der Membran 5, der das Ende der Anode 2 und uen · ümfangsbereich von Halter 1 bedeckt, durch eine Abdeckplatte 7 aus Metall angedrückt, in der eine zentrale öffnung von ähnlicher Grosse wie das Anodenende vorgesehen ist.

Diese Platte gewährleistet eine innige Berührung zwischen

der Membran 5 und den genannten Bereichen.

Die Abdeckplatte 7 wird von einem äusseren auf einem Kranz 6 aufgeschraubten metallischen Ring 8 gehalten. Somit liegt die Membran 5 nur an dem Bereich der öffnung in der Abdeckplatte 7 frei und kann hier in Berührung mit der Oberflache von einem zu untersuchenden Körper gebracht werden.

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Der Endbereich des Elektrodenhalters 1, der aussen in Berührung mit dem Ende der Anode steht, ist in geeigneter Weise absatzfönnig ausgeschnitten,und dieser Absatz dient als Elektrolytbad

9 in Form einer Umfangsnut. Der überschüssige Teil des die Oberflächen von Anode 2 und Kathode 3 bedeckenden Elektrolyten 12 haftet in der Nut an der Seite der Silberanode an. Eine Luftablassbohrung 10 öffnet sich an der oberen Oberfläche des Kunststoffabschnittes und erstreckt sich durch den Halter 1 von einem Raum, der ausserhalb des Teils der Nut liegt, wo sich der Elektrolyt befindet. Die Öffnung von dieser Bohrung

10 ist mit einem geeigneten gasdurchlässigen (porösen) Element

11 verstopft. Eine Anzahl von kleinen, nicht gezeigten Nuten ist im Ende der Anode vorgesehen, um die Menge an an der Anodenfläche gespeichertem Elektrolyten zu stabilisieren und eine Verbindung zwischen dem in Ausgleich mit dem Atmosphärendruck stehenden Elektrolyten und der Elektrolytschicht an Ende der Kathode zu schaffen.

Eine Heizeinrichtung und ein wärroeempfindliches Element (Thermistor) sind in einem passenden Teil des Kranzes 6 untergebracht, der aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel befindet sich die Heizeinrichtung 13 in einer Umfangsnut 14 im Halterkranz 6, während das wärmeempfindliche Element 15 in eine Bohrung 16 eingesetzt ist, die in den Halterkranz 6 eingebohrt ist.

Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 2 und 3 gezeigt und hat einen Aufbau, der sich leicht zusammenbauen und auseinandernehmen lässt.

In Fig. 2 ist die Sauerstoff-Messelektrodenanordnung im auseinander genommenen Zustand dargestellt. Der Halterteil A hat die Form von einem kreisförmigen Rohr, dessen unteres Ende mit einer Elektrodenmembran 5 zuvor versehen wurde. Die Membran 5 besteht aus einem wasserabstossenden sauerstoffdurchlässigen Material wie bei der vorgenannten Ausführungsform. Das Material für den Halterteil A ist grundsätzlich das gleiche wie das

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Material für die Membran 5, um die Befestigung der Membran 5 am unteren Ende des Halterteiles A z.B. durch eine Heissverschweissung zu erleichtern. Unterschiedliche Materialien können jedoch auch für den Halterteil vorgesehen werden.

Das Gehäuse B besteht aus Metall, z.B. Edelstahl. Andere Materialien als Metall können jedoch ebenfalls für das Gehäuse verwendet werden. Am unteren Ende des Gehäuses B ist eine federnde ringförmige Abdeckung 7 vorgesehen, die die Elektrodenmembran 5 im zusammengefügten Zustand andrückt. Am oberen äusseren Endbereich des Gehäuses B ist ein Gewinde ausgebildet.

Der Elektrodenteil C umfasst eine Kathode 3 z.B. aus Platin oder Gold, eine die Kathode umgebende Anode 2 aus Silber, ein isolierendes Element4 aus z.B. Glas, das die Elektroden trägt, und eine am oberen Ende des Elektrodenteiles C befestigte Passung ,durch die sich Drähte nach atissen erstrecken. Am oberen Elektrodenabdeckteil D ist ein Innengewinde ausgebildet.

Beim Zusammenbauen wird eine kleine Menge,z.B. einige Tropfen Elektrolyt auf die Membran am Halterteil A aufgegeben und dann der Halterteil A

in das Gehäuse B eingesetzt. Danach wird der Elektrodenteil C in den Halterteil A eingeschoben und die Abdeckkappe D auf das Aussengewinde am Gehäuse aufgeschraubt.

In Fig. 3 ist die Sauerstoff-Messelektrodenanordnung im zusammengebauten Zustand dargestellt. Die Anordnung umfasst den Halterteil A mit der Membran, den koaxial im Halterteil A angeordneten Elektrodenteil C, das den Halterteil A mit dem daran befindlichen Elektrodenteil C umgebende Aussengehäuse B und den auf den oberen äusseren Bereich des Gehäuses B aufgeschraubten oberen Abdeckungsteil D* Das Gehäuse B entspricht einer Kombination von äusserem Ring und Membranabdeckplatte in Fig. 1.

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Fig. 4 zeigt eine modifizierte Ausführungsform von einer erf i ndung sgemäs s aufgebauten SauerStoff-MeS se1ekt rollenanordnung oder -vorrichtung. Diese Anordnung hat einen sehr ähnlichen Aufbau wie die Anordnung nach Fig. 1, indem nur ein Teil des Halters 1 in Fig. 1 unterschiedlich ist. Durch diese Änderung jedoch wird das Belasten der Elektrodenmembran wesentlich vereinfacht und die Berührung zwischen Membran und Elektrode weiter stabilisiert. In Fig. 4 betrifft dasr Bezugszeichen 1 den feststehenden Teil von einem Elektrodenhalter aus einem geeigneten Isoliermaterial,wie Kunststoff. Das Bezugszeichen 1' bezieht sich auf einen lösbaren Teil des Halters in Form von einem kreisförmigen Rohr. Das lösbare Rohr 1 * entspricht dem Teil A in Fig. 2 und 3 und ist am unteren Ende mit einer Elektrodenmembran 5 versehen. Eine zylindrische Silberanode 2 ist in dem feststehenden Teil 1 des Halters eingebettet. Eine Kathode 3 in Form von einem dünnen Metallrohr wird durch einen am Halter 1 befestigten Glaszylinder 4 in koaxialem Abstand von der Anode 2 gehalten. Die Umfangskante am freiliegenden unteren Ende des die Kathode 3 tragenden Glaszylinders 4 ist abgerundet,und die Kathode 3 selbst ist dergestalt ausgebildet, dass das untere Ende des Glaszylinders nach unten über das Ende der Anode 2 um eine Hegstrecke vorsteht, die im wesentlichen gleich dem Krümmungsradius der abgerundeten Kante ist. Andererseits liegt das freie Ende des Kathodentragzylinders 4 in der gleichen Ebene wie das Kathodenende.

Eine Elektrodenmembran 5 aus einem wasserabstossenden sauerstoffdurchlässigen Material erstreckt sich Über die freiliegenden Enden der Elektroden 2 und 3 und des Glaszylinders 4. Die Membran 5 besteht aus einem sauerstoffdurchlässigen wasserabstossenden Material und ist an der unteren Stirnfläche des lösbaren Teils 1' des Halters durcheinen geeigneten Klebstoff oder durch eine Heissverbindung befestigt. Um eine gute Berührung zwischen Membran 5 und der unteren Stirnfläche der

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Anode zu erhalten und gleichzeitig dazwischen eine Elektrolytschicht vorsehen zu können, liegen die untere Stirnfläche der Anode 2 und die untere Stirnfläche des lösbaren Teiles 1 in der gleichen Ebene. Die Fläche der Membran 5, die die untere Endfläche der Anode 2 bedeckt, wird durch eine metallische Abdeckplatte 7 mit einer zentralen öffnung angedrückt, die etwas grosser als das untere Ende des Kathodentragzylinders 4 ist, so dass eine innige Berührung zwischen Membran 5 und diesen Bereichen gewährleistet wird.

Die Abdeckplatte 7 wird von einem Ring 8 aus einem gut wärmeleitfähigen Metall gehalten. Der Ring 8 ist auf dem Kranz 6 aufgeschraubt,, der ebenfalls aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht. Wegen des Vorsehens der Abdeckplatte 7 kann nur der durch die öffnung in der Platte 7 freiliegende Bereich der Membran 5 in Berührung mit der Oberfläche von einem zu untersuchenden Körper gebracht werden.

Das Ende des feststehenden Teils 1 des Elektrodenhalters, der in Berührung mit der Anode 2 steht, ist in geeigneter Weise gegenüber der Stirnfläche der Anode zurückversetzt, um einen umfänglich sich erstreckenden Raum zu bilden, der ein Elektrolytbad 9 schafft. Ein Elektrolyt 12 wird zwischen der Membran 5 und den Stirnflächen der Elektroden gehalten, wobei der Überschüssige Teil des Elektrolytes in dem vorgenannten Raum 9 gespeichert ist»

Eine Heizeinrichtung und ein wärmeempfindliches Element (Thermistor) sind an einer passenden Stelle des Elektrodenhalterkranzes 6, der aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht, angeordnet. Die Heizeinrichtung 13 befindet sich in einer Umfangsnut 14 im Halterkranz 6, während das wärmeempfindliche Element 15 in eine Bohrung eingesetzt ist, die in den Halterkranz 6 eingebohrt wurde.

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Da der Elektrodenhalter den lösbaren Teil 1' mit der damit verbundenen Elektrodenmembran umfasst, lässt sich die Membran leicht unter eine bestimmte Spannung setzen, indem diese Teile vom Hersteller bei guter Qualitätskontrolle vorgefertigt werden.

Bei der Elektrodenanordnung nach Fig. 4 ist der Flanschbereich 2* bei der in Fig. 1 gezeigten Anode 2 weggelassen. Hinsichtlich des Verhaltens bei der transkutanen Messung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes besteht kein wesentlicher Unterschied, wenn der Flanschbereich als Bauteil der Elektrodenanordnung vorgesehen oder weggelassen wird.

Zwei Beispiele für Nesswerte, wie sie mit der in Fig. 1 gezeigten Elektrodenanordnung zur transkutanen Bestimmung von arteriellem Sauerstoff ermittelt wurden, werden nachfolgend beschrieben. Die Abmessungen der bei diesen Versuchen verwendeten Elektrodenanordnung sind nachfolgend aufgelistet:

Kathode Material - Gold Aussendurchmesser der Oberfläche 2,0 mm Innendurchmesser der Oberfläche 1,5 mm Anode Material - Silber Aussendurchmesser der Oberfläche 5 mm Innendurchmesser der Oberfläche 3 mm Elektrolyt Wasser - Glyzerin - KCl - Pufferlösung

(pH 10)

Elektrodenmembran Folie aus Polyvinylidenchlorid von

12 μ Dicke

Ansprechkurve in Bezug auf den Gasaustausch (Eichkurve)

Die Kurve ist in Fig.5 gezeigt. Die vorbeschriebene erfindungsgemässe Elektrodenanordnung wurde in eine Eichkammer eingesetzt (bei der es sich um ein Gasaustauschgefäss mit einer Kapazität von etwa 5 ml mit einer kleinen Bohrung im oberen Teil handelt,

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die in Berührung mit der Elektrodenanordnung steht). Der Elektrolysestrom aus der Elektrodenanordnung wurde aufgezeichnet, während Stickstoff, Luft und Sauerstoff abwechselnd in die Kammer eingegeben wurden. Die Ansprechcharakteristik der Elektrodenanordnung, die Linearität in Bezug auf den Sauerstoffpartialdruck (Konzentration) und andere Eigenschaften der Anordnung können aus dieser Kurve entnommen werden. Die Ergebnisse sus einer solchen Prüfung sind folgendeϊ <1ί Der Reststrom beträgt weniger als 0,2 % in Bezug auf 1 atm. {760 mm Hg) O₂? {2) die 80 %-AnSprechzeit beträgt 3Ö sek, und die 96 %-Ansprechzeit 70 sek. <dies bedeutet, dass die Reaktion im wesentlichen nach einer Kurve ersten Grades abläuft); (3) der Verlauf der Messwerte in Bezug auf die 0₂-Konzentration ist Im wesentlichen proportional _f was aus dem vergleich der Ströme für N₃(O₂=O), Luft (0₂=20,99 %) und O₂ beurteilt werden kann.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Versuch wurden aiach die Temperaturen der Elektrodenanordnung ^eingestellt auf eine Temperatur von 44"C) aufgezeichnet. Der zeitliche Verlauf ist in der Figur als eine im wesentlichen gerade parallel zur Abszisse liegende Linie wiedergegeben. Aus dieser Linie folgt» dass die Temperatüränderung während des Versuches weniger als 0,02⁰C betrug.

Transkutane Versuchswerte

Bei der untersuchten Person handelte es sich um eine 26 Jahre alte Frau. Die erfindungsgemässe Elektrodenanordnung wurde an der Haut an der Innenseite des Handgelenks . mittels eines doppelseitigen Klebbandes befestigt. Die Elektrodenanordnung wurde auf eine Temperatur von 43,5 +_ G,02⁰C gehalten. Während die Frau abwechselnd Luft und Sauerstoff einatmete, wurde der elektrolytische Strom aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 wiedergegeben. Die Pfeile A, B, C und D in der Figur geben den Beginn einer schwachen Einatmung von Sauerstoff bzw. Luft sowie einer starken Einatmung von Sauerstoff bzw. Luft an. wie aus der grafischen Dar-

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stellung gemäss Fig.6 hervorgeht, beträgt der transkutan gemessene Sauerstoffpartialdruck während der Lufteinatmungsphase etwa 90 mm Hg und liegt damit nahe am Üblichen Wert fUr den Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Blut von einem durchschnittlichen Erwachsenen. Bei massiger Inhalation von Sauerstoff betrug der Sauerstoffpartialdruck etwa 530 mm Hg. Wenn Sauerstoff kräftig eingeatmet wurde, betrug der Sauerstoffpartialdruck 570 mm Hg. Diese Werte bestimmen bei den vorgenannten Bedingungen gut mit den tatsächlichen Sauerstoffwerten im arteriellen Blut überein. Das Ansprechverhalten am Beginn und Ende der Sauerstoffinhalation ist etwas langsamer als die tatsächlichen Änderungen in der Arterie; die Ansprechzeiten sind jedoch für. praktische klinische Untersuchungen ausreichend kurz.

Im wesentlichen die gleichen (oder sogar etwas bessere) Ergebnisse wurden mit der in Fig. 4 gezeigten Elektrodenanordnung zur transkutanen Sauerstoffbestimmung erhalten.

Die Anwendung der herkömmlichen Elektrodenanordnungen zur transkutanen Bestimmung des arteriellen Sauerstoffs ist lediglich auf Kinder beschränkt. Bei der erfindungsgemässen Elektrodenanordnung liegt jedoch eine wesentlich grössere Fläche zur Erwärmung der Haut vor und wurden zahlreiche andere Verbesserungen vorgenommen. Daher findet bei der erfindungsgemässen Elektrodenanordnung selbst bei Erwachsenen eine ausreichende Durchblutung statt, so dass eine geeignete und genaue Messung durchgeführt werden kann. Hierin liegt ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung.

Wenn die vorbeschriebenen Messdaten und Ergebnisse aus dem Einsatz der erfindungsgemässen Elektrodenanordnung insgesamt betrachtet und mit entsprechenden Daten von einer auf dem Markt befindlichen Elektrodenanordnung verglichen werden, ergeben sich folgende Vorteile aus der Erfindung: da die Konfiguration

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und Fläche der Kathode bei der erfindungsgemässen Elektrodenanordnung in geeigneter Weise ausgebildet sind, wird sowohl die Gleichmässigkeit hinsichtlich der Reaktion an der Elektrodenoberfläche als auch das S/N Verhältnis der Reaktion verbessert. Da weiter der Haltemechanismus für die Elektrodenmembran
und für die weiteren Bauteile der Anordnung auf verschiedene Weise ebenfalls verbessert wurden, konnte die Konstanz der Messung in bemerkenswertem Umfang gesteigert werden. Diese Vorteile tragen mit zu einer gleichmässigen Erwärmung und ausreichenden Wärmeübertragung auf die zu untersuchende Oberfläche bei und ermöglichen in Verbindung mit der Auswahl einer geeigneten Folie für die Elektrodenanordnung die Vornahae
einer transkutanen Messung des Sauerstoffes im arteriellen Blut voneinem Erwachsenen, was bislang sehr schwierig war,

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Leerseile

Claims

BUNJI HAGIHARA, Suita, Osaka, Japan

Elektrodenanordnung zur Sauerstoffmessung

PATENTANSPRÜCHE

Elektrodenanordnung zur Sauerstoffmessung, gekennzeichnet durch einen Elektrodenteil mit einer rohrförmigen Anode (2) und einer rohrförmigen Kathode (3), die einen kleineren Durchmesser als die Anode hat und koaxial in der Anode angeordnet ist, ein isolierendes Tragelement (4), das die beiden Elektroden unter Bildung des Elektrodenteils in Beziehung zueinander hält, einen ringförmigen, die Anode umgebenden Halter (1) aus elektrisch und thermisch isolierendem Material, eine Elektrodenmembran (5), die mit dem unteren Ende des Halters verbunden ist und das untere Ende des Elektrodenteils abdeckt, eine zwischen den unteren Stirnflächen der Elektroden und der Elektrodenmembran befindliche Elektrolytlösung (12), einen ring- oder hülsen-

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ORiQINAL INSrcüicx)

förmigen Teil(6,8) aus einem wärmeleitenden Metall mit einer grossen Wärmekapazität zum Tragen des Halters, eine im TeiK6,8) vorgesehene Temperatursteuereinrichtung (13, 15), die die Temperatur des Teiles(6,8) auf einen gewünschten Wert hält und eine Membranabdeckplatte (7), die in Wärmeverbindung mit dem unteren Ende des Teiles{6,8) steht, eine öffnung hat* an der ein Bereich der Membran _t der der unteren Fläche des Elektrodenteils entspricht, freiliegt und die von dem Teil(6,8) Wärme auf die Haut eines zu untersuchenden Körpers übertragen kann, um eine transkutane Messung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut vorzunehmen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Material für das isolierende Tragelement (4) Glas ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass im Halter (1) ein ringförmiges Elektrolytbad ^9) und eine Luftpassage UO) vorgesehen sind, wobei die Luftpassage das Elektrolytbad mit der Aussenatmosphäre verbindet.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektrodenmembran <5) an den unteren Stirnflächen der Elektroden {2, 3) zur Abdeckung dieser Stirnflächen vorgesehen ist und durch die Membranabdeckplatte (7) dergestalt angedrückt wird, dass sie unter einer geeigneten Spannung gestreckt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektrodenmembran (5) mit der unteren Stirnfläche des Halters ti) durch einen Klebstoff verbunden ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (1) und die Membran (5) aus dem gleichen organischen Material bestehen und die Membran

mit dem unteren Ende des Halters durch einen Wärmeklebstoff verbunden ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Halter einen feststehenden, die Anode (2) umgebenden Teil (1) und einen lösbaren Teil (1') umfasst, mit dem die Elektrodenmembran (5) verbunden ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass der lösbare Teil (1¹) und die Elektrodenmembran (5) durch einen Klebstoff miteinander ve rbunde η sind.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass der lösbare Teil (1') und die Elektrodenmembran (5) aus dem gleichen organischen Material bestehen und durch einen Wärmeklebstoff miteinander verbunden sind.

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