DE2758413B2

DE2758413B2 - Vorrichtung zur transkutanen Messung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes

Info

Publication number: DE2758413B2
Application number: DE2758413A
Authority: DE
Inventors: Bunji Suita Osaka Hagihara (Japan)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-28
Publication date: 1979-11-22
Also published as: GB1587880A; DE2758413A1; US4185620A; SE434437B; IT1090849B; FR2376412B1; DE2758413C3; FR2376412A1; SE7714832L

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur transkutanen Messung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes mit einer Elektrodenanordnung, bestehend aus einer Kathode und einer dagegen isolierten und diese umgebenden rohrförmigen Anode, einem die Anode umgebenden Halter aus elektrisch und thermisch isolierendem Material, einer mit dem unteren Ende des Halters verbundenen und das untere Ende der Elektrodenanordnung abdeckenden Membran, die zwischen sich und der Elektrodenanordnung eine Elektrolytlösung einschließt, und einer Heiz- und Temperatursteuereinrichtung zur Erwärmung der Haut des Patienten.

Bei Vorrichtungen zur transkutanen Messung des arteriellen BlutsauerstoiTgehaltes handelt es sich um Elektrodenanordnungen, mit denen der Sauerstoffpartialdruck des Arterienblutes einer Person durch deren Haut ohne direkte Untersuchung des Blutes bestimmt wird. Die Messung kann eingriffsfrei und ohne Verletzung eines Körperteiles durchgeführt werden. Solche Elektrodenanordnungen spielen daher eine wichtige Rolle bei der Sauerstoffüberwachung von Patienten, insbesondere neugeborenen Kindern. Beim Anlegen derartiger Elektrodenanordnungen 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 Ede'metall, wo der Sauerstoff unter Erzeugung eines elektrolytischen Stromes reduziert wird. Daher läßt sich der Sauerstoffpartialdruck 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 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 Größe 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 Größe der Kathode und die Tragmechanismen für die Elektrodenmembran betrifft, bestimmte Nachteile.

Bei der erstgenannten, z. B. in Biomedizinische Technik, Band 19 (1974), Nr. 3. Seite 87 bis 91, beschriebenen Elektrodenanordnung zur transkutanen Bestimmung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes ist die Kathode ein dünner Platindraht mit einem Durchmesser von etwa 0,015 mm. Diese Kathode wird zusammen mit einer in Beziehung dazu angeordneten Silberanode von einer sauerstoffdurehlässigen Membran (Polytetrafluoräthylenfolie von 12 μ Dicke) bedeckt, die an den Oberflächen beider Elektroden eine Elektrolytlösung hält. Die Elektrodenmembran ist mit dem Elektrodentragkörper über einem O-Ring aus Gummi verbunden. Bei dieser Elektrodenanordnung erfolgt die Erwärmung der Haut durch die Silberanode, die auf eine konstante Temperatur (43°C oder 44°C) 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 Sigiial/Rauschverhältnis (S/N-Verhältnis) dieser Elektrodenanordnung wegen der extrem kleinen Elektroden sehr niedrig. Da ferner die ebene Membran durch den O-Ring gehalten ist, neigt die Membran, an den Befestigungsstellen zur Faltenbildung, so daß es schwierig ist, die Elektrodenfläche gleichmäßig in Berührung mit der Membran zu halten und daher eine unstete Elektrodenaktivität vorliegt

Die transkutan den arteriellen Sauerstoffpartialdruck messende Elektrodenanordnung der zweiten bekannten Bauart ist in der US-PS 37 95 239 beschrieben. 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 Eiwärmen der Haut über die auf eine konstante Temperatur (42 oder 44°C) gehaltene Goldkathode. Bei einem 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 Größe der Kathode zur Erzielung einer ausreichenden Durchblutung nach wie vor zu gering. Der zweite wesentliche Nachteil 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 Elektrodenmembran eine solche mit einer sehr geringen Sauerstoffdurchlässigkeit vorzusehen. Dies führt jedoch zu einer geringen Ansprechempfindlichkeit der Elektrode. In Verbindung mit der starken Sauerstoffreduktion an der Kathode ergibt sich ein sehr hoher Elektrolytverbrauch, und auch die Empfindlichkeit der Elektrode wird stark beeinträchtigt. Ferner unterscheidet sich der Umfangsbereich der Kathode hinsichtlich der Reaktivität vom mittleren Bereich, da diese beiden Bereiche unterschiedliche Abstände von der Anode haben und auch hinsichtlich der lonenversorgung aus dem Elektrolyten verschiedenartigsind.

Wie die erstgenannt? bekannte Bauart hat auch die zweite den Nachteil, daß sich die Elektrodenaktivität unter Erhalt ungenauer Meßergebnisse mit einer Änderung des Andruckes an die Haut ändert, da die Berührung zwischen Membran und Elektrodenoberfläche ungleichmäßig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichiung zur transkutanen Messung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes mit einem verbesserten System zur Erwärmung der Haut eines Patienten über einen großen Flächenbereich zu schaffen, wobei die Elektrodenmembran so belastet werden kann, daß sie in einem gleichmäßigen stabilen Kontakt mit der Elektrodenanordnung bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe eignet sich nach der Erfindung eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die gekennzeichnet ist durch ein ringförmiges Teii aus wärmeleitendem Material mit hoher Wärmekapazität, das den Halter abstützt und die Heiz- und Temperatursteuereinrichtung aufweist, und eine in wärmeleitender Verbindung mit dem unteren Ende des ringförmigen Teils stehende Membranabdeckplatte zur Übertragung der Wärme vom ringförmigen Teil auf die Haut des Patienten, die eine Öffnung hat, an der ein Bereich der Membran, der der unteren Fläche der Elektrodenanordnung entspricht, freiliegt

Im folgenden werden die speziellen Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert:

ίο (1) Anders als bei den herkömmlichen transkutan messenden Elektrodenanordnungen erfolgt 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, bei konstanter 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 durch die Elektroden über die Elektrolytschicht ur\d die Elektrodenmembran, während bei der erfindungs-

2Ί gemäßen Anordnung ein derartiges Hindernis, wie

es die Elektrolytschicht oder die Elektrodenmembran darstellen, nicht vorliegt. Dies hat den Vorteil, daß ohne Vorliegen einer störenden Schicht eine große Heizfläche geschaffen wird und daß die

jo Erwärmung der Haut wirksamer und genauer als

bei den bekannten Ausführungen vorgenommen werden kann. Es wird somit ohne eine Verbrennung der Haut eine gute Durchblutung des subkutanen Gewebes erzielt.

i> (2) Eine rohrförmige Silberanode ist koaxial zu einem ringförmigen Ende einer Platin- (oder GoId-JKathode über ein isolierendes Material angeordnet, so daß die Kathodenfläche gleichmäßige Reaktivität in bezug auf die Anode und den Elektrolyten aufweist. Da das Ende der Kathode ringförmig ist, hat die Kathode im Vergleich zu einer Punktelektrode eine große Fläche, so daß auch das Ausmaß der Elektrodenreaktivität entsprechend groß ist und ein hohes Signal/Rauschverhäl'nis ermöglicht.

(3) Das Ende der Kathode und der die Kathode umgebende Teil stehen etwas über das Ende der Anode vor. Die Elekirodenmembran wird mit einer Abdeckplatte niedergedrückt. Diese Abdeckplatte hat eine Öffnung, an der der Teil der Elektroden-

Ki membran, der das Ende der Kathode bedeckt,

freiliegt. Auf diese Weise befindet sich iie Membran in stetiger Berührung mit der Kathodeniluche, da sie unter einer Streckkraft steht. Die Abdeckplatte besteht aus einem Metall mit guter

>"i Wärmeleitfähigkeit und dient gleichzeitig, wie

erwähnt, zur Erwärmung der Haut. Bei allen konventionellen Elektrodenanordnungen wird keine Abdeckplane zum Strecken der Elektrodenmembran verwendet, so daß die Mem-

Wi bran lose unter nur geringer Kraft an der Elektrodenfläche aufliegt. Daher ist es schwierig, zwischen der Membran und der Elektrodenflächc eine gleichmäßige Elektrolytschicht vorzusehen, ein Umstand, ('.er andererseits die Elektrodenemp-

h^r> findlichkeit bestimmt.

(4) Die Elektrodenmembran ist mit der ringförmigen Oberfläche des Kunststoffabschnittes des Eicktrodenhalters verbunden. Der Kunststoffabschnitt

befindet sich außerhalb des Elektrolytvorratbades, 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 er/ielen.
Die den Elektrolyten bevorratende Nut ist im Elektrodenhalter um die Endfläche der Anode ausgebildet und enthält eine aus^reichendc Elektrolytmenge. Der Druck in der Elektrolytvorratsnut steht über eine kleine, mit der Außenluft verbundene Bohrung im Dmckgleichgewicht. Somit werdet die Berührungsverhältnisse zwischen Elektroden membran und Elcktrodenoberfläche unabhängig von Änderungen in der Temperatur und den Atmosphärendruck konstant gehalten.

Vergleich der Erfindung
mit bekannten Elektrodenanordnungen

Eine vergleichende Betrachtung der Hauptmerkmale

der erfindungsgemäßen transkutanen Elektrodenaiiord tiutig mit ilen beiden bekannten Ausführungen isi ii Tabelle 1 gegeben. Durch diese baulichen Merkmale zeigt die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ein wesentlich bessere Genauigkeit (höheres Verhältnis vor gemessenem POj-Wert pro tatsächlichem arterieller POvWert). eine höhere Kontinuität und zahlreich andere bessere Kriterien als die bekannten Bauarten.

Tabelle 1

Vergleich der erflndiingsgemäß aufgebauten Elektrodenanordnung mit bekannten Ausführungen

Konstruktionsmerkmale	Erste bekannte	/weite bekannte	EirfindungsgcmiiUe Elektroden« neird mi	(3 in I· ig.
	Ausführung	Ausführung
Kathodenquerschnitt	punktförmig	scheibenförmig	ringförmig	(8. 7i
Kathodenfläche	klein	groß	dazwischenliegend
Erwärmung der Haut	Anode	Kathode	Halterteil (Ring)	(7)
über			und Platte	(5Ί
Heizfläche	'ringförmig, klein	scheibenförmig, klein	'ringförmig, groß
Befestigung der	durch O-Rüig	durch Kappe (Hülse)	mit Halter verbunden
Membran
Andruck der Membran	lose	los:	stetig	(7l
an Elektrode
Membranschutz	keiner	keiner	dünne Platte

Sowohl bei der ersten bekannten Elektrodenanordnung als auch bei der erfindungsgemäßen ist der erwärmte Bereich ringförmig mit einer in seinem Zentpim 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 Erwärmungsfläche 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 zylindrischen 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 Elektrodenmembran in Verbindung, die die Elektroden unter einer geeigneten Spannung bedeckt und an den Eiektrodenflächen eine Schicht aus einer Elektrolytlösung hält Die Elektrodenmembran 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 öffnunj an der ein Bereich der Elektrodenmembran zu Berührung mit der Körperoberfläche freiliegt. Di Membranabdeckplatte, die mit dem Ring verbünde und auf eine gewünschte Temperatur gebracht wire erwärmt die Körperoberfläche und aktiviert di Durchblutung des subkutanen Gewebes durch Kapillar wirkung. Somit kann die Elektrode den Partialdruck de arteriellen Sauerstoffs messen.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol gend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F ig. 1 im Schnitt den Aufbau einer Ausführungsfom einer erfindungsgemäß aufgebauten Meßelektrodenan Ordnung,

Fig. 2 eine geschnittene Ansicht den elementare! Bauteile einer anderen Ausführungsform der Erfindung

Fig.3 eine geschnittene Ansicht einer die Bauteil nach Fig.2 aufweisenden Sauerstoff-Meßelektroden anordnung,

F i g. 4 eine geschnittene Ansicht einer Modifikatio der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform,

F i g. 5 eine grafische Darstellung bezüglich de Änderung des Elektrolysestromes mit dem Gasaus tausch bei einer erfindungsgemäß aufgebauten Elektro denanordnung zur transkutanen Sauerstoffmessung um

Fig.6 eine grafische Darstellung bezüglich de zeitlichen Verlaufes des Elektroiysestromes, wie er m einer trahskutavi den Sauerstoff messenden Elektroder

anordnung (44⁰C) an der Haut am Vorderarm einer Person (weiblich, Alter 26 Jahre) tatsächlich ermittelt wurde.

F'ig. I zeigt eine Ausführiingsform einer erfindungsgemäß aufgebauten Elektrodenanordnung zur transkutanen Sauerstoffmessung. In Fig. 1 betrifft das Bezugszeiche" > einen Elektrodenhalter aus einem geeigneten Isoliermaterial, wie Kunststoff. In dem Halter 1 ist eine zylindrische Silberanode 2 eingebettet, deren unteres F.ikIc freiliegt. Das obere F.nde der AnocL 2 ist mit einem Flansch 2' verschen, dessen Umfang iim AiiHiMwmfang des Halters 1 ebenfalls freiliegt. Eine Kathode 3 in Form eines dünnen Metallrohres wird koaxial in Abstand von der Anode durch einen an der Anode 2 befestigten Glaszylinder 4 gehalten. Die Umfangskantc am freiliegenden Ende an der Außenseite des Kathodentrag/ylinders 4 ist abgerundet, und der 1/ ..llw/lnnt-nn/o- .-»·. 1 U .- * '.ft -Ιη-™^_Γ·..Ι| ,,..«-„,-. Ui!,!,,* ,1 „ ίϊ

ι \ <π 11 νινί«, nit <4f v-i ,».lull ι .ι ι in. ι pt ium iiingv. '/iiui-i, ν.!« υ 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 Kathodentragzylindcrs 4.

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

Ferner werden der Bereich der Membran 5 der das Ende der Anode 2 und den Umfangsbereich von Halter I bedeckt, durch eine Abdeckplatte 7 aus Metall angedrückt, in der eine zentrale Öffnung von ähnlicher Größe 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 Oberfläche von einem zu untersuchenden Körper gebracht werden.

Der Endbereich des Elektrodenhalters 1. der außen in Berührung mit dem Ende der Anode steht, ist in geeigneter Weise ab-atzförmig 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 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 Anodenfiäche gespeichertem Elektrolyten zu stabilisieren und eine Verbindung zwischen dem in Ausgleich mit dem Atmosphärendmck stehenden Elektrolyten und der Eiektrolytschicht am Ende der Kathode zu schaffen.

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

Eine andere Ausfilhrungsform ist in F i g. 2 und 3 gezeigt und hat einen Aufbau, der sich leicht zusammenbauen und auseinandernehmen läßt.

In F i g. 2 ist die Sauerstoff-Meßelektrodcnanordnung im auseinandergenommenen Zustand dargestellt. Der Halterteil A hat die Form eines kreisförmigen Rohres, dessen unteres Ende mit einer Elektrodenmcmbran 5 zuvor versehen wurde. Die Membran 5 besteht aus

tcrial wie bei der vorgenannten Ausführungsform. Das Material für den Halterteil A ist grundsätzlich das gleiche wie das Material für die Membran 5, um die Befestigung der Membran 5 am unteren Ende des llalterteiles 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 Cumfaßt eine Kathode 3, z. B. aus Platin oder Gold, eine die Kathode umgebende Anode 2 aus Silber, ein isolierendes Element 4 aus z. B. Glas, das die Elektroden trägt, und eine am oberen Ende des Elektrodenteiles C befestigte Fassung, durch die sich Drähte nach außen erstrecken. Am oberen Elektrodenabdeckteil Dist ein Innengewinde ausgebildet.

Beim Zusammenbauen wird eine kleine Menge, z. B. einige Tropfen Elekt.olyt auf die Membran am Halterteil A aufgegeben und dann der Halterteil A in das Gehäuse Beingesetzt. Danach wird der Elektrodenteil C in den Halterteil A eingeschoben und die Abdeckkappe D auf das Außengewinde am Gehäuse aufgeschraubt.

In F i g. 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 Cumgebende Außengehäuse Bund 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 F i g. 1.

F i g. 4 zeigt eine modifizierte Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten Sauerstoff-Meßelektrodenanordnung 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 F i g. 4 betrifft das Bezugszeichen i den feststehenden Teil eines Eiektrodenhalters aus einem geeigneten Isoliermaterial, wie

909 547/434

Kunststoff. Das Bezugszeichen Γ bezieht sich auf einen lösbaren Teil des Halters in Form eines kreisförmigen Rohres. Das lösbare Rohr Γ entspricht dem Teil A in F i g. 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. Fine Kathode 3 in Form eines dünnen Metallrohres wird durch einen am Halter 1 befestiglen Glaszylinder 4 in koaxialem Abstand von der Anode 2 gehalten. Die Umfangskante am freiliegenden unteren finde des die Kathode 3 !ragenden Glas/.ylinders 4 ist abgerundet, und die Kathode 3 selbst ist dergestalt fiusgebildet. daß das untere linde des Glaszylinders nnch unten über das linde der Anode 2 um eine Wegstrecke vorsteht, die im wesentlichen gleich dem Krümmungsradius der abgerundeten Kante ist. Andererseits liegt das freie linde des Kaihodentrag/ylinders 4 in der gleichen Eibcne 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 durch einen geeigneten Klebstoff oder durch eine Heißverbindung befestigt. LJm eine gute Berührung /wischen Membran 5 und der unteren Stirnfläche der Anode zu erhalten und gleichzeitig dazwischen eine Eiektrolytschicht 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 größer 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 z.u untersuchenden Körper gebracht werden.

Das Ende des feststehenden Teils f 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.

Da der Elektrodenhalter den lösbaren Teil Γ 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 tier Elektrodenanordnung nach Fig.4 ist der Flanschbereich T bei der in Fig. 1 gezeigten Anode 2 weggelassen. Hinsichtlich des Verhaltens bei der transkutanen Messung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes besteht kein wesentlicher Unterschied, wenn

ι der Flanschbereich als Bauteil der Elektrodenanordnung vorgesehen oder weggelassen wird.

Zwei Beispiele für Meßwerte, wie sie mit der in F i g. I gezeigten Elektrodenanordnung zur transkutanen Bestimmung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes er-

Ui mittel! wurden, werden nachfolgend beschrieben. Die Abmessungen dt:v bei diesen Versuchen verwendeten Elektrodenanordnung sind nachfolgend aufgelistet:

Kathode

Material — Gold

Außendurchmesserder Oberfläche
Innendurchmesser der Oberfläche

Anode

2,0 mm
1,^r> mn·

Außendurchniessei" der Oberfläche "> nun

Innendurchmesser der Oberfläche 3 mm

Elektrolyt

Wasser-Glyzerin-KCI-Pufferlösung

(pH Ό)
Γ Ir kt rode η membra η

FoHe aus Polyvin;, !''lcnehlorid von
12 μ Dicke

Ansprechkurvi in bezug auf
den Gasaustausc ι (Eichkurve)

Die Kurve ist in F i g. 5 gezeigt. Die vorbeschriebene erfindungsgemäße Elektrodenanordnung wurde in eine Eichkammer eingesetzt (bei der es sich um ein Gasaustauschgefäß mit einer Kapazität «on etwa 5 ml mit einer kleinen Bohrung im oberen Teil handelt, die in Berührung mit der Flektrodenanordnung 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 Sauerstofi^artialdruck (Konzentration) und andere Eigenschaften der Anordnung können aus dieser Kurve entnommen werden. Die Ergebnisse aus einer solchen Prüfung sind folgende:

(!) Der Reststrom beträgt weniger als 0,2% in bezug auf I atm (760 mm Hg)O₂;

(2) die 80%-Ansprechzeit beträgt 30 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 Oi-Konzentration ist im wesentlichen proportional, was aus dem Vergleich der Ströme für N₂(O₂ = 0), Luft (O₂ = 20,99%) und O₂ beurteilt werden kann.

Bei dem in F i g. 5 gezeigten Versuch wurden auch 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 Temperaturänderung während des Versuchs 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± 0,02'C gehalten. Während die Frau abwtctiselnd Luft und Sauerstoff einatmete, wurde der elektrolytischc Strom aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in F i g. 6 wiedergegeben. Die Pfeile A, B, Cund Din 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 Darstellung gemäß Fig. 6 hervorgeht, beträgt der transkutan gemessene Sauerstoffpartialdruck während eier l.ufteinalmungsphase etwa 90 mm Hg und liegt damit nahe am üblichen Wert für den Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Wut eines durchsL'hr.ittl''.'hen Erwachsenen. Hei mäßiger Inhalation von Sauerstoff betrug der Smicrstoffpartinldruck etwa ¹J]OiHm Hg. Wenn Sauerstoff kräftig eingeatmet wurde, betrug der Siiuersloffpiirtialdruck 57OmHiIh.'. Diese Werte stimmen bei den vorgenannten Bedingungen gut mit den tatsächlichen Saucrstoftwcrten im arteriellen Blut übercin. Das Ansprcchverhalten am Beginn und Ende der Sauerstoffinhalation ist etwas langsamer als die laisächlichen Änderungen in der Arterie; die Ansprechzeiten sind jedoch für praktische klinische Untersuchungen ausreichend kurz.

Im wesentlichen die gleichen (oder sogar etwas bessere) Ergebnisse wurden ηυ eier in F i g. 4 gezeigten Elektrodenanordnung zur 'M.iskutanen .Sauerstoffbestimmung erhalten.

Die Anwendung der herkot imliehcn Elektrodenanordnung zur transkutanen Bestimmung des arteriellen Saucrstoffpartialdruckes ist lediglich auf Kinder bc schränkt. Bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung liegt jedoch ein? 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 Durchblut :np statt, so ciaß eine geeignete und genaue Mersung durchgeführt werden kann. Hierin liegt ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung.
Wenn die vorbeschriebenen Meßdaten und Ergebnis-

Ki se aus dem Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung insgesamt betrachtet und mit entsprechenden Daten einer auf dem Markt befindlichen Elektm denanordnung verglichen werden, ergeben sich folgende Vorteile aus der Erfindung: da die Konfiguralion und

ι-, Fläche der Kathode bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in geeigneter Weise ausgebildet sind, wird sowohl die Gleichmäßigkeit der Reaktion an der Elektrodenoberfläche als auch das S/N-Verhältnis der Reaktion verbessert. Da weiter der Habemechanis-

jii mus für die Elektrodenmembran und für die weiteren Bauleile dei Anordnung auf verschiedene Wei"* ebenfalls verbessert wurden, konnte die Konstanz eier Messung in bemerkenswertem Umfang gesteiget werden. Diese Vorteile tragen mit zu einer gleichmäßi-

_>i gen Erwärmung und ausreichenden Wärmeübertragung auf die zu uniersuchende Oberfläche bei und ermöglichen in Verbindung mit der Auswahl einer geeigneten Folie für die Elektrodenanordnung die Vornahme einer transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdruckes im

in arteriellen Blut eines Erwachsenen, was bislang sehr schwielig war.

Hier/u ή Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur transkutanen Messung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes mit einer Elektrodenanordnung, bestehend aus einer Kathode und einer dagegen isolierten und diese umgebenden rohrförmigen Anode, einem die Anode umgebenden Halter aus elektrisch und thermisch isolierendem Material, einer mit dem unteren Ende des Halters verbundenen und das untere Ende der Elektrodenanordnung abdeckenden Membran, die zwischen sich und der Elektrodenanordnung eine Elektrolytlösung einschließt, und einer Heiz- und Temperatursteuereinrichtung zur Erwärmung der Haut des Patienten, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Teil (6,8) aus wärmeleitendem Material mit hoher Wärmekapazität, das den Halter (1) abitßitzt und die HtIi- und Temperatursteuereinrichtung (13, 15) aufweist, und eine in wärmeleitender Verbindung mit dem unteren Ende des ringförmigen Teils stehende Membranabdeckplatte (7) zur Übertragung der Wärme vom ringförmigen Teil auf die Haut des Patienten, die eine Öffnung hat, an der ein Bereich der Membran, der der unteren Fläche der Elektrodenanordnung (2,3,4) entspricht, freiliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (4) zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) Glas ist.

3. Vorrichving nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jo zeichnet, daß im Halter (1) ein ringförmiger Elektrolyt (9) und eine Luftptssage (10) vorgesehen sind, die den Elektrolyten mit der Außenatmosphäre verbindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekenn- i> zeichnet, daß die Membran (5) die unteren Stirnflächen der Elektroden (2,3) abdeckt und durch die Membranabdeckplatte (7) derart angedrückt wird, daß sie unter einer geeigneten Spannung gestreckt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) mit der unteren Stirnfläche des Halters (1) durch einen Klebstoff verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- -r> zeichnet, 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. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekenn- ίο zeichnet, daß der Halter (1) einen feststehenden, die Anode (2) umgebenden Teil (1) und einen lösbaren Teil (1') umfaßt, mit dem die Membran (5) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- r. zeichnet, daß der lösbare Teil (V) und die Membran (5) durch einen Klebstoff miteinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß der lösbare Teil (V) und die Membran ho (5) aus dem gleichen organischen Material bestehen und durch einen Wärmeklebstoff miteinander verbunden sind.