DE2911343C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenvorrichtung für die transkutane Pco₂-Messung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die direkte Messung des Partialdrucks von Kohlendioxid, Pco₂, mittels einer Pco₂-Elektrode wurde in der Literatur zuerst von Stow und Randall (Am. J. Physiol. Vol. 179, S. 678, 1954, und Arch. Phys. Med. Vol. 38, S. 646-650, 1957) beschrieben.

Die Bauart von modernen Pco₂-Elektrodenvorrichtungen baut sich in erster Linie auf den Arbeiten von J. W. Severinghaus auf.

Pco₂-Elektrodenvorrichtungen enthalten eine CO₂-durchlässige Membran, hinter der eine pH-empfindliche Meßelektrode angeordnet ist. Die Meßfläche bzw. der Meßbereich der pH-empfindlichen Meßelektrode befindet sich in Kontakt mit einem Elektrolyten, dessen pH-Wert eine Funktion seines Pco₂ ist. In der Praxis handelt es sich um eine Bicarbonatlösung, z. B. eine Natriumbicarbonatlösung. Die Bezugselektrode, die sich gleichfalls in Kontakt mit dem Elektrolyten befindet, kann eine Calomelelektrode sein oder, wenn der Elektrolyt ein Chlorid enthält, eine Silberchloridelektrode.

Das Meßprinzip besteht darin, daß der Elektrolyt zwischen der CO₂-durchlässigen Membran und pH-empfindlichen Glaselektrode zu einer durch das Henrysche Gesetz bestimmten Kohlendioxidkonzentration ins Gleichgewicht gebracht wird. Diese ist proportional dem Partialdruck des Kohlendioxids am Äußeren der Membran. Der pH-Wert, der von der Glaselektrode gemessen wird, hängt von dem Verhältnis zwischen Kohlendioxid und Bicarbonat in der Elektrolytschicht zwischen der Glaselektrode und der Membran ab, so daß der gemessene pH-Wert eine Funktion des Pco₂ in der Meßprobe am Äußeren der Membran ist. Wenn die Bicarbonatkonzentration in dem Elektrolyten im richtigen Bereich ausgewählt ist, d. h. 10^-3 bis 10^-1 molar ist, dann kann die Bicarbonatkonzentration für die vorliegenden Zwecke als konstant angesehen werden. Bei diesen Bedingungen gilt folgende Beziehung (die einer 100%igen Empfindlichkeit der Elektrode entspricht):

log Pco₂ = konstant - pH

Geeignete, CO₂-durchlässige Membranmaterialien sind Kautschuk und Silikonkautschuk, die beide gegenüber Kohlendioxid besonders durchlässig sind. In den letzteren Jahren wurden jedoch insbesondere Teflonmembranen für Pco₂-Elektrodenvorrichtungen bevorzugt. Teflonmembranen sind in Dicken bis zu 6 µm herunter verfügbar, und die Kohlendioxid-Durchlässigkeit des Teflons ist für diesen Zweck zufriedenstellend.

Pco₂-Elektrodenvorrichtungen für Messungen in Blutproben sind normalerweise in einer thermostatierten Meßzelle angeordnet. Die komplette Meßvorrichtung enthält ein pH-Meter mit erweiterter Skala in einem genügenden Intervall von etwa 6 bis 8 pH. Um eine bessere Genauigkeit als 1% bei der Messung von Pco₂ in Blutproben zu erhalten, muß die Temperatur in der thermostatierten Meßzelle mit einer Genauigkeit von weniger als 0,2°C reguliert werden, da der Pco₂-Wert der Blutprobe um 4 bis 6% pro °C variiert.

In den letzten Jahren sind Pco₂-Elektrodenvorrichtungen entwickelt worden, die den Pco₂-Wert des Bluts des Patienten transkutan und nicht-invasiv messen. Die CO₂-durchlässige Membran der Pco₂-Elektrodenvorrichtung wird dabei gegen die Haut des Patienten gelegt anstelle daß sie mit der Blutprobe in Kontakt gebracht wird.

In den für diesen Zweck beschriebenen Elektrodenvorrichtungen wird eine Thermostatierung auf 37 bis 45°C vorgenommen, d. h. eine Thermostatierung auf eine Temperatur oberhalb der normalen Hauttemperatur. Diese Thermostatierung hat einen doppelten Zweck, nämlich einerseits eine lokale Vasodilatation zu erzeugen, wodurch eine lokale Hyperämie zur thermischen Stimulierung des Blutflusses in der Haut im Meßbereich bewirkt wird, und andererseits, wie oben erläutert, die Elektrodenvorrichtung bei einer gut definierten und exakten Meßtemperatur zu halten, um exakte Pco₂-Meßwerte zu erhalten.

Eine transkutane Pco₂-Elektrodenvorrichtung wurde bereits 1960 beschrieben (J. W. Severinghaus, Anesthesiology 21, No. 6, S. 717-726, 1960). In dieser Arbeit beschreibt Severinghaus die Anwendung einer herkömmlichen Pco₂-Elektrode für die transkutane Messung. Die Meßelektrode (Glaselektrode) in der Elektrodenvorrichtung war von einem Mantel für einen Strom von thermostatiertem Wasser umgeben. Wärme wurde aus dem Wassermantel auf dem Wege über die Meßelektrode auf die Haut übertragen. Im Jahre 1973 beschrieben A. Huch et al. (Anaesthesist, 22, 379, 380, 1973) eine erhitzte Pco₂-Elektrode für die transkutane Pco₂-Messung. Die Sensorelektrode (die Glaselektrode) in der Elektrodenvorrichtung war von einem elektrisch beheizten Silbermantel umgeben, wobei die Bezugselektrode nicht thermostatiert war. Die notwendige Wärme für die Erzeugung einer Hyperämie in der Haut im Meßbereich wurde direkt von dem Silbermantel auf die Haut übertragen. Im Jahre 1977 (The Lancet, 7. Mai, 982, 983, 1977) wurde diese Elektrode in der Weise modifiziert, daß auch die Bezugselektrode (eine Ag/AgC1-Elektrode) von dem elektrisch beheizten Silbermantel umgeben war, der die notwendige Wärme für die Erzeugung einer lokalen Hyperämie in der Haut im Meßbereich lieferte. In den DE-OS 23 05 049 und 24 23 441 werden transkutane Pco₂-Elektrodenvorrichtungen beschrieben, die nach diesem Prinzip aufgebaut sind. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 geht von diesem Stand der Technik nach "The Lancet" aus.

Eine andere Elektrodenvorrichtung ist aus der DE-GM 74 22 154 bekannt. Diese Elektrodenvorrichtung ist eine polarografische Elektrodenvorrichtung, d. h. sie dient in erster Linie zur Sauerstoffpartialdruckmessung und nicht zur Pco₂-Messung.

Im Gegensatz zu der Po₂-Messung ist die Pco₂-Messung eine potentiometrische Messung, wobei die gemessene Größe eine elektrische Spannung ist. Die Größe dieser Spannung ist in viel höherem Maße temperaturabhängig als die Schwankungen des Stroms, der bei der Pco₂-Messung gemessen wird. Elektrodenvorrichtungen zur Po₂-Messung lassen sich daher nicht mit Elektrodenvorrichtungen zur Pco₂-Messung verleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem oben zitierten Stand der Technik ("The Lancet", 7. Mai, 982, 983, 1977) eine Elektrodenvorrichtung anzugeben, die kleiner und leichter als diese bekannte Vorrichtung ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Elektrodenvorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Die Bezugselektrode ist vorzugsweise eine Silber/Silberchlorid-Elektrode, anders ausgedrückt, ein Silberkörper. Einerseits erfüllt sie in optimaler Weise die elektrochemischen Erfordernisse hinsichtlich der Funktion als Bezugselektrode und andererseits ist das Material auch hinsichtlich der Wärmeleitungseigenschaften ausgezeichnet.

Um eine am meisten kompakte Konstruktion zu erhalten, die zur gleichen Zeit den Erfordernissen des notwendigen Wärmetransports genügt, wird es bevorzugt, daß die Bezugselektrode als Hohlzylinder geformt ist, der konzentrisch um die Meßelektrode herum angeordnet ist.

Es wird bevorzugt, daß die elektrische Heizeinrichtung, die die Bezugselektrode erhitzt, eine Zenerdiode ist. Eine typische Zenerdiode zur Verwendung für die erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung ist eine Zenerdiode mit einer Zenerspannung in der Gegend von 5 bis 20 V, z. B. etwa 12 V. Der Vorteil der Verwendung einer Zenerdiode liegt darin, daß, wenn diese als Heizvorrichtung verwendet wird, die Zenerdiode einen im wesentlichen stromunabhängigen Spannungsabfall hat, was bedeutet, daß der Energieverbrauch in einfacher Weise mittels eines Amperemeters überwacht werden kann, welches eine erheblich einfachere Einrichtung ist als ein Wattmeter. Die Überwachung des Energieverbrauchs der Zenerdiode kann angewendet werden, um eine Anzeige des Blutflusses in der Haut in Kontakt mit der Elektrodenvorrichtung zu erhalten, da der Wärmeverbrauch der Elektrodenvorrichtung mit steigendem Blutstrom zunimmt. Es ist allgemein bekannt, daß bei transkutanen Blutgasmessungen es von Wichtigkeit sein kann, gleichzeitig eine Überwachung des Blutflusses in dem Meßbereich vorzunehmen. Ein weiterer Vorteil einer Zenerdiode liegt darin, daß sie eine einfache und verläßliche Regulierung des Erhitzens, z. B. mittels eines geeigneten Stromgenerators, gestattet. Schließlich hat die Zenerdiode eine geeignete physikalische Gestalt, um in Elektrodenkonstruktion gebildet zu werden.

Es ist bekannt (DE-GM 74 22 154), Elektrodenvorrichtungen für die transkutane Sauerstoffpartialdruckmessung mit einer Meßelektrode zu gestalten, welche von einer Bezugselektrode umgeben ist, die gleichzeitig die Thermostatierung bewirkt und die notwendige Hitze zur thermischen Stimulierung des lokalen Blutflusses in dem Meßbereich überträgt. Die vorliegende Erfindung wird jedoch durch diese bekannten Po₂-Elektrodenvorrichtungen nicht nahegelegt. Grundlegende elektrochemische Unterschiede zwischen der Po₂-Messung und der Pco₂-Messung stellen nämlich den Grund dar, warum der Fachmann nicht in Betracht gezogen hat, die Bezugselektrode die Funktion des Wärmeleiters in Pco₂-Elektrodenvorrichtungen übernehmen zu lassen.

Die Po₂-Messung ist eine polarographische Messung, wo der Parameter, der als Ausdruck des Po₂-Wertes des Meßobjekts gemessen wird, ein elektrischer Strom ist. Im Gegensatz dazu ist die Pco₂-Messung eine potentiometrische Messung (eine pH-Messung), wo die gemessene Menge eine elektrische Spannung ist. Die Größe dieser Spannung variiert, abgesehen davon, daß sie mit dem pH-Wert im Elektrolyten variiert, auch in einem erheblichen Ausmaß entsprechend der Elektrodentemperatur, mit Einschluß der Temperatur der Bezugselektrode. Es wäre demnach als unmöglich anzusehen, daß eine Bezugselektrode, die dazu bestimmt wäre, Energie für die thermische Stimulierung des Blutflusses in der Haut zuzuführen, gleichzeitig so exakt thermostatiert werden könnte, daß ihre Temperatur innerhalb der Genauigkeit gehalten werden könnte, die durch ihre Funktion als Bezugselektrode erforderlich wäre, d. h. von 0,2°C. Die Entwicklungsgeschichte der transkutanen Pco₂-Elektrode bestätigt, daß die Möglichkeit des Erhalts dieses Ergebnisses bislang nicht in Betracht gezogen wurde. Gemäß der Erfindung wurde jedoch festgestellt, daß bei einer geeigneten Gestalt des Bezugselektrodenkörpers es möglich ist, eine Thermostatierungsgenauigkeit von mehr als 0,2°C mit der normalen Wärmeeingabe zu erhalten, die für die thermische Stimulierung des Blutflusses in dem Meßbereich erforderlich ist.

Dies erscheint auch als theoretisch möglich, wenn man als Modell einen Zylinder mit einem Radius von a cm und einer Länge von 1 cm, der direkt erhitzt wird, nimmt.

Im "stetigen Zustand" wird die Temperatur in axialer und radialer Richtung durch die folgenden Gleichungen gegeben:

daraus ergibt sich:

Um eine Thermostatierungsgenauigkeit von mehr als 0,2°C für die fragliche Wärmezuführung zu erhalten, muß der folgenden Gleichung genügt werden:

ν₁ + ν _a 0,2°C

Wenn man die Werte für ν₁ und ν _a einsetzt, dann erhält man die folgenden Beziehungen:

Durch Einsetzen von A _o (d. h. der Wärmezuführung, die erforderlich ist, um eine Vasodilatation zu erzeugen und Wärmeverluste an die Umgebung bei der fraglichen Temperatur zu kompensieren) kann die Gleichung gelöst werden. Die Lösungen der Gleichung für verschiedene Werte von A _o sind in Fig. 1 angegeben. In den obigen Gleichungen haben die Symbole die folgenden Bedeutungen:

A _o = Erzeugung von Hitze, a= Radius des Zylinders, cmK= thermische Leitfähigkeit, l= Länge des Zylinders, cmν= Temperatur, °Cν₁= Temperatur in axialer Richtung, °C ν _a = Temperatur in radialer Richtung, °C

So kann z. B. der Radius des Zylinders bei 0,5 cm fixiert sein. Aus Fig. 1 kann dann die maximale zulässige Länge für eine Silberbezugselektrode für verschiedene Werte von A _o abgelesen werden, wenn die erforderliche thermostatische Genauigkeit 0,2°C beträgt:

Für A _o : 0,2 1 max = 1,37 cm für A _o : 0,4 1 max = 0,93 cm für A _o : 0,67 1 max = 0,69 cm für A _o : 0,80 1 max = 0,61 cm für A _o : 1,07 1 max = 0,51 cm.

Es wird darauf hingewiesen, daß die obigen theoretischen Berechnungen lediglich zeigen sollten, daß die notwendige Thermostatierung tatsächlich erhalten werden kann. Im praktischen Einzelfall können die Bedingungen gewöhnlich (durch Bildung in eine Elektrodenkapsel etc.) günstiger sein als bei den obigen Berechnungen angenommen wurde. Im Einzelfall kann man daher gegebenenfalls nach anfänglichen Errechnungen, um eine Richtlinie zu haben, die Bauart der Bezugselektrode in einer solchen Weise ausgestalten, daß sie im eingebauten Zustand bei den Betriebsbedingungen der Elektrode eine Thermostatierungsgenauigkeit von 0,2°C oder mehr aufrechterhält.

Als Temperatursensor für die Bezugselektrode ist ein Thermistor sehr gut geeignet.

Die erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung wird auf die Haut des Patienten in einer solchen Weise aufgebracht, daß die CO₂-durchlässige Membran von einer Verbindung mit der Atmosphäre abgeschirmt ist. Die Vorrichtung wird elektrisch mit der hierfür angepaßten Meßeinrichtung verbunden. Eine solche Einrichtung enthält einen Verstärker und die gewünschten Umwandlungs- und Registrierungseinheiten, zusammen mit einer Temperaturregistrierungs- und -regulierungseinheit (Stromzuführungseinheit) für die elektrische Erhitzung und Thermostatierung der Bezugselektrode. Die Elektrodenvorrichtung der Erfindung kann auch zusammen mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung des pH-Werts des Blutes des Patienten verwendet werden, wie sie z. B. in der DE-OS 29 05 807 beschrieben wird.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung dargestellt. In einem Gehäuse 1 aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. ABS (Acryl-Butadien-Styrol), ist eine Bezugselektrode 2 angeordnet. Die Bezugselektrode ist ein hohler, zylindrischer Silberkörper. In der kreisförmigen, zylindrischen Höhlung dieses Körpers ist eine Meßelektrode 3 angeordnet, die eine pH-Meßelektrode ist. Ihre Meßoberfläche 4 steht in Kontakt mit einer Natriumbicarbonatlösung 5, die als Elektrolyt dient und die in dem Elektrolytenraum, der nach außen durch eine Teflonmembran 6 begrenzt wird, angeordnet ist. Zwischen der Membran und der Oberfläche der pH-Meßelektrode ist eine dünne, poröse Schicht 7, z. B. ein Nylongewebe, Cellophan oder ein Josephpapier, angeordnet. Diese Schicht ist mit der Bicarbonatlösung getränkt. Die Membran 6 ist mittels eines O-Rings 8 fixiert. Ein Einschnitt 9 in dem Silberkörper dient als Elektrolytreservoir. Als elektrische Erhitzungseinrichtung ist eine Zenerdiode 10 in den Silberkörper eingesetzt und als Temperatursensor ist ein Thermistor 11 eingesetzt.

Die Kapsel 1 ist mit einem Deckel 12 verschlossen. Ihre innere Höhlung ist mit einem Epoxyharz 13 gefüllt. Ein Kragen 14, in dem die Kapsel 1 fixiert ist, z. B. in dem Kragen mittels eines Gewindes 15 eingeschraubt ist, stellt eine Kontaktfläche 16 dar, die mit einem doppelseitigen Klebstoffilm beschickt werden kann, um die Elektrodenvorrichtung auf die Haut aufzubringen und den Kontakt zwischen der Atmosphäre und der CO₂-durchlässigen Membran zu eliminieren. Es wird oftmals bevorzugt, ein Kontaktgel oder eine Kontaktflüssigkeit zwischen die CO₂-durchlässige Membran und die Haut aufzubringen, um einen besseren Kontakt zu erhalten.

Bei Verwendung der Elektrodenvorrichtung kann der Kragenteil 14 in geeigneter Weise auf der Haut verbleiben, wenn die Elektrodenvorrichtung kalibriert wird. Die Elektrodenvorrichtung wird dann aus dem Kragen herausgeschraubt, kalibriert und hierauf erneut in den Kragen eingeschraubt, möglicherweise nach Aufbringung eines neuen Kontaktgels oder einer neuen Kontaktflüssigkeit.

Die Dimensionen der in Fig. 2 dargestellten Elektrodenvorrichtung sind geeigneterweise ungefähr wie folgt:

Radius der gesamten Elektrodenvorrichtung minus Kragen0,8 cm Höhe der Gesamtelektrodenvorrichtung1,4 cm Radius des Silberkörpers 20,45 cm Höhe des Silberkörpers 20,7 cm.

Claims (4)

1. Elektrodenvorrichtung für die transkutane Pco₂-Messung, mit einer Kapsel, die für die Aufbringung auf eine Hautoberfläche geeignet ist, mit einer CO₂-durchlässigen Membran, die als Kontaktfläche gegen die Haut dient, mit einer pH-empfindlichen Meßelektrode, die hinter der Membran angeordnet ist, wobei sich die Meßfläche der Elektrode in Berührung mit einem Elektrolyten befindet, der zwischen der Meßfläche und der Membran angeordnet ist, mit einer Bezugselektrode, die mit dem Elektrolyten in Verbindung steht und mit einer Heizeinrichtung zur Thermostatierung der Meßelektrode und zur thermischen Stimulierung des Blutflusses in der Haut an der Meßfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizeinrichtung (10) in direktem, wärmeleitendem Kontakt in der Bezugselektrode (2) angeordnet ist, so daß sie nicht in direktem wärmeleitendem Kontakt mit der Haut steht und daß die Bezugselektrode (2) die Meßelektrode umgibt derart, daß sie sich in direktem wärmeleitendem Kontakt mit der Meßelektrode (3) zu deren Thermostatierung und auch in wärmeleitendem Kontakt mit der Membran (6) für die thermische Stimulierung des lokalen Blutflusses befindet.

2. Elektrodenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (2) ein Hohlzylinder ist, der konzentrisch um die Meßelektrode (3) herum angeordnet ist.

3. Elektrodenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (2) eine Silber/Silberchlorid-Elektrode ist.

4. Elektrodenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Zenerdiode (10) ist.