DE2918951A1

DE2918951A1 - Vorrichtung zur transkutanen messung des sauerstoffpartialdruckes im arteriellen blut

Info

Publication number: DE2918951A1
Application number: DE19792918951
Authority: DE
Inventors: Tamotsu Fukai; Bunji Prof Hagihara; Isao Isshiki; Kikuo Nomura; Kenichi Yoshida
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1978-05-12
Filing date: 1979-05-10
Publication date: 1979-11-22
Also published as: JPS54183188U; JPS5613934Y2; US4407291A; FR2425232A1; GB2020823B; IT7953252V0; SE7904012L; IT7968003A0; GB2020823A; FR2425232B1; IT1118661B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut.

Eine Messung des Sauerstoffpartialdruckes im Blut, insbesondere im arteriellen Blut, ist ein wichtiger Bestandteil bei der Atmungskontrolle eines neugeborenen Kindes oder bei intensiver Pflege eines Patienten.

Bisher ist im allgemeinen ?.um Messen der Konzentration des Sauerstoffes im Blut, nämlich des Sauerstoffpartialdruckes PO- im Blut, ein Verfahren angewendet, das direkt den Partialdruck des Blutes mißt, das von p.iner Arterie entnommen wurde. Ein solches Verfahren ist jedoch zur kontinuierlichen Messung nicht geeignet und außerdem weist dieses Verfahren ein Problem auf, indem es dem Patienten Schmerzen bereitet. Insbesondere für ein neugeborenes Kind ist eine Atmungskontrolle notwendiq, um eine Funktionsstörung des Gehirns oder ähnliche tötliche Funktionsstörunaen infolge der niederen Sauerstoffkonzentration zu verhindern oder einen Schaden in der Netzhaut infolae der übermäßigen Sauerstoffkonzentration zu vermeiden. Für solch ein neugeborenes Kind muß die Sauerstoffkonzentration in der das Kind umgebenden Atmosphäre sorgfältig durch Verwendung des gemessenen Wertes des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut gesteuert werden, und zu diesem Zweck ist eine kontinuierliche oder Echtzeitmessung des Sauerstoffpartialdruckes notwendig.

Ein Verfahren mit einer transkutanen Sauerstoffelektrode, das sich von der direkten Messung unterscheidet, bereitet dem Patienten keinerlei Schmerzen. Das Verfahren ist zur dauerhaften kontinuierlichen Messung geeianet, da es den Sauerstoff an der Hautoberfläche auffängt und den Sauerstoff mißt, der aus dem Blut stammt und durch die Haut wandert. Das Verfahren mit einer transkutanen Sauerstoffelektrode verwendet speziell zusammengesetzte, Clarkelement genannte Elektroden, die eine Erhitzunaseinrichtuna

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zur Erlanaung einer konstanten Temperatur aufweist, um die Haut des Patienten zu erwärmen. Wenn sie an die Haut des Patienten befestxCTt wird, erreicht der Sauerstoff, der sich von dem subkutanen Gewebe ausbreitet, die Oberfläche der aus Edelmetall, wie Platin oder Gold,bestehenden Kathode, wobei der Sauerstoff durch eine Elektrodenmembran tritt, die zwischen der Haut und den Elektroden angeordnet ist. Daraufhin reagiert der Sauerstoff mit der Kathode und wird zu Wasser reduziert. Durch Messung des elektrolytischen Stromes, der durch die chemische Reaktion erzeugt wird, kann der Sauerstoffpartialdruck PO« erhalten werden. In solch einer Messung wird durch Erhitzen des Teiles der Haut, die mit der Elektrode bis zu einer geeigneten Temperatur in Berührung steht, das subkutane Gewebe örtlich arteriengleich, wodurch der zu messende Sauerstoffpartialdruck weitestgehend gleich dem des arteriellen Blutes ist.

Im folgenden wird das PrinziD der transkutanen Messung der Partialsauerstoffkonzentration des arteriellen Blutsauerstoffes verdeutlicht. Wenn ein Sensor mit einer Anode aus Silber oder einer Kathode aus Edelmetall, wie Platin oder Gold, auf die Haut des Patienten durch einen doppelseitig anhaftenden Streifen angelegt wird, und die Anode auf 43 bis 44 ⁰C erhitzt wird, wird das Hautgewebe im Teil unter der Anode und seinem benachbarten Hautgewebe erhitzt und dadurch arteriengleich gemacht. Der Sauerstoff wandert vom Blutgefäß durch das Hautgewebe, tritt durch eine Membran , die die sich berührenden Flächen der Elektroden abdeckt und löst sich in dem Elektrolyten auf, der zwischen der Membran und den Elektrodenflächen gehalten wird und hauptsächlich aus einer KCl-Lösung besteht, und erreicht die Oberfläche der Kathode. Wenn eine Gleichstromspannung zwischen 0,5 und 0,8 V an die Kathode und die Anode in der Weise angelegt wird, daß die Anode positiv in Bezug auf die Kathode ist, findet eine Reduktionsreaktion des Sauerstoffes an der Kathodenoberfläche, und eine Oxidationsreaktion des Silbers an der Anode statt, da der Sauerstoff aus dem arteriellen Blut an die Elektrodenoberflächen gelangt. Die Reduktionsreaktion ist auf der Oberfläche der aus Gold oder Platin bestehenden Kathode, im Falle, daß der Elektrolyt sauer ist:

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O₂ + 4H⁺ + 4e > 2H0 (1),

oder im Falle, daß der Elektrolyt basisch ist:

O₂ + 2H₂O + 4e *■ 40H~ (2).

In beiden obigen Reaktionen wird eine Anzahl Elektronen, die proportional zu der die Kathode erreichenden Menge der 0~-Moleküle verbraucht.

Gleichzeitig ist die Oxidationsreaktion bei einem beliebigen pH-Wert auf der Oberfläche der Anode aus Silber:

4Ag + 4Cl" > 4AgCl + 4e (3).

Infolgedessen wird eine Anzahl an Elektronen erzeugt, die der Menge des Sauerstoffs entspricht, der die Kathode erreicht. Demzufolge fließt ein Strom zwischen der Anode und der Kathode, und die Stärke des Stromes ist proportional zu der Anzahl der Sauerstof fmoleküle,die durch die Membrane hindurchtreten,und folglich proportional zum Sauerstoffpartialdruck in dem subkutanen Gewebe und in dem arteriellen Blut.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Messung des transkutanen Blutsauerstoffes vorgeschlagen worden, die eine kappenförmige Elektrode, einen topfförmigen Erhitzerteil mit darin eingebautem Erhitzer, sowie eine Membran und einen Dichtungsring aufweist. Hierbei besteht die Elektrode aus einer rohrförmigen Kathode aus Edelmetall, sowie einer rohrförmigen aus Silber bestehenden Anode _r die koaxial angeordnet ist und die Kathode umgibt. Darüber hinaus ist noch ein Isolator aus Glas vorgesehen, der in die Zwischenräume der Anode und der Kathode eingefüllt wird. Im Zentrum des Erhitzerteiles ist eine runde öffnung vorgesehen, durch die das Blut aus der Arter.ie in die Vorrichtung treten kann.

Diese Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß verschiedene Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen, um eine genaue Messung zu gewährleisten. So muß die öffnung dieselbe Krümmung wie

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die Hautoberfläche aufweisen, das Gerät mit dem gleichen Anpreßdruck auf die Haut angebracht werden muß, und darüber hinaus die Gefahr besteht, bei einem übermäßigen Anpreßdruck auf die Membrane ein Herausquetschen des Elektrolyten zu bewirken. Weiterhin weist der Teil der Membrane, der sich unterhalb der Kathode befindet, nicht dieselbe Temperatur wie der restliche Teil der Membrane auf, da die öffnung zu groß ist.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Messung des transkutanen Blutsauerstoffes vorzusehen, die eine genauere Messung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die eingangs erwähnte Ausführung einer Begrenzung der Fläche der öffnung des plattenförmigen, die Haut erhitzenden Teiles, wird es leichter,

einen fortwährend dichten Kontakt der Fläche der öffnung mit der Hautfläche zu ermöglichen,

ein Herausquetschen des Elektrolyten aus der Öffnung zu verhindern, und

eine gleichmäßigere Temperatur auf der Hautoberfläche in dem Bereich zu erzielen, der der Öffnung ausgesetzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel sowie ein Beispiel aus dem Stand der Technik werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Aufriß eines vorgeschlagenen Gerätes zur transkutanen Messung des Blutsauerstoffes, und

Fig. 2 einen Aufriß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gerätes zur Messung des transkutanen Blutsauerstoffes .

Wie Fig. 1 zeigt, ist das vorgeschlagene Gerät zur transkutanen Messung des Blutsauerstoffes ausgerüstet mit

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einem kappenförmigen Elektrodenteil 1,

einem topfförmigen Erhitzerteil 2, der den Elektrodenteil umgibt, einem Membranteil 3, der eine sauerstoffdurchlässige Membrane 8 klemmt und in einem Zwischenraum angeordnet ist, der zwischen dem Elektrodenteil 1 und dem Erhitzerteil 2 gebildet wird, einem Dichtungsring 4, der einen Zwischenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten E abdichtet,

einem Erhitzer 5, der in einer ringförmigen Aussparung eingelagert ist, die in einem ringförmigen Metallblockteil eines Erhitzerteiles 2 vorgesehen ist,

Verbindungsbolzen 6, die den Elektrodenteil 1 und den Erhitzerteil 2 mit dem dazwischen angeordneten Membranteil 3 verbinden.

Der Erhitzerteil 2 weist einen, die Haut erhitzenden, sich zentrisch erstreckenden plattenförmigen Teil 7 auf, der im Zentrum eine runde öffnung 14 besitzt, und

der Elektrodenteil 1 weist eine dünne, rohrförmige Kathode 10 aus einem Edelmetall, wie Platin oder Gold, eine dicke,rohrförmige Anode 11 aus Silber, die koaxial angeordnet ist, um die Kathode 10 zu umgeben, und einen Isolator 12 aus Glas auf, das in den Zwischenräumen in der Anode 11 und in der Kathode 10 gefüllt sind.

In der oben erwähnten Ausführung ist der Elektrolyt E mindestens in einer dünnen öffnung zwischen den unteren Stirnwandungen der Kathode 10, der Anode 11, des Isolators 12 und der Membrane 8 vorgesehen. Demzufolge reagiert der Sauerstoff, der von dem subkutanen Gewebe des Patienten stammt und durch die sauerstoffdurchlässige Membrane 8 durchtritt, elektrochemisch mit dem Elektrolyten E. Dadurch kann die Sauerstoffkonzentration oder der Sauerstoffpartialdruck durch Messen der elektrochemischen Menge, die in der Reaktion hergestellt wird, gemessen werden. In dem eingangs erwähnten Gerät der Fig. 1 sollten folgende Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um eine genaue Messung zu gewährleisten, nämlich

daß die öffnung 14 an die Hautfläche mit derselben Krümmung befestigt wird, daß die Vorrichtung an die Haut mit dem-

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selben Kontaktdruck befestigt wird und,

daß die Vorrichtung an die Haut mit solch einem gemäßigten Druck befestigt wird, so daß die Haut die Membran nicht so übermäßig drückt, was zu einem Herausquetschen des Elektrolyten aus der dünnen öffnung führen würde, wodurch die Messung ungenau wird.

Da weiterhin ein beträchtlicher Bereich der Membran durch die Öffnung 14 nicht dem hauterhitzenden Teil 7 ausgesetzt ist, ist es zuweilen schwierig, dieselbe Temperatur des Teiles der Hautoberfläche, die sich direkt unter der Kathode 10 befindet, und des des umgebenden Hautteiles weitgehend zu erreichen.

Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird im einzelnen anhand der Figur 2 verdeutlicht.

Die Vorrichtung von Fig. 2 weist einen kappenförmigen Elektrodenteil 101, einen topfförmigen Erhitzerteil 102 und eine Membran 103 auf, der eine sauerstoffdurchlässige Membran 108 an seinem unteren Ende klemmt und in einem Zwischenraum angeordnet ist, der zwischen dem Elektrodenteil 101 und dem Erhitzerteil 102 gebildet wird. Ein Dichtungsring 104, beispielsweise aus synthetischem Gummi, ist zwischen dem Kopfende des Membranteiles 103 und der unteren Fläche des Kappenteiles des Elektrodenteiles 101 angeordnet. Eine Heizung 105 ist in einer kreisförmigen Aussparung eingelagert, die einen ringförmigen Metallblock eines Erhitzerteiles 102 umgibt. Verbindungsbolzen 106 verbinden den Elektrodenteil 107 und den Erhitzerteil 1O2 mit dem dazwischen liegenden Membranteil 103 und dem Dichtungsring. Der Erhitzerteil 102 ist aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt und weist einen am Umfang verlaufenden Ring, in dem die Heizung 105 eingelagert ist, und eine die Haut erhitzende, sich mittig erstreckende Grundplatte 107 auf, die mittig eine relativ kleine runde öffnung 114' besitzt. Der Rand der öffnung 114" hat einen verjüngenden Teil, wobei der Rand der Öffnung 114' zur unteren Fläche des Erhitzerteiles 107 hin vollständig abflacht. Bei Verwendung einer Ausführung vom Typ Clark weist der Elektrodenteil 101 eine dünne, rohrförmige Kathode 110 aus Edelmetall, wie Platin oder Gold, eine dicke, rohrförmige Anode 111 aus Silber, die koaxial angeordnet

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ist, um die Kathode 110 zu umgeben und einen Isolator 112 aus Glas auf, das in den Zwischenräumen in der Anode 111 und in der Kathode 110 eingefüllt ist. Alternativ hierzu kann die Kathode auch aus einem Bündel feiner Nadeln bestehen, die gleichmäßig in einem definierten Bereich angeordnet sind, beispielsweise einem kreisförmigen Bereich, der koaxial zu der Anode 111 ist. Für die Membran werden solche sauerstoffdurchlässige und hydrophobe Kunststofffilme aus Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluoräthylen, Polypropylen und Polyester verwendet.

Die Stirnseite, d.h. die untere Fläche des Elektrodenteiles 101 weist einen zentralen vorspringenden Teil 108 auf. Die untere Stirnseite des Isolators 112 des Elektrodenteiles 101 ist nämlich in der Weise geformt, daß es einen vorstehenden Teil 109 in der Mitte aufweist, wodurch sich die untere Stirnfläche der Kathode 110 im vorstehenden Teil 109 befindet. Die relativ kleine runde Öffnung 114' weist andererseits eine Größe auf, die geringfügig größer ist als die des vorstehenden Teiles 109. Demzufolge ist der vorstehende Teil 109, der mit der elektrolytischen Schicht E¹ und der Membran 108 überzogen ist, nur in der öffnung. Die untere Stirnseite des vorstehenden Teiles 109 ist in einer solchen Stellung angeordnet, daß die untere Seite der Membran 108 im Bereich des vorstehenden Teiles 109 geringfügig von der Ebene der unteren Seite des die Haut erhitzenden Teiles 107 versetzt ist. Die Membran 108 hat eine vorbestimmte Spannung, wenn der Membranteil 103 zwischen dem Elektrodenteil 101 und dem Erhitzerteil 102 eingepaßt ist, da die Membran 108 durch den vorstehenden Teil 109 und den abgeflachten Rand an der öffnung 114' des die Haut erhitzenden Teiles 107 angespannt wird.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nur der kleine vorstehende Teil 109 des Elektrodenteiles 101 der Haut zugewandt, die durch die enge Öffnung 114' in dem die Haut erhitzenden Teil 107 verläuft. Infolge der geringen Größe der öffnung kann daher die Hautoberfläche im Bereich der Öffnung gleichmäßig erhitzt werden. Da die Fläche der Membran 108, die mit der Hautoberfläche in Berührung tritt, außerdem auf eine kleine Fläche auf dem vorstehenden Teil 109 begrenzt ist,

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wird ein zu großer Druck auf die Membran weniger wahrscheinlich, so daß die Gefahr vermindert wird, daß der Elektrolyt E¹ durch
das übermäßige Pressen der Membran herausgequetscht wird. Demzufolge wird die Genauigkeit und Stabilität der Messung wesentlich verbessert.

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Leerseite

Claims

PAT E N TA TJ WA LT E KLAUS D. KIRSCHNER WOLFGANG GROSSE D I PL.-PHYS IKER DIPL -INGENIEUR Sumitomo Electric Industries, Ltd. Osaka, Japan Bunji Hagihara Suita City, Japan HERZOG-WILHELM-STR. 17 D-8 MÜNCHEN 2 IHR ZEICHEN: YOUR REFERENCE: UNSER ZEICHEN: OUR REFERENCE: H 3442 K/UK DATUM: 10. Mai 1979 Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut mit

(a) einem Elektrodenteil (101), der eine Kathode (110) und eine die Kathode umfassende Anode (111) aufweist, die durch einen dazwischen liegenden Isolator (112) isoliert sind,

(b) einem die Haut erhitzenden Erhitzerteil (102) mit einer Öffnung und mit

(c)einer sauerstoffdurchlässigen Membran (108), die zwischen dem Erhitzerteil (102) und den Stirnflächen des Elektrodenteils (101) angeordnet ist und die die Stirnflächen abdeckt, zum Zurückhalten des Elektrolyten in einer öffnung zwischen der Membran und den Stirnflächen des Elektrodenteils,
dadurch gekennzeichnet, daß

(d) der Elektrodenteil (101) einen vorstehenden Teil (109) aufweist, an dessen Endfläche eine Stirnfläche der Kathode (110) freigelegt ist, und, daß

(e) der vorstehende Teil (109) passend in der öffnung (114') in

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der Weise gehalten wird, daß die Außenfläche der Membran (108), die den vorstehenden Teil (109) abdeckt, im wesentlichen mit einer die Haut berührenden Fläche des Hauterhitzerteils ausgerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode ein Bündel feiner Nadeln aus Edelmetall ist, die gleichmäßig in einer kreisförmigen Fläche angeordnet wird, die koaxial zur Anode ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (110) koaxial zur Anode angeordnet ist und aus einem dünnen Rohr aus Edelmetall besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (110) aus einem Edelmetall aus der Platin und Gold enthaltenden Gruppe besteht und daß die Anode (111) aus Silber ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (108) aus einem sauerstoffdurchlässigen hydrophoben plastischen Film ist, der aus der Gruppe, bestehend aus Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluoräthylen, Polypropylen und Polyester, ausgewählt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzerteil (102) aus einem gut wärmeleitenden Material besteht und einen am Umfang verlaufenden Ring, in dem eine Heizung eingelagert ist, und eine Grundplatte aufweist, die wärmeleitend mit dem Ring verbunden ist, wodurch ein topfförmiger einheitlicher Körper gebildet wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (108) an einen zylindrischen Membranhalter befestigt wird, der zwischen einem unteren Bereich eines Kappenteils des Elektrodenelementes und der oberen Fläche der Grundplatte angeordnet ist, wodurch ein einen Elektrolyten (E¹)aufnehmender Zwischenraum gebildet wird, der mit der öffnung

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verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzerteil (102) einen abgeflachten Teil am Rand der Öffnung aufweist, wodurch der Membran eine vorgegebene Spannung durch Zug des abgeflachten Teiles und des vorstehenden Teiles gegeben wird.

9. Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut insbesondere nach Anspruch 1 mit

(b) einem die Haut erhitzenden Erhitzerteil (102) mit einer Öffnung und mit

(c) einer sauerstoffdurchlässigen Membran (108), die zwischen dem Erhitzerteil (102) und den Stirnflächen des Elektrodenteils (1O1) angeordnet ist und die die Stirnflächen abdeckt, zum Zurückhalten des Elektrolyten in einer Öffnung zwischen der Membran und den Stirnflächen des Elektrodenteils,

dadurch gekennzeichnet, daß

(f) die Endfläche des Elektrodenteiles (101) einen mittigen, vorstehenden Teil (109) aufweist, der in der Öffnung (114) angeordnet ist, und daß

(g) die Öffnung (114) im wesentlichen auf den Bereich des mittig vorstehenden Teiles (109) begrenzt ist.