DE3140875C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur automatischen Kalibrierung von Meß- und Anzeigegeräten zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks.

In der medizinischen Meßtechnik sind polarographische Meß­ aufnehmer zur transkutanen Bestimmung des Sauerstoffpar­ tialdrucks im Körpergewebe allgemein bekannt. Langfristig veränder polarographische Meßaufnehmer unter anderem durch Austrocknen des Elektrolyten ihre Eigenschaften. Dar­ über hinaus sind die Kennwerte der Aufnehmer von Umgebungs­ bedingungen, insbesondere vom Luftdruck und auch von der relativen Luftfeuchte sowie der Temperatur abhängig.

Wegen der komplizierten chemisch-physikalischen Zusammen­ hänge an polarographischen Meßaufnehmern ist der Kali­ briervorgang der Meß- und Anzeigegeräte zeitaufwendig; zu seiner Durchführung ist geschultes Personal erforderlich.

Der vollständige Kalibriervorgang aus dem Nullab­ gleich und der nachfolgenden Ermittlung des Kalibrierwerts für den Wert der Luftfeuchte von 100%, da davon auszuge­ hen ist, daß unter dem applizierten Meßaufnehmer am Patienten eine etwa 100%ige Luftfeuchte entsteht.

Es sind bereits Kalibrierverfahren für polarographische Meßaufnehmer bekannt, so z. B. aus der DE-PS 26 08 727 und aus der DE-OS 29 45 207. Zur Durchführung des Kali­ briervorgangs nach diesen Verfahren sind Referenz- bzw. Hilfsgase erforderlich.

Weiterhin ist aus der DE-AS 29 29 387 die elektronische Kalibrierung potentiostatischer bzw. polarographischer Meßaufnehmer bekannt. Gemäß der dort genannten Aufgaben­ stellung sollen durch eine automatische Feststellung und Kompensation der zeitlichen Aktivitätsänderung der Ar­ beitselektroden die Kalibrierungsintervalle mit Prüfgas bzw. Eichlösungen erheblich ausgedehnt werden, indem für einen einzigen vorgegebenen Meßpunkt die Aktivität der Meßelektrode zu einem bestimmten Zeitpunkt verglichen wird mit der Aktivität der frisch kalibrierten Arbeitselektrode. Mit dieser Art der Kalibrierung läßt sich jedoch nicht feststellen, ob der Meßaufnehmer noch voll funktionsfähig ist. So kann beispiels­ weise der Fall eintreten, daß der Arbeitspunkt des Meßaufnehmers nach wie vor in der Nähe des ursprünglichen Arbeitspunkts liegt, obwohl beispielsweise die Kathode bereits beträchtlich kontami­ niert ist, was sich aber erst aus der vollständigen Überprüfung des Ist-Polarogramms des Meßaufnehmers ersehen ließe.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine automa­ tische Kalibriervorrichtung zu schaffen, die den Anwender von polarographischen Meßaufnehmern und den zugehörigen Meß- und Anzeigegeräten zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks bei Routinemessungen vollständig von dem zeitraubenden und um­ ständlichen Kalibriervorgang entlastet, ohne daß die automa­ tische Kalibrierung die Meß- und Anzeigegenauigkeit der Kombination von Meßaufnehmer und Meß-Anzeigegerät in uner­ wünschter Weise beeinträchtigt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich für eine Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung von Meß- und Anzeigegeräten zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung bietet gegenüber bekannten manuell zu kalibrie­ renden Geräten dieser Art den Vorteil einer für den Anwender einfa­ chen, raschen und automatischen Kalibrierung der Kombina­ tion von Meßaufnehmer und zugehörigen Meß- und Anzeigege­ rät. Der Gerätebenutzer hat nach dem Einschalten des Ge­ räts und einer Wartezeit von einigen Minuten automatisch ein kalibriertes Meß- und Anzeigegerät zur Verfügung. Für die Gerätekalibrierung besonders ge­ schultes Personal ist nicht mehr erforderlich. Der Ka­ libriervorgang erfolgt nicht mehr nur für einen einzigen Punkt der Arbeitskennlinie des Meßaufnehmers, sondern die Kenn­ linie des polarographischen Meßaufnehmers wird bei der Kalibrierung vollständig durchfahren und der Arbeitspunkt wird automatisch an der Stelle der geringsten Steigung der Kennlinie festgelegt. Darüber hinaus erhält der An­ wender für Präzisionsmessungen die Möglichkeit, den Kali­ briervorgang mit Eichlösungen bzw. mit Referenzgasen durch­ zuführen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in Verbindung mit einer ausführlichen Funktionsbeschreibung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführung der automatischen Kalibriervorrich­ tung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer vorteilhaften Aus­ gestaltung eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 1, und

Fig. 3 den typischen Verlauf eines Polarogramms für verschiedene Werte des Sauerstoffpartialdrucks.

Einander entsprechende Baugruppen sind in den Figuren mit gleiche Bezugsziffern angegeben.

Eine Recheneinheit 4 wirkt über eine Ausgangsanpaßschaltung (Schnittstelle) 3 und einen Polarisationsspannungsgenerator 2 auf einen polaro­ graphischen Meßaufnehmer 1 ein, dessen Ausgangssignal (Po­ larisationssignal) nach Umsetzung in einem Analog-Digital- Umsetzer 6 über eine Eingangsanpaßschaltung (Schnittstelle) 5 an die Recheneinheit 4 gelangt, die es zur Speicherung an einen Schreib-Lese-Speicher 8 weiterleitet. Das Aus­ gangssignal einer barometrischen Druckdose 11 gelangt nach Umsetzung in einem Analog-Digital-Umsetzer 10 über eine Eingangsanpaßschaltung (Schnittstelle) 9 an den Zentral­ rechner 4. In einem Lesespeicher 7 ist zum Vergleich mit dem Ist-Polarogramm ein Grenz-Polarogramm gespeichert.

Der Meßaufnehmer 1 ist in bekannter Weise zur Ermittlung des Sauerstoffpartialdrucks eingerichtet; er ist mit einer Einrichtung zur Heizung des Aufnehmers selbst und des an die Meßfläche des Aufnehmers angrenzen­ den Meßobjekts versehen.

Nachdem die Recheneinheit 4 in noch zu beschreibender Weise mit einem Startsignal für den automatischen Kali­ briervorgang beaufschlagt ist, liefert diese an die Aus­ gangsanpaßschaltung (Schnittstelle) 3 ein Steuersignal. Die Ausgangsanpaßschaltung 3 veranlaßt den Polarisations­ spannungsgenerator 2 zur Abgabe einer variablen Polari­ sationsspannung an den Meßwertaufnehmer 1.

Der zeitliche Verlauf der Polarisationsspannung ist drei­ eckförmig: Von einem geeigneten Anfangswert aus steigt die Polarisationsspannung mit konstanter Anstiegsgeschwin­ digkeit von 1 Millivolt/Sekunde bis 10 Millivolt/Sekunde, vorzugsweise mit 4 Millivolt/Sekunde bis 6 Millivolt/Sekun­ de auf einen vorgebbaren Maximalwert von 0,5 Volt bis 5,0 Volt, vorzugsweise von 0,5 Volt bis 2,0 Volt an. Nach Er­ reichen des Maximalwerts fällt die Polarisationsspannung mit der betragsmäßig gleichen, ebenfalls konstanten Ge­ schwindigkeit, mit der sie zunächst vom Anfangswert aus auf den Maximalwert angestiegen war, auf den Anfangswert zurück. Dies bedeutet, daß die einzelnen Punkte des Polarogramms wegen der sehr langsamen Anstiegs- bzw. Abfallgeschwindigkeit der Polarisationsspannung quasi-stationär aufgenommen werden. Der Anfangswert kann beispielsweise bei 0,05 Volt liegen. Es sei jedoch betont, daß der Anfangswert von der Art des Meßaufnehmers, dessen Temperatur und anderen Parametern abhängig ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es wegen der zeitsparenden Durchführung des Kalibriervorgangs wünschens­ wert, die Polarisationsspannung nur in bestimmten meßtechnisch besonders interessanten Bereichen der Kennlinie mit der obenge­ nannten Anstiegsgeschwindigkeit bzw. Absinkgeschwindigkeit an­ steigen bzw. abfallen zu lassen und die übrigen Kennlinienbe­ reiche mit einer erhöhten Anstiegsgeschwindigkeit der Polari­ sationsspannung in ansteigender bzw. abfallender Richtung zu durchfahren. Auch Sprünge der Polarisationsspannung in ansteigender bzw. abfallender Richtung sind in den Kennlinien­ bereichen denkbar, in denen der Verlauf des aufnehmerspezifi­ schen Polarogramms aus dem Verlauf des noch zu beschreibenden Grenz-Polarogramms mit sehr großer Wahrscheinlichkeit vorher, bestimmbar ist.

Der polarographische Meßaufnehmer 1 liefert das aufnehmer­ spezifische Polarisationssignal, das den Eingang des Analog- Digital-Umsetzers 6 beaufschlagt. Über die Eingangsanpaß­ schaltung (Schnittstelle) 5 gelangt das digitalisierte Meß­ signal des Meßwertaufnehmers 1 an den Zentralrechner 4, der es zur Speicherung an den Schreib-Lese-Speicher 8 weiter­ leitet.

In dem Lesespeicher 7 ist in Form elektrischer Signale ein Grenzpolarogramm gespeichert, dessen Werte aus einer Viel­ zahl von Polarogrammen experimentell durch Vergleichsmes­ sungen ermittelt wurden und dessen elektrische Signale im Verlauf des Fertigungsvorgangs des Meß- und Anzeigegeräts in einem geeigneten Digitalformat in den Lesespeicher 7 ein­ geschrieben wurden.

Die Recheneinheit 4 vergleicht das in dem Schreib-Lese- Speicher 8 gespeicherte Ist-Polarogramm mit dem in dem Le­ sespeicher 7 gespeicherten Grenz-Polarogramm. Die Rechenein­ heit 4 berechnet an verschiedenen Punkten der Kennlinie des Meßaufnehmers 1 die aufnehmerspezifische theoretische Reststromabweichung vom Nullpunkt und leitet die für die Reststromabweichung ermittelten Werte zur Speicherung in dafür vorgesehene Speicherplätze des Schreib-Lese-Speichers 8 weiter. Durch den Vergleich werden aus dem Toleranzfeld herausfallende Polarogramme erkannt, es wird die Kali­ brierbarkeit des Meßaufnehmers 1 bestimmt und der Arbeits­ punkt auf der Kennlinie festgelegt.

Die barometrische Druckdose 11 ermittelt den Luftdruck der Umgebungsluft. Der Analog-Digital-Umsetzer 10 wandelt das dem barometrischen Luftdruck entsprechende analoge Signal in ein proportionales digitales Signal. Über die Eingangsanpaßschaltung (Schnittstelle) 9 gelangt das digi­ talisierte elektrische Luftdrucksignal an die Recheneinheit 4.

Die Recheneinheit 4 errechnet mit Hilfe des dem barome­ trischen Luftdruck proportionalen elektrischen Signals und der am Meß- und Anzeigegerät wählbaren Temperatur des Meßwertaufnehmers 1 den theoretischen Wert des Sauerstoff­ partialdrucks bei 100% relativer Luftfeuchte, die, wie erwähnt, unter der Meßfläche des applizierten Meßwertauf­ nehmers 1 entsteht.

Während des automatischen Kalibriervorgangs befindet sich der polarographische Meßaufnehmer 1 in einer Haltevor­ richtung 12 gemäß Fig. 2, die an der Frontplatte des Meß- und Anzeigegeräts angebracht ist.

In den Meßaufnehmer 1 ist in bekannter, nicht darge­ stellter Weise eine Einrichtung zur elektrischen Heizung des Aufnehmers sowie des an die Meßfläche des Aufnehmers angrenzenden Meßobjekts mittels impulsförmig fließenden Stroms eingebaut. Ein ebenfalls nicht dargestellter Tem­ peraturfühler mißt die Temperatur des Meßwertaufnehmers 1 und regelt über einen geschlossenen Regelkreis, beispiels­ weise durch Impulsbreitenmodulation, die Temperatur des Aufnehmers.

In der Haltevorrichtung 12 ist ein Sensor 13 angeordnet, der die vom Heizstrom des Aufnehmers ausgehenden Magnet­ felder erfaßt und der Vergleichereinrichtung 14 zuleitet. Der Sensor 13 kann beispielsweise ein induktiver Sensor sein, doch auch andere magnetfeldabhängige Sensoren sind denkbar. Die Vergleichereinrichtung 14 vergleicht die von dem induktiven Sensor 13 aufgenommenen elektrischen Si­ gnale mit den Heizstromimpulsen, die vom Meß- und Anzei­ gegerät an den Heizstromkreis des Meßwertaufnehmers 1 ab­ gegeben werden und beaufschlagt bei Übereinstimmung bei­ der Signale bezüglich der Phasenlage/Nulldurchgänge über den Eingang der Eingangsanpaßschaltung 5 die Recheneinheit 4 mit einem Startsignal zur Einleitung des automa­ tischen Kalibriervorgangs.

Über die vorstehend beschriebene Einrichtung zur Erzeugung des Startsignals wird erreicht, daß ein automatischer Ka­ libriervorgang nur dann ausgelöst wird, wenn sich der an das Meß- und Anzeigegerät angeschlossene Meßwertaufnehmer 1 in der Haltevorrichtung 12 befindet. Fehlkalibrierungen, die unter Umständen verhängnisvolle Folgen haben könnten und beispielsweise denkbar wären, wenn der Meßwertaufneh­ mer 1 während des Kalibriervorgangs nicht in die zugehöri­ ge Haltevorrichtung 12 eingesetzt wäre, sondern bereits am Patienten appliziert wäre, sind somit ausgeschlossen, weil die Vergleichereinrichtung 14 Koinzidenz der beiden Eingangssignale nicht feststellen kann. Der Kalibrierstart durch ein Fremdgerät, beispielsweise durch ein zweites Meß- und Anzeigegerät zur Bestimmung des Sauerstoffpartial­ drucks, dessen Meßaufnehmer versehentlich zur Kalibrierung dem falschen Meß- und Anzeigegerät zugeordnet wurde, ist damit ebenfalls ausgeschlossen.

Fig. 2 zeigt wiederum den polarographischen Meßaufnehmer 1, der während des Kalibriervorgangs in eine Haltevorrichtung 12 eingesetzt ist, in der der Sensor 13 zum Empfang der vom Meßaufnehmer 1 infolge des impulsförmigen Heizstroms ausge­ henden Signale fest angeordnet ist. Der Sensor 13 leitet das aufgenommene Signal zum Vergleich mit einem dem Heiz­ strom proportionalen Signal an eine Vergleichereinrichtung 14 weiter, deren Ausgangssignal über die Eingangsanpaß­ schaltung 5 die Recheneinheit 4 beaufschlagt. Zur Kali­ brierung mit Narkosegasen wird der Meßfläche des in die Hal­ tevorrichtung 12 eingesetzten Meßaufnehmers 1 Gas aus einer in das Meß- und Anzeigegerät integrierten Gasmischkammer 15 zugeführt.

In Fig. 3 ist der auf den Sättigungsstromwert I ₀ bezogene Polarisationsstrom I über der Polarisationsspannung U dar­ gestellt. Fig. 3 zeigt den typischen Verlauf des Polaro­ gramms ein und desselben polarographischen Meßaufnehmers 1 für drei verschiedene Werte des Sauerstoffpartialdrucks, nämlich 0% O₂, 21% O₂ (Umgebungsluft) und 100% O₂. Mit gestrichelten Linien sind die jeweils zugehörigen Toleranz­ felder des bereits beschriebenen Grenzpolarogramms darge­ stellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kali­ briervorrichtung befindet sich der Meßaufnehmer 1 in einer Haltevorrichtung 12 an der Frontplatte des Meß- und Anzei­ gegeräts. Für die Kalibrierung des Meßaufnehmers mit Eich- oder Referenzgas wird die Meßfläche des Meßaufnehmers 1 während des Kalibriervorgangs von Mischgas, beispielswei­ se von N₂O, aus der in das Meß- und Anzeigegerät für die Sauerstoffpartialdruckmessung integrierten Gasmischkammer 15 überströmt. Zweckmäßigerweise befindet sich die Aus­ trittsöffnung der Gasmischkammer 15 in unmittelbarer Nä­ he der Haltevorrichtung 12. Dem Meß- und Anzeigegerät sind die zur Kalibrierung erforderlichen Gase über geeig­ nete, in den Figuren dargestellte Anschlüsse, bei­ spielsweise aus den stationären Gasversorgungsleitungen des Krankenhauses zuführbar. In bereits beschriebener Wei­ se wird ein Polarogramm durchfahren, während der Meßauf­ nehmer von Mischgas überströmt wird. Auf der Kennlinie des Meßaufnehmers wird der Punkt als Arbeitspunkt ausge­ wählt, an dem die Arbeitskennlinie von ihrem Minimalwert kommend eine bestimmte Steigung erreicht hat. Nachdem das Polarogramm in der obengenannten Weise ermittelt wurde, wird die Meßfläche des Meßaufnehmers 1 der Umgebungsluft (21% O₂) ausgesetzt und mit der nach vorstehendem Verfah­ ren festgelegten Polarisationsspannung ein weiteres Pola­ rogramm für den Sauerstoffpartialdruck der Umgebungsluft bestimmt und auf 21% O₂ hochgerechnet.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung von Meß- und Anzeigegeräten zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks mittels eines Meßaufnehmers unter Verwendung einer Rechen­ einheit, die gespeicherte Strom-Sollwerte gegen aktuelle, vom Meßaufnehmer gelieferte Strom-Istwerte vergleicht und ein Differenzsignal als Korrekturwert bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Meßaufnehmer (1) unter Steuerung durch die Recheneinheit (4) von einem Polarisationsspannungsgenerator (2) mit einer Polarisationsspannung beaufschlagt ist, die von einem An­ fangswert bis zu einem durch den oberen Grenzwert eines Arbeitsbereichs vorgegebenen Maximalwert ansteigt und nach Erreichen des Maximalwerts mit zur Anstiegsgeschwindig­ keit betragsgleicher Absinkgeschwindigkeit auf den Anfangs­ wert abfällt,
• - die vom Meßaufnehmer (1) infolge der anliegenden Polarisationsspannung abgegebenen Meßsignale nach Analog-Digitalumsetzung von der Recheneinheit (4) in einen Schreib/Lese-Speicher (8) eingelesen werden,
• - ein Lesespeicher (7) vorhanden ist, der die Werte eines digitalisierten, aus einer Vielzahl von Polaro­ grammen gebildeten, experimentell ermittelten Grenz­ polarogramms speichert,
• - die im Lesespeicher (7) gespeicherten, dem Grenz- Polarogramm entsprechenden Strom-Sollwerte in der Recheneinheit (4) mit dem im Schreib/Lese-Speicher (8) gespeicherten, dem aufnehmerspezifischen Polarogramm entsprechenden Strom-Istwerte verglichen werden und aus der Abweichung von Strom-Istwert und Strom-Sollwert die theoretische Rest-Stromabweichung des Meßaufnehmers (1) vom Nullwert bestimmt wird,
• - der Wert der Rest-Stromabweichung in einem dafür re­ servierten Bereich des Schreib/Lese-Speichers (8) zur Festlegung des Nullpunkts des Meßaufnehmers (1) gespeichert und der Arbeitspunkt des Meßaufnehmers (1) an der Stelle der geringsten Steigung innerhalb des Arbeitsbereichs der Aufnehmerkennlinie festgelegt wird, und daß
• - für eine gewählte Betriebstemperatur des Meßaufnehmers (1) der theoretische Wert des Sauerstoffpartialdrucks der Umgebungsluft mit Hilfe des durch eine barometrische Druckdose (11) erfaßten und in die Recheneinheit (4) eingegebenen Werts des Umgebungsluftdrucks auf 100% relative Luftfeuchte hochgerechnet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß- und Anzeigegerät mit einer Haltevorrichtung (12) zur Aufnahme des mit einem impulsförmigen Heizstrom gespeisten Meßaufnehmers (1) versehen ist und einen in der Haltevorrichtung eingebauten Sensor (13) auf­ weist, der die den Meßaufnehmer durchfließenden Heiz­ stromimpulse erfaßt und das daraus gebildete Signal einem Eingang einer Vergleichseinrichtung zuführt, an deren anderem Eingang ein den zum Meßaufnehmer gelan­ genden Heizstromimpulsen entsprechendes Signal anliegt, und daß das Vergleichssignal bei Koinzidenz der Phasen­ lagen/Nulldurchgänge der zu vergleichenden Eingangs­ signale als Startsignal für den automatischen Kalibrier­ vorgang auf die Recheneinheit (4) gelangt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (12) mit einer Gasmischkammer (15) aus­ gestattet ist, über die ein Gasgemisch auf die Meßfläche eines in die Haltevorrichtung (12) eingesetzten Meßauf­ nehmers leitbar ist, das durch zeitsynchrone Signalaus­ lösung über die Recheneinheit (4) während des Überströmens der Meßfläche mit dem Mischgas am Meßaufnehmer (1) ein Polarogramm in den Schreib/Lese-Speicher (8) eingelesen und sodann der Punkt auf der Kennlinie des Meßaufnehmers (1) bestimmt wird, an dem diese vom Minimalwert ausgehend eine bestimmte, vorgebbare Steigung erreicht, daß die Meßfläche des Meßaufnehmers (1) nach Abschaltung des Gas­ stroms aus der Gasmischkammer (15) der Umgebungsluft aus­ gesetzt wird und anschließend mit der während des Über­ strömens des Meßaufnehmers (1) mit Mischgas festgelegten Polarisationsspannung ein Polarogramm mit dem Sauerstoff­ partialdruck der Umgebungsluft ermittelt und auf 21% Sauerstoffgehalt hochgerechnet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (13) ein induktiver Sensor ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (4) die Polarisationsspannung in bestimmten, meßtechnisch besonders interessanten Bereichen der Kenn­ linie des Meßaufnehmers mit einem ersten konstanten Wert (W ₁) der Anstiegsgeschwindigkeit bzw. Absinkgeschwindig­ keit erhöht bzw. erniedrigt und in den anderen Bereich der Kennlinie mit einem zweiten Wert (W ₂) der Anstiegs­ geschwindigkeit bzw. Absinkgeschwindigkeit ansteigt bzw. abfällt, und daß der Betrag des zweiten Werts (W ₂) größer als der Betrag des ersten Werts (W ₁) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsspannung in bestimmten Bereichen der Kennlinie des Meßaufnehmers, in denen der Verlauf des aufnehmerspezi­ fischen Polarogramms aus dem Verlauf des Grenz-Polarogramms vorherbestimmbar ist, in ansteigender bzw. abfallender Richtung sprungweise verändert wird.