DE3144601A1

DE3144601A1 - Apparatur zur ueberwachung des partialdruckes von gasen

Info

Publication number: DE3144601A1
Application number: DE19813144601
Authority: DE
Inventors: Dawood London Parker
Original assignee: GD Searle & Co 60076 Skokie Ill; GD Searle LLC
Current assignee: Biomedical Sensors Ltd
Priority date: 1980-11-11
Filing date: 1981-11-10
Publication date: 1982-07-15
Also published as: NO813803L; JPH021258B2; DK497181A; SE8106647L; ES8206978A1; DE3144601C2; FI813537L; IT8149672A0; FR2493985B1; AU7734281A; US4463593A; IT1172056B; FR2493985A1; ES506979A0; NL8105083A; CA1176486A; JPS57156537A; BE891071A

Description

Apparatur zur überwachung :

des Partialdrucks von Gasen

Die. vorliegende Erfindung betrifft eine Apparatur zur überwachung des Partialdrucks von Gasen, insbesondere in steri- · len Flüssigkeiten. Eine besondere Anwendungsform der vor- i liegenden Erfindung, wenngleich nicht die einzige, ist die ■ Überwachung des Partialdrucks oder der Tension von Gasen i im Blut, beispielsweise in dem Blut, das während eines ! chirurgischen Eingriffs am offenen Herzen von einer Herz-Lungen-Maschine zu einem Patienten zirkuliert. Im Falle I des Blutes sind die Partialdrücke, mit denen man· zu tun hat, die Sauerstoff-Tension CpO₂) und die Kohlenstoff- ' dioxid-Tension (pCO«). Im Falle anderer Flüssigkeiten kön- _t' nen jedoch die betreffenden Partialdrücke andere sein.

Jedes System zur Überwachung von Partialdrücken von Gasen im Blut muß so arbeiten," daß die Sterilität des im Kreislauf geführten Blutes nicht gefährdet wird. Diese Forderung beeinflußt in starkem Maße die Konstruktion von Elektroden für eine überwachung der Gase im Blut außerhalb des Körpers. Bis in die Gegenwart werden sämtliche für diesen Zweck ent- ' worfenen Elektroden mit- dem Blut in direkte Berührung gebracht, jedoch hat dies eine Reihe schwerwiegender Nachteile. Erstens muß die Elektrode steril sein, und hier- j durch erwachsen der Elektrodenkonstruktion zwangsläufig Einschränkungen. Zweitens ist es "wegen, der ünerläßlichkeit der Sterilität und der Notwendigkeit der Elektrodeneichung . wesentlich, daß die Elektroden vor und nach der Sterilisie- ; rung die gleiche Leistung abgeben. Dieses ist schwierig zu erreichen. Drittens müssen die Elektroden, obwohl dies kostspielig ist, zum Wegwerfen nach einmaligem Gebrauch eingerichtet sein, da eine Wieder-Sterilisierung Schwierigkeiten bereitet und sogar noch größere Kosten verursacht. Viertens ist es nicht zulässig, daß noch eine Möglichkeit des Zugangs zu der Elektrode besteht, nachdem diese in

31U601

Berührung mit dem Blut gebracht wurde, auch dann nicht, wenn eine Funktionsstörung festgestellt wird, damit die • Sterilität der Elektrode aufrechterhalten bleibt. Dementsprechend kann im Fall einer Funktionsstörung wertvolle 5 Information über den Zustand des Blutes verloren gehen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Apparatur zur Überwachung des Partialdruckes eines Gases in einer Flüssigkeit, die in einer Leitung strömt. Diese Apparatur

! umfaßt ein für den Einbau in die Leitung passend hergerich- ! j

i"10 tetes Verbindungsstück mit einer Wandung, die eine Membran !

i enthält, die für das betreffende Gas durchlässig, für die j

j betreffende Flüssigkeit jedoch undurchlässig ist, wobei _:

ι die Membran eine erste, mit der Flüssigkeit in dem Verbin- ;

i dungsstück in Berührung stehende Fläche und eine zweite, 'j • i 15 der ersten gegenüberliegende Fläche aufweist, sowie einen

j Meßfühler, der der zweiten Fläche benachbart angeordnet ist '

; und auf Gas anspricht, das von der Flüssigkeit her durch

' die Membran hindurchtritt. . '

i I

^; Hierbei ist die Bezugnahme auf einen der genannten zweiten j , 2 0 Fläche benachbart angeordneten Meßfühler so zu verstehen, ; daß sie auch den Fall einschließt, in dem der tatsächliche !

Nachweis mittels einer Vorrichtung, beispielsweise eines

Massenspektrometer, durchgeführt wird, die von dieser : zweiten Fläche entfernt angeordnet ist und in die das Gas ' 25 über eine Rohrleitung eingeleitet wird, deren eines Ende !

der zweiten Fläche benachbart angeordnet ist.

¹ Von den beigefügten Zeichnungen stellt ;

ι Fig. 1 eine Längsschnitt-Ansicht dar, die als Beispiel eine ' \ Ausführungsform einer Apparatur gemäß der vorliegenden Er- j ' 30 findung zur Messung von pCU zeigt, und

Fig. 2 stellt eine Querschnitt-Ansicht eines Teils einer I anderen Ausführungsform der Erfindung dar.

j Die in Fig. 1 dargestellte Apparatur besteht aus einem j Verbindungsstück 1, das im allgemeinen die Form eines j

T-Stücks besitzt. Der Querbalken des T bildet zwei Arme, i die beide auf ihrer Außenseite mit umlaufenden Vorsprüngen ; 5 versehen sind, die das Einfügen der Arme in benachbarte ^! Teile einer Leitung ermöglichen, durch die die Flüssigkeit, .

j - I

! die das zu überwachende Gas enthält,. strömen soll. Das ^:

j Verbindungsstück ist mit einer·Öffnung ausgestattet, die i

j durch eine Silikonkautschuk-Membran 2 verschlossen wird, j

10 die durch einen durchbohrten tassenförmigen Einsatz 3 aus

! nichtrostendem Stahl oder Nickel gestützt wird. i

I" Die Apparatur enthält weiterhin einen elektrochemischen I Meßfühler 4. Der Meßfühler 4 kann ein beliebiger aus der < i Vielfalt der Typen sein, und die Form des dargestellten ,_; i 15 Meßfühlers ist ausschließlich ein Beispiel zur Veranschau- ^[ lichung. Dieser Meßfühler besitzt eine Polypropylen-Membran ;

5, die eine Silber-Anode 6 und eine Platin-Kathode 7 in ; Form eines Drahtes von 25 μΐη Durchmesser bedeckt. Die Mem-

I bran 5 ist auf dem Ende eines Rohres 8 aus einem Epoxid- j • 20 Harz befestigt, und der Meßfühler enthält weiter einen Thermistor 9. Der Meßfühler ist mit einem (nicht dargestellten) äußeren Meßinstrument durch ein vieradriges abgeschirm-

I . tes Kabel 10 verbunden.

i .

Ϊ Das Verbindungsstück 1 wird zu Beginn dem Benutzer als ' ! 25 sterile Einheit zur Einmalbenutzung geliefert, oder es ; kann, alternativ so konstruiert werden, daß es für die i Sterilisierung geeignet ist. Der Meßfühler 4 braucht nicht steril zu sein, da keiner seiner Teile mit der in dem Verbindungsstück strömenden Flüssigkeit in Berührung gelangt. ■ 30 Bevor der Meßfühler in das Verbindungsstück eingesetzt ^: wird, wird er gegen den.pO- der Luft geeicht, der im allgemeinen ein zuverlässiger Bezugswert ist (20,9 % Sauerstoff) . Vorzugsweise werden einige Tropfen eines Elektro- i lyten zwischen die Membran 2 und die Membran 5 gegeben, 35 um die Wirkung des durch Undichtigkeiten von der Luft zu

• β

»β« K

- 7

den Elektroden gelangenden Sauerstoffs soweit wie möglich i auszuschalten. Ein Abstandsring 11 in dem Verbindungsstück ! ! dient der Einhaltung eines vorherbestimmten Abstandes ! zwischen den beiden Membranen. Beim Einsatz wird das Ober- ; ^; 5 teil desjenigen Arms des Verbindungsstückes, der den Meß- : fühler aufnimmt, durch eine unter Federspannung stehende i Verschlußkappe 12 abgedichtet, die gegebenfalls auch als j ί mit dem Meßfühler fest verbundenes Bauteil ausgeführt wer- j j den kann.

j 10 Damit die Apparatur zufriedenstellend arbeitet, muß die ι ■ !

j maximale Menge Sauerstoff, die in der Zeiteinheit die Mem- I ! bran 2 durchdringen kann, groß im Vergleich zu derjenigen '' i · der Membran 5 sein. Unter der Voraussetzung, daß diese j ! Bedingung erfüllt ist, mißt der Meßfühler, soweit es sich *' ι ■ " i

ι 15 um den Meßfühler 4 handelt, einen pO₂ im wesentlichen so, ; als wenn er sich in unmittelbarem Kontakt mit dem Blut be- ■

! fände. Unter dieser Bedingung mißt der Meßfühler den pO„ j in dem statischen Flüssigkeitsfilm zwischen den beiden ί ! Membranen, und der Sauerstoff-Partialdruck in diesem Film ! [ 20 ist im Gleichgewicht mit dem Sauerstoff-Partialdruck in ' ι

dem Blut.

j Es ist außerdem erforderlich, daß ein Verbrauch des Sauer- ,· Stoffs aus diesem Flüssigkeitsfilm durch den Meßfühler '

: vernachlässigbar ist, was in einfacher Weise dadurch er-

', 25 . reicht werden kann, daß man eine Kathode mit den oben genannten Abmessungen und eine Membran 5 mit einer Dicke von

: 12,5 bis 25 μπι verwendet.

· · Wenngleich die vorstehend beschriebene Apparatur eine solche '· für den Einsatz zur Messung des pO~ im Blut ist, kann eine ! 30 ganz ähnliche Apparatur gemäß der Erfindung zur Messung des i P^C02 ^^{m Blut} verwendet werden. Am weitesten verbreitet ist j ' die Messung des pCOo mittels eines potentiometrisehen Verfahrens nach Severinghaus. Dieses ist im wesentlichen eine

j Modifikation einer Methode zur pH-Bestimmung. Eine pH-empfindliche Glaselektrode und eine Bezugselektrode werden in einen Elektrolyten gebracht und mit einer Kohlenstoff-■dioxid-durchlässigen Membran bedeckt. Das aufgrund einer 5 pCO₂-Differenz durch die Membran diffundierende Kohlen- ! stoffdioxid setzt den inneren Elektrolyten ins Gleichge-] wicht mit dem pCO₂ des Mediums. Die Hydratisierung des j Kohlenstoffdioxids in dem Elektrolyten erzeugt Kohlensäure

• und verursacht eine Änderung der Wasserstoffionen-Aktivi- ! 10 tat, ausgedrückt durch

j CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃~ .

j Die pH-Elektrode weist die Änderung des pCO~ als Änderung \ . des pH des Elektrolyten nach, und daraus resultiert eine

exponentiell mit pCO- zusammenhängende Spannung. So ist ; 15 eine zehnfache Erhöhung des pCO₂ annähernd äquivalent zu einer Abnahme um eine pH-Einheit. Da es sich hierbei um ein potentxometrisches Verfahren handelt, wird kein Kohleni. stoffdioxid verbraucht, und die von pCO₂-Elektroden verj ursachte Verarmungswirkung tritt nicht ein. Bei Verwendung

20 der Severinghaus-Methode in einer Apparatur gemäß der Eri findung kann das gleiche Verbindungsstück verwendet werden, ! das vorstehend unter Bezug auf die pO₂~Messung beschrieben ¹ . wurde. Die Membran 2 bildet dann die Diffusionsmembran des ; CO₂-MeBfühlers. Einige Tropfen eines ungepufferten Elek- ! 25 trolyten werden auf die Membran 2 gebracht, und der CO₂-ϊ - Meßfühler wird dann dadurch vervollständigt, daß eine pH- ! Elektrode, die eine solche bekannter Bauweise sein kann,

in den Elektrolyten hineingebracht wird. Im Fall der pCO₂~ Überwachung wird demgemäß nur eine Membran verwendet, im 30 Gegensatz zu den zwei Membranen, die bei der p0.,-überwachung verwendet werden.

Diejenige Ausführungsform der Erfindung, von der ein Teil in Fig. 2 dargestellt ist, dient ebenso wie die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform zur Messung des pO-,. In vieler

31U601

j Hinsicht ähnelt die Ausführungsform der Fig. 2 derjenigen |

j der Fig. 1, und Teile in Fig. 2, die Teilen der Fig. 1 '.

entsprechen, werden in Fig. 2 durch die betreffenden, um !

100 erhöhten. Bezugszahlen der Fig. 1 bezeichnet:. So be- j

steht die Ausführungsform der Fig. 2 aus einem Verbindungs-,

ι stück 101 mit einer darin befindlichen Durchflußöffnung

ί 120, die mit einer Leitung in Verbindung steht, in der j

: eine das zu überwachende Gas enthaltende Flüssigkeit strö- '

! men soll. Das Verbindungsstück ist mit einer Öffnung ver- '

10 sehen, die durch eine Silikonkautschuk-Membran 102, unter- j

! stützt von einer durchbohrten Nickel-Scheibe 103, ver-

j· schlossen ist. Der Silikonkautschuk wird im Tauchformver- !

■ ι

j fahren auf die Nickel-Scheibe aufgebracht. Verschiedene _: Silikonkautschuk-Typen können verwendet werden, beispiels-

! 15 weise solche, die von der Dow Corning Corporation unter den Bezeichnungen Q7-2213 (ein in 1,1,1-Trichloroethan disper- _; giertes Dimethylsiloxan-Elastomeres) und Q7-2245 (ein drei-

j teiliges System aus einem Dimethylsiloxan-Polymerisat und ι

verstärkendem Siliciumoxid, einem Polysiloxan-Vulkanisa- , tionsmittel und einem Zusatzstoff zur Hemmung der Vulkanisation der ersten beiden Teile schon bei Umgebungstempe- j ratur) in den Handel gebracht werden.

Die Apparatur enthält weiterhin einen elektrochemischen Meßfühler 104. Der Meßfühler umfaßt ein hohles Meßfühler- i gehäuse 121, dessen unteres Ende aus Gründen, die aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen, mit einem Schraubengewinde 122 versehen ist. Im Inneren des Meßfühlergehäuses 121 ist ein hohler Schaft 123 befestigt, der beispielsweise aus einem Epoxid-Harz gebildet wird. Das untere Ende dieses ' Schaftes trägt ein Meßfühlerelement 124. Das Element 124 umfaßt eine Silber-Anode 106 und eine Platin-Kathode (nicht ; dargestellt), die durch eine die Kathode aufnehmende Boh- ' rung 107 hindurchgeführt wird. Die Anode ist außerdem mit einer Bohrung 125 zur Aufnahme eines Thermistors versehen, ■ der die Temperatur bestimmt, bei der das Meßfühlerelement

124 arbeitet. '

ι Das untere Ende des Meßfühlerelements wird durch eine Meß- ;

ι fühlermembran 105 verschlossen. Der äußere Rand der Mem- i

bran 105 wird zwischen den Teilen 126 und 127 einer zweiteiligen Membranhalterung gehalten. Das obere Ende des ·, 5 Teiles 127 besitzt ein Schraubengewinde, das mit dem ! Schraubengewinde 122 des Meßfühlergehäuses 121 ineinander- ' Γ greift. Die beiden Teile der Membranhalterung werden durch ! j ein Dichtungsmittel zusammengehalten, das in den ringför- , ^: migen Aussparungen 128 anwesend ist, mit denen die beiden '

; 10 Teile versehen wurden. Der Vollständigkeit halber sollte , ! . ■ ι

j hinzugefügt werden, daß die aus der Membran 102 und der ' ί Scheibe 103 gebildete Teileinheit durch einen Ring 129 in ₍ ! ihrer Lage gehalten werden, der.ein Außengewinde besitzt, ^!

; das in ein Innengewinde an dem benachbarten Teil des Ver- ^;

' 15 bindungsstücks 101 greift. Der Ring 129 wird in dem Ver- '^! bindungsstück 101 in seiner Lage durch ein Dichtungsmittel ' festgehalten, das in die öffnungen 130 eingeführt wird.

j ■ - '

! Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfin- !

i dung verwenden einen elektrochemischen Meßfühler. Jedoch 20 kann in einer Modifikation der Apparatur gemäß der Erfin- ' dung der elektrochemische Meßfühler durch einen rein chemischen Meßfühler ersetzt werden, beispielsweise durch eine Schicht aus Kristallen, deren Farbe sich in einer Weise ändert, die eine Funktion des Partialdrucks eines spe-25 ziellen Gases ist. Für diesen Zweck geeignete chemische Verbindungen sind beispielsweise in einer unter der internationalen Veröffentlichungs-Nr. WO 79/00696 veröffentlichten PCT-Patentanmeldung zu finden, auf die in diesem Zusammenhang hingewiesen wird.

Leerseite

Claims

VON KREISLER SCHo¹IVWALD — EISHOtD"*' FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. vonKreislert 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln

G.D. SearIe & CO. ■ Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden

τ, ^ τ, in ,ir Dr. J. F. Fues, Köln

P.O. BOX 1045 DipL-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Skokie, Illinois 60076 DipL-Chem. Carola Keller, Köln

Dipl.-Ing. G. Selting, Köln USA Dr. H.-K. Werner, Köln

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

W/GF 9.11.1981

Apparatur zur überwachung des Partialdruckes von Gasen

Patentansprüche

( 1,J Apparatur zur Überwachung des Partialdrucks eines Gases in einer Flüssigkeit, die durch eine Leitung strömt, bestehend aus einem für den Einbau in die Leitung passend hergerichtetem Verbindungsstück, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück eine Wandung, die eine Membran enthält, die für das betreffende Gas durchlässig , für die betreffende Flüssigkeit jedoch undurchlässig ist, wobei die Membran eine erste, mit der Flüssigkeit in dem Verbindungsstück in Berührung stehende Fläche und eine zweite, der ersten Fläche gegenüberliegende Fläche aufweist, sowie einen Meßfühler besitzt, der der zweiten Fläche benachbart angeordnet ist und auf Gas anspricht, das von der Flüssigkeit her durch die Membran .hindurchtritt.

2„ Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein elektrochemxscher Meßfühler ist.

3. Apparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler eine gasdurchlässige Membran besitzt, die der Membran des Verbindungsstückes benachbart angeordnet ist.

Telefon: (0221) 131041 · Telex: 8882307 dopa d ■ Telegramm: Doinpalent Köln

4. Apparatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich! eine Schicht eines Elektrolyten zwischen den beiden Mem- | branen und in Berührung mit diesen befindet. :

5. Apparatur nach Anspruch 4, "dadurch gekennzeichnet, daß ein ! Abstandhalter angebracht wird, um einen vorherbestimmten Abstand zwischen den beiden Membranen festzulegen. >

6. Apparatur nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, j daß der Meßfühler ein pO₂-Meßfühler ist.

7. Apparatur nach Anspruch 2/ dadurch gekennzeichnet, daß der ■ Meßfühler ein pCO₂-Meßfühler ist. j

8. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ', Meßfühler eine Gas-Meßvorrichtung, die von der zweiten Fläche, entfernt angeordnet ist, und eine Rohrleitungsvorrichtung umfaßt, deren erstes Ende der zweiten Fläche benachbart angeordnet ist und deren zweites Ende mit der .Gas-Meßvorrichtung in Verbindung steht.

9. Apparatur nach Anspruch 8·, dadurch gekennzeichnet _r daß die ^! Gas-Meßvorrichtung ein Massenspektrometer ist.

1Ö. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein chemischer Meßfühler ist..

11. Apparatur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler Kristalle enthält, deren Farbe sich in einer Weise, ändert, die eine Funktion des Partialdrucks des zu messenden Gases ist.

12. Apparatur nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück in Form eines T-Stücks ausgeführt wird, das aus einem zwei Arme festlegenden Querbalken und einem dritten, von dem Querbalken abzweigenden Arm gebildet . wird, wobei der Querbalken für den Einbau in die Leitung :

31U601

ι passend hergerichtet ist, so daß die Flüssigkeit den Quer

ι balken durchströmt, und wobei die Membran des Verbindungs Stücks so angeordnet ist, daß sie ein Strömen der Flüssig keit durch den dritten Arm blockiert.

13. Apparatur nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler mit einem Thermistor .zur Bestimmung der j Temperatur ausgerüstet ist, bei der der Meßfühler arbeitet. ,

14. Apparatur nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die gasdurchlässige Membran des Meßfühlers aus Silikon-

ί kautschuk, unterstützt durch eine durchbohrte Metallschei-

be, gebildet wird. I

" ■ J

15. Apparatur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Silikonkautschuk im Tauchformverfahren auf die Metallscheibe

aufgebracht wird.

" ι

16. Apparatur zur Überwachung des Partialdrucks eines Gases ; in einer Flüssigkeit, die durch eine Leitung strömt, im wesentlichen wie hierin unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben.