DE3144601C2

DE3144601C2 -

Info

Publication number: DE3144601C2
Application number: DE3144601A
Authority: DE
Inventors: Dawood London Gb Parker
Original assignee: BIOMEDICAL SENSORS Ltd HIGH WYCOMBE BUCKINGHAMSHIRE GB
Current assignee: Biomedical Sensors Ltd
Priority date: 1980-11-11
Filing date: 1981-11-10
Publication date: 1992-06-11
Also published as: CA1176486A; BE891071A; FI813537L; JPS57156537A; ES506979A0; FR2493985A1; NO813803L; US4463593A; NL8105083A; AU7734281A; SE8106647L; DE3144601A1; FR2493985B1; ES8206978A1; DK497181A; IT8149672A0; IT1172056B; JPH021258B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Apparatur zur Über wachung des Partialdrucks eines Gases in einer steri len Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine besondere Anwendungsform der vor liegenden Erfindung, wenngleich nicht die einzige, ist die Überwachumg des Partialdrucks oder der Tension von Gasen 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 des Blutes sind die Partialdrücke, mit denen man zu tun hat, die Sauerstoff-Tension (pO₂) und die Kohlenstoff dioxid-Tension (pCO₂). Im Falle anderer Flüssigkeiten kön 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 Kreis lauf 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 ge bracht, jedoch hat dies eine Reihe schwerwiegender Nach teile. Erstens muß die Elektrode steril sein, und hier durch erwachsen der Elektrodenkonstruktion zwangsläufig Einschränkungen. Zweitens ist es wegen der Unerläßlichkeit 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 Schwierig keiten 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 Berührung mit dem Blut gebracht wurde, auch dann nicht, wenn eine Funktionsstörung festgestellt wird, damit die Sterilität der Elektrode aufrechterhalten bleibt. Dement sprechend kann im Fall einer Funktionsstörung wertvolle Information über den Zustand des Blutes verloren gehen.

Die DE-OS 27 33 451 beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung von Beimischungen in Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere Zumischungen brennbarer Substanzen wie Öl oder Kraftstoff im Kühlwasserkreislauf. Das Verfahren wird dadurch ausgeführt, daß eine für die Fremdsubstanz durchlässige Diffusionsmembran mit dem zu überwachenden Flüssigkeitsstrom in einem mit Luft gefüllten Raum in Kontakt gebracht wird.

Die GB-PS 14 52 574 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung von Konzentrationsänderungen von Kohlendioxid in einer Gasmischung. Die Vorrichtung ist durch eine Diffusionsmembran, die vorzugsweise für Kohlendioxid durchlässig ist, in zwei getrennte Kammern geteilt. In Verbindung mit der zweiten Kammer befindet sich eine druckempfindliche Vorrichtung, die auf einen Konzentrationsanstieg von Kohlendioxid in der Gasmischung reagiert.

Die GB-PS 13 45 460 beschreibt eine Testmethode für die Gasdurchlässigkeit von Folien. Dabei wird eine Seite der Folie unter atmosphärischen Bedingungen Testgas ausgesetzt, während an die andere Seite der Folie ein Unterdruck angelegt wird. Gemessen wird die Änderung des Unterdrucks als Funktion der Zeit als Maß für die Durchlässigkeit der Folie.

Die US-PS 36 61 010 beschreibt eine Vorrichtung zur Analyse flüssiger Proben unter Anwendung eines elektrochemischen Meßfühlers, der eine selektiv permeable Membran in einer Probenkammer besitzt.

Die US-PS 39 29 588 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Analyse des Sauerstoffpartialdrucks von frischen Blutproben, wobei das Blut direkt auf einer sauerstoffdurchlässigen Membran eines Sauerstoffmeßfühlers aufgebracht wird und der Meßfühler die Wanderung der Sauerstoffmoleküle aus dem Blut durch die Membran auf den Meßfühler mißt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Apparatur zur Überwachung des Partialdrucks eines Gases in einer sterilen Flüssigkeit zu schaffen, bei der trotz der Erfordernis der Nichtgefährdung der Sterilität der zu überwachenden Flüssigkeit die Meßelektroden bequem handbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Apparatur zur Überwachung des Partialdrucks eines Gases in einer sterilen Flüssigkeit, die durch eine Leitung strömt, bestehend aus einem Meßfühler sowie aus einem für den Einbau in die Leitung passend hergerichteten Verbindungsstück mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung für die Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück eine zusätzliche Öffnung aufweist, die von einer Membran verschlossen wird, daß das Verbindungsstück als sterile Einheit zur Einmalbenutzung ausgebildet ist, daß die Membran für das Gas durchlässig, für die sterile Flüssigkeit jedoch undurchlässig ist, daß somit die Membran eine erste, mit der Flüssigkeit in dem Verbindungsstück in Berührung stehende Fläche und eine zweite, der ersten Fläche gegenüberliegende Fläche aufweist, daß der Meßfühler entweder der zweiten Fläche benachbart oder entfernt angeordnet ist und auf das Gas anspricht, das von der Flüssigkeit her durch die Membran hindurchtritt, und daß der Meßfühler somit nicht mit der im Verbindungsstück strömenden sterilen Flüssigkeit in Berührung gelangt.

Hierbei ist die Bezugnahme auf einen der genannten zweiten Fläche benachbart angeordneten Meßfühler so zu verstehen, daß sie auch den Fall einschließt, in dem der tatsächliche Nachweis mittels einer Vorrichtung, beispielsweise eines Massenspektrometers, durchgeführt wird, die von dieser zweiten Fläche entfernt angeordnet ist und in die das Gas über eine Rohrleitung eingeleitet wird, deren eines Ende der zweiten Fläche benachbart angeordnet ist.

Von den beigefügten Zeichnungen stellt Fig. 1 eine Längsschnitt-Ansicht dar, die als Beispiel eine Ausführungsform einer Apparatur gemäß der vorliegenden Er findung zur Messung von pO₂ zeigt, und

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

Die in Fig. 1 dargestellte Apparatur besteht aus einem Verbindungsstück 1, das im allgemeinen die Form eines T-Stücks besitzt. Der Querbalken des T bildet zwei Arme, die beide auf ihrer Außenseite mit umlaufenden Vorsprüngen versehen sind, die das Einfügen der Arme in benachbarte Teile einer Leitung ermöglichen, durch die die Flüssigkeit, die das zu überwachende Gas enthält, strömen soll. Das Verbindungsstück ist mit einer Öffnung ausgestattet, die durch eine Silikonkautschuk-Membran 2 verschlossen wird, die durch einen durchbohrten tassenförmigen Einsatz 3 aus nichtrostendem Stahl oder Nickel gestützt wird.

Die Apparatur enthält weiterhin einen elektrochemischen Meßfühler 4. Der Meßfühler 4 kann ein beliebiger aus der Vielfalt der Typen sein, und die Form des dargestellten 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 µm Durchmesser bedeckt. Die Mem bran 5 ist auf dem Ende eines Rohres 8 aus einem Epoxid- Harz befestigt, und der Meßfühler enthält weiter einen Thermistor 9. Der Meßfühler ist mit einem (nicht dargestell ten) äußeren Meßinstrument durch ein vieradriges abgeschirm tes Kabel 10 verbunden.

Das Verbindungsstück 1 wird zu Beginn dem Benutzer als sterile Einheit zur Einmalbenutzung geliefert, oder es kann alternativ so konstruiert werden, daß es für die Sterilisierung geeignet ist. Der Meßfühler 4 braucht nicht steril zu sein, da keiner seiner Teile mit der in dem Ver bindungsstück strömenden Flüssigkeit in Berührung gelangt. Bevor der Meßfühler in das Verbindungsstück eingesetzt wird, wird er gegen den pO₂ der Luft geeicht, der im all gemeinen ein zuverlässiger Bezugswert ist (20,9% Sauer stoff). Vorzugsweise werden einige Tropfen eines Elektro lyten zwischen die Membran 2 und die Membran 5 gegeben, um die Wirkung des durch Undichtigkeiten von der Luft zu den Elektroden gelangenden Sauerstoffs soweit wie möglich auszuschalten. Ein Abstandsring 11 in dem Verbindungsstück dient der Einhaltung eines vorherbestimmten Abstandes zwischen den beiden Membranen. Beim Einsatz wird das Ober teil desjenigen Arms des Verbindungsstückes, der den Meß fühler aufnimmt, durch eine unter Federspannung stehende Verschlußkappe 12 abgedichtet, die gegebenfalls auch als mit dem Meßfühler fest verbundenes Bauteil ausgeführt wer den kann.

Damit die Apparatur zufriedenstellend arbeitet, muß die maximale Menge Sauerstoff, die in der Zeiteinheit die Mem bran 2 durchdringen kann, groß im Vergleich zu derjenigen der Membran 5 sein. Unter der Voraussetzung, daß diese Bedingung erfüllt ist, mißt der Meßfühler, soweit es sich 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 pO₂ in dem statischen Flüssigkeitsfilm zwischen den beiden Membranen, und der Sauerstoff-Partialdruck in diesem Film ist im Gleichgewicht mit dem Sauerstoff-Partialdruck in dem Blut.

Es ist außerdem erforderlich, daß ein Verbrauch des Sauer stoffs aus diesem Flüssigkeitsfilm durch den Meßfühler vernachlässigbar ist, was in einfacher Weise dadurch er reicht werden kann, daß man eine Kathode mit den oben ge nannten Abmessungen und eine Membran 5 mit einer Dicke von 12,5 bis 25 µm verwendet.

Wenngleich die vorstehend beschriebene Apparatur eine solche für den Einsatz zur Messung des pO₂ im Blut ist, kann eine ganz ähnliche Apparatur gemäß der Erfindung zur Messung des pCO₂ im Blut verwendet werden. Am weitesten verbreitet ist die Messung des pCO₂ mittels eines potentiometrischen Ver fahrens nach Severinghaus. Dieses ist im wesentlichen eine 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 pCO₂-Differenz durch die Membran diffundierende Kohlen stoffdioxid setzt den inneren Elektrolyten ins Gleichge wicht mit dem pCO₂ des Mediums. Die Hydratisierung des Kohlenstoffdioxids in dem Elektrolyten erzeugt Kohlensäure und verursacht eine Änderung der Wasserstoffionen-Aktivi tät, ausgedrückt durch

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ HCO₃⁻.

Die pH-Elektrode weist die Änderung des pCO₂ als Änderung des pH des Elektrolyten nach, und daraus resultiert eine exponentiell mit pCO₂ zusammenhängende Spannung. So ist eine zehnfache Erhöhung des pCO₂ annähernd äquivalent zu einer Abnahme um eine pH-Einheit. Da es sich hierbei um ein potentiometrisches Verfahren handelt, wird kein Kohlen stoffdioxid verbraucht, und die von pO₂-Elektroden ver ursachte Verarmungswirkung tritt nicht ein. Bei Verwendung der Severinghaus-Methode in einer Apparatur gemäß der Er findung kann das gleiche Verbindungsstück verwendet werden, das vorstehend unter Bezug auf die pO₂-Messung beschrieben wurde. Die Membran 2 bildet dann die Diffusionsmembran des CO₂-Meßfühlers. Einige Tropfen eines ungepufferten Elek trolyten werden auf die Membran 2 gebracht, und der CO₂- 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 Gegensatz zu den zwei Membranen, die bei der pO₂-Überwa chung 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 pO₂. In vieler Hinsicht ähnelt die Ausführungsform der Fig. 2 derjenigen 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 steht die Ausführungsform der Fig. 2 aus einem Verbindungs stück 101 mit einer darin befindlichen Durchflußöffnung 120, die mit einer Leitung in Verbindung steht, in der eine das zu überwachende Gas enthaltende Flüssigkeit strö men soll. Das Verbindungsstück ist mit einer Öffnung ver sehen, die durch eine Silikonkautschuk-Membran 102, unter stützt von einer durchbohrten Nickel-Scheibe 103, ver schlossen ist. Der Silikonkautschuk wird im Tauchformver fahren auf die Nickel-Scheibe aufgebracht. Verschiedene Silikonkautschuk-Typen können verwendet werden, beispiels 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 teiliges System aus einem Dimethylsiloxan-Polymerisat und verstärkendem Siliciumoxid, einem Polysiloxan-Vulkanisa tionsmittel und einem Zusatzstoff zur Hemmung der Vulka nisation der ersten beiden Teile schon bei Umgebungstempe ratur) in den Handel gebracht werden.

Die Apparatur enthält weiterhin einen elektrochemischen Meßfühler 104. Der Meßfühler umfaßt ein hohles Meßfühler gehäuse 121, dessen unteres Ende aus Gründen, die aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen, mit einem Schrauben gewinde 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.

Das untere Ende des Meßfühlerelements wird durch eine Meß fühlermembran 105 verschlossen. Der äußere Rand der Mem bran 105 wird zwischen den Teilen 126 und 127 einer zwei teiligen Membranhalterung gehalten. Das obere Ende des Teiles 127 besitzt ein Schraubengewinde, das mit dem Schraubengewinde 122 des Meßfühlergehäuses 121 ineinander greift. Die beiden Teile der Membranhalterung werden durch ein Dichtungsmittel zusammengehalten, das in den ringför migen Aussparungen 128 anwesend ist, mit denen die beiden Teile versehen wurden. Der Vollständigkeit halber sollte hinzugefügt werden, daß die aus der Membran 102 und der 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 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.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfin dung verwenden einen elektrochemischen Meßfühler. Jedoch 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 Wei se ändert, die eine Funktion des Partialdrucks eines spe ziellen Gases ist. Für diesen Zweck geeignete chemische Verbindungen sind beispielsweise in einer unter der inter nationalen Veröffentlichungs-Nr. WO 79/00 696 veröffentlich ten PCT-Patentanmeldung zu finden, auf die in diesem Zu sammenhang hingewiesen wird.

Claims

1. Apparatur zur Überwachung des Partialdrucks eines Gases in einer sterilen Flüssigkeit, die durch eine Leitung strömt, bestehend aus einem Meßfühler sowie aus einem für den Einbau in die Leitung passend hergerichteten Verbindungsstück mit einer Eintritts- und einer Aus trittsöffnung für die Flüssigkeit, dadurch gekennzeich net, daß das Verbindungsstück eine zusätzliche Öffnung aufweist, die von einer Membran verschlossen wird, daß das Verbindungsstück als sterile Einheit zur Einmalbe nutzung ausgebildet ist, daß die Membran für das Gas durchlässig, für die sterile Flüssigkeit jedoch undurch lässig ist, daß somit die Membran eine erste, mit der Flüssigkeit in dem Verbindungsstück in Berührung ste hende Fläche und eine zweite, der ersten Fläche gegen überliegende Fläche aufweist, daß der Meßfühler entwe der der zweiten Fläche benachbart oder entfernt ange ordnet ist und auf das Gas anspricht, das von der Flüs sigkeit her durch die Membran hindurchtritt, und daß der Meßfühler somit nicht mit der im Verbindungsstück strömenden sterilen Flüssigkeit in Berührung gelangt.

2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein elektrochemischer Meßfühler ist und der zweiten Fläche benachbart angeordnet ist.

3. Apparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemische Meßfühler ebenfalls eine gasdurch lässige Membran besitzt, die der Membran des Verbin dungsstückes benachbart angeordnet ist.

4. Apparatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Schicht eines Elektrolyten zwischen den bei den Membranen und in Berührung mit diesen befindet.

5. Apparatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstandhalter angebracht wird, um einen vorherbe stimmten Abstand zwischen den beiden Membranen festzu legen.

6. Apparatur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemische Meßfühler ein pO₂-Meßfühler ist.

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

8. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler von der zweiten Fläche entfernt angeord net ist, und daß über eine Rohrleitung, deren erstes Ende der zweiten Fläche benachbart angeordnet ist und deren zweites Ende mit dem Meßfühler verbunden ist, das Gas zum Meßfühler geführt wird.

9. Apparatur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein Massenspektrometer ist.

10. 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 einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück in Form eines T-Stücks ausgeführt wird, das aus einem zwei Arme fest legenden Querbalken und einem dritten, von dem Querbal ken abzweigenden Arm gebildet wird, wobei der Querbal ken für den Einbau in die Leitung passend hergerichtet ist, so daß die Flüssigkeit den Querbalken durchströmt, und wobei die Membran des Verbindungsstücks so angeord net ist, daß sie ein Strömen der Flüssigkeit durch den dritten Arm blockiert.

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

14. Apparatur nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässige Membran des Meßfühlers aus Silikonkautschuk, unterstützt durch eine durchbohrte Metallscheibe, gebildet wird.

15. Apparatur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Silikonkautschuk im Tauchformverfahren auf die Me tallscheibe aufgebracht wird.