DE69114896T2

DE69114896T2 - Anordnung und Verfahren zur Voraussage des Wertes von gemischten Blutparametern.

Info

Publication number: DE69114896T2
Application number: DE69114896T
Authority: DE
Inventors: William W Miller; James K Tusa
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: Terumo Cardiovascular Systems Corp
Priority date: 1990-04-26
Filing date: 1991-04-12
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2011-04-13
Also published as: EP0453901A1; DE69114896D1; JP3103131B2; EP0453901B1; JPH04242633A; US5134998A

Description

Häufig ist es notwendig oder erwünscht, den Wert verschiedener Zusammensetzungsparameter von Blut zu messen, d. h., das Vorhandensein und/oder die Konzentration von Blutbestandteilen, z. B. Blutgasen, Wasserstoffionen (pH), anderen Elektrolyten, Glucose, roten Blutkörperchen u. ä. Messungen der Werte von Zusammensetzungsparametern von Blut lassen sich elektrochemisch oder optisch unter Verwendung von Fluoreszenz- oder Absorbanztechniken durchführen.
Zusammensetzungsparameter von Blut können in Echtzeit überwacht werden, z. B. unter Verwendung von Fluoreszenzsensoren. Die Sensor belegen Positionen in einem Sensorgehäuse oder einer Sensorkassette neben einer Blutpassage. Die Sensoren werden mit Erregerlicht einer Wellenlänge beleuchtet, und jeder von ihnen emittiert ein fluoreszentes Emissionssignal mit einer Intensität, die sich entsprechend dem Wert des Zusammensetzungsparameters von Blut ändert, auf den der Sensor reagiert. Anschließend werden diese Signale verarbeitet, um quantitative Informationen über die jeweiligen Zusammensetzungsparameter oder ihre Werte zu erhalten.
Nach Exposition der Sensoren gegenüber den Zusammensetzungsparametern ändern sich die durch die Sensoren emittierten Signale von einem gewissen Anfangswert auf einen Endoder Gleichgewichtswert über eine Zeitspanne, die Minuten andauern kann. Die resultierende Zeitverzögerung kann bestimmte Probleme verursachen, denn die vor Herstellung des Gleichgewichts verstreichende Zeit kann hinsichtlich der Blutgerinnungszeit beträchtlich sein. Somit besteht eine Gerinnungsgefahr in der Kassette, während darauf gewartet wird, daß der Wert ein Gleichgewicht erreicht.
Die DE-A-2449988 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung von Fluidbestandteilen mit einem Sensor, der ein sich exponential änderndes Signal abgibt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung löst das vorstehend skizzierte Problem, indem sie ein System und ein Verfahren vorsieht, das Gleichgewichtswerte weit vor ihrem Auftreten voraussagt. Das System der Erfindung bestimmt die Werte von Zusammensetzungsparametern von Blut schnell, bequem und auf eine solche Weise, daß die erforderliche Berührungszeit zwischen Blut und Sensor wesentlich verkürzt wird. Folglich kann eine Blutprobe, die einem Patienten entnommen wird, schneller zum Patienten zurückgeführt werden, wodurch sich die Gerinnungsgefahr entsprechend verringert.
Kurz dargestellt kann ein erfindungsgemäß aufgebautes System aufweisen: eine Einrichtung zum Aufnehmen von Blut, die eine Einrichtung zum Entnehmen einer Blutprobe sein kann, eine Sensoreinrichtung zum Erzeugen eines Signals bezogen auf den Wert des Blutzusammensetzungsparameters bzw. Zusammensetzungsparameters von Blut und eine mit der Sensoreinrichtung gekoppelte Rechnereinrichtung zum Analysieren des Signais und Erzeugen einer Ausgabe als Darstellung des Werts des Zusammensetzungsparameters von Blut.
Das System ist reaktionsverzögert. Daher hat das durch den Sensor erzeugte Signal eine zeitvariante Wellenform P(t), die sich von einem Anfangswert P(t&sub0;), der zu einer Zeit t&sub0; auftritt, zu der der Sensor Blut ausgesetzt wird, auf einen Gleichgewichtswert P(tE) ändert, der zu einer danach liegenden Zeit tE auftritt.
Die verzögerte Reaktion des Systems bewirkt eine Verzögerung zwischen der Zeit, zu der der Sensor Blut zu einer Zeit t&sub0; ausgesetzt wird, und der Zeit tE, zu der eine Gleichgewichtsherstellung auftritt. Obwohl diese Verzögerung durch verschiedene Faktoren verursacht sein kann, ist in einer Ausführungsform der Erfindung ein Hauptfaktor die zwischen dem Blut und dem Indikator des Sensors eingefügte physikalische Sperre. Beispielsweise kann der Indikator ein Fluoreszenzindikator sein, der auf ein in Betracht kommendes Blutgas reagiert, und dieser Indikator ist vom Blut physikalisch durch eine halbdurchlässige Sperre getrennt, die für das in Betracht kommende Blutgas durchlässig ist. Die Zeit, die das in Betracht kommende Blutgas oder ein anderer Zusammensetzungsparameter zum Durchdringen der Sperre und Berühren des Indikators benötigen, ist eine Verzögerungsquelle.
Eine andere Verzögerungsquelle ist die Zeit, die der Indikator zum Reagieren auf den Zusammensetzungsparameter benötigt, nachdem der Indikator durch den Zusammensetzungsparameter von Blut berührt oder seiner Wirkung ausgesetzt wird. Diese beiden Verzögerungen werden durch den Sensor selbst verursacht. Obwohl es andere Verzögerungen im System geben kann, z. B. durch die elektronische Ausrüstung verursachte Verzögerungen, lassen sich diese allgemein vernachlässigen. Folglich kann praktisch davon ausgegangen werden, daß die Verzögerung durch den Sensor eingeführt wird.
Das durch den Sensor erzeugte Signal weicht von einer Exponentialfunktion ab. Gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung weist die Rechnereinrichtung auf: eine Einrichtung zum Detektieren des Auftretens eines Wendepunkts P(ti) der zwischen dem Anfangswert P(t&sub0;) und dem Gleichgewichtswert P(tE) auftritt, und eine Einrichtung zum Berechnen einer Schätzung des Gleichgewichtswerts P(tE) auf der Grundlage der Annahme, daß sich die Wellenform P(t) exponential vom Wendepunkt P(t&sub1;) zum Gleichgewichtswert P(tE) ändert. Vorzugsweise verwendet die Einrichtung zum Berechnen einer Schätzung des Gleichgewichtswerts P(tE) die Beziehung
(A + B)est = P(tI) + [Tau MAX(dp/dt)],
worin sind: (A + B)est die Schätzung des Gleichgewichtswerts P(tE)est, Tau eine Konstante zur Beschreibung des zeitlichen Exponentialverhaltens nach dem Wendepunkt und MAX(dp/dt) die Steigung von P(t) am Wendepunkt P(tI). Für CO&sub2; läßt sich ein Schätzwert von Tau unter Verwendung der Beziehung
TAUest = K&sub1; + K&sub2;/MAK(dp/dt)
berechnen, worin sind: TAUest der Schätzwert von Tau, K&sub1; eine erste Konstante, K&sub2; eine zweite Konstante und MAX(dp/dt) die Steigung von P(t) am Wendepunkt P(tI). Zur Schätzung von Tau im Falle von Kohlendioxid ist der Wert von K&sub1; empirisch mit 15 und der von K&sub2; mit 5,5 bestimmt.
Noch allgemeiner läßt sich Tau für praktisch jeden Blutzusammensetzungsparameter unter Verwendung der Beziehung
TAUest = K&sub1; + K&sub2; MAX(dp/dt)K3 + K&sub4; MAX(dp/pdt)K5 bestimmen, worin sind: MAX(dp/dt) die Steigung von P(t) am Wendepunkt P(tI), MAX(dp/pdt) der Höchstwert der in der Nähe des Wendepunkts P(tI) auftretenden Proportionalsteigung von P(t) sowie K&sub1;, K&sub2;, K&sub3;, K&sub4; und K&sub5; Konstanten.
Die Erfindung kann zur Schätzung von Werten verschiedener Zusammensetzungsparametern von Blut verwendet werden, wozu der Partialdruck von Sauerstoff, der Partialdruck von Kohlendioxid, der pH-Wert, Glucose, rote Blutkörperchen, verschiedene Elektrolyte u. a. gehören. Diese Werte können in vivo, in vitro oder in einer extrakorporalen Schleife erfaßt werden. Besonders geeignet ist die Erfindung jedoch zur Schätzung dieser Werte, wenn aus einem bestimmten Grund, z. B. Patientensicherheit und -komfort, die Erfassung möglichst schnell durchgeführt werden soll.
Die Sensoreinrichtung kann optisch, elektrochemisch oder von jeder anderen Art sein, die ein zeitvariantes Signal bezogen auf den Wert eines Zusammensetzungsparameters von Blut erzeugt. Dabei hat die optische Erfassung jedoch bestimmte Vorteile, und die Erfindung eignet sich besonders zur Verwendung mit Fluoreszenzsensoren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 der Zeichnungen ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen von in Betracht kommenden Blutparametern;
Fig. 1A ist eine vergrößerte fragmentarische Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Sensorform;
Fig. 2A ist ein Blockschaltbild der im Instrument von Fig. 1 verwendeten Komponenten;
Fig. 3 ist ein Kurvenbild des Partialdrucks von Kohlendioxid, der als Sensorausgabe im Verhältnis zur Zeit angezeigt wird;
Fig. 4 ist eine Darstellung von zwei Kurvenbildern des angezeigten Partialdrucks von Sauerstoff im Verhältnis zur Zeit;
Fig. 5 ist eine Darstellung von zwei Kurvenbildern des pH-Werts von Blut im Verhältnis zur Zeit; und
Fig. 6A bis 6C kombinieren als Ablaufplan ein Verfahren zur Voraussage von Gleichgewichtswerten.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 veranschaulicht eine Anordnung 10 zum Messen von in Betracht kommenden Blutparametern. Einige Betriebsgrundsätze und die verwendeten Komponenten ähneln denen in der Beschreibung der Reissue US-Patentschrift Nr. Re. 31879 und der gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung Nr. 229617. Diese beiden Dokumente sind im Hinblick auf die vorgesehenen Einzelheiten von Aufbau und Betrieb als Literaturhinweis eingefügt.
Allgemein weist die Anordnung 10 eine Quelle 11 für eine Spüllösung auf, wobei die Spüllösung von der Quelle 11 durch eine Leitung 12 und verschiedene Durchflußsteuerkomponenten 13 zu einer Sensoranordnung 14 fließt. Die Spüllösung kann eine gerinnungshemmende Lösung sein, z. B. Kochsalzlösung mit Heparinzusatz, und die Durchflußsteuerkomponenten können z. B. einen Volumenoszillator in Form einer Spritze mit Zylinder/Kolben aufweisen, die ein Vakuum erzeugen kann. Durch Handbetätigung der Spritze wird eine Blutprobe über eine Leitung 15 aus einem Patienten 16 in einen Einweg-Gehäuseabschnitt 17 der Sensoranordnung 14 entnommen (Fig. 1). Folglich dienen diese Komponenten als Einrichtung zum Entnehmen einer Blutprobe.
Nachdem Blut in den Gehäuseabschnitt 17 eintritt, wird Erregerlicht von einem Instrument 20 über Lichtwellenleiter eines Lichtwellenleiterbündels 19 zu drei Sensoren 18 im Gehäuseabschnitt 17 übertragen. In dieser Ausführungsform reagieren die Sensoren 18 auf den Partialdruck von Sauerstoff, den Partialdruck von CO&sub2; bzw. die Wasserstoffionenkonzentration. Jeder der Sensoren 18 erzeugt ein Fluoreszenzemissionssignal mit einer vom Erregerlicht abweichenden Wellenlänge, und derartige Emissionssignale sind jeweils auf die Blutzusammensetzungsparameter bezogen, auf die sie reagieren. Diese drei Emissionssignale werden zum Instrument 20 über getrennte Lichtwellenleiter oder Kanäle des Lichtwellenleiterbündels 19 übertragen. Das Instrument 20 unterscheidet die emittierten Fluoreszenzsignale vom Erregerlicht.
Die Einzelheiten einer Form von Gehäuseabschnitt 17 und Sensoren 18 sind als Beispiel in der Anmeldung Nr. 229617 des Inhabers dargestellt. Außerdem zeigt Fig. 1A als Beispiel einen der Sensoren 18. Der Sensor 18 weist auf: eine Polymermatrix 21, die einen Fluoreszenzindikator und eine halbdurchlässige Sperre in Form eines Überzugs 23 trägt, der für die zu erfassenden Zusammensetzungsparameter durchlässig ist. Die Matrix 21 und der Überzug 23 werden in einem Hohlraum 25 des Einweg-Gehäuseabschnitts 17 gehalten. Ein Lichtwellenleiter 27 leitet Erregerlicht zum durchsichtigen Gehäuseabschnitt 17 und von dort zum Indikator in der Matrix 21 und führt außerdem das fluoreszente Emissionssignal zum Instrument 20 zurück.
Mit der Erfindung lassen sich viele verschiedene Ausführungsformen von Sensoren verwenden. Aus Fig. 1A geht jedoch hervor, daß die in Betracht kommenden Zusammensetzungsparameter Zeit benötigen, um die halbdurchlässige Sperre 23 und auch die Matrix 21 zu durchdringen, um den durch die Matrix gehaltenen Fluoreszenzindikator zu berühren. Sobald der Zusammensetzungsparameter den Indikator in der Matrix 21 berührt hat, kann zusätzliche Zeit erforderlich sein, bis der Indikator auf das Vorhandensein des Zusammensetzungsparameters reagiert, was besonders für Kohlendioxid gilt. Folglich ist eine Voraussage von P(tE) für Kohlendioxid besonders wichtig. Für Sauerstoff und pH läuft die Reaktion mit dem Fluoreszenzindikator schnell ab, und folglich ergibt sich die Verzögerung bei Sauerstoff primär beim Durchqueren der Sperre 23 und Durchdringen der Matrix 21.
Eines der emittierten Fluoreszenzsignale von einem der Sensoren ist in Fig. 2 durch einen Pfeil 29 dargestellt. Das Instrument 20 weist die notwendigen Komponenten auf, um Informationen aus dem Signallicht 29 zu extrahieren. 50 weist das Instrument 20 einen Wandler auf, z. B. einen Fotodetektor 31, der als Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Signals bezogen auf das Lichtsignal dient. Außerdem kann es Signalaufbereitungskomponenten aufweisen, z. B. einen Verstärker 33 zum Verstärken des elektrischen Signals und einen Analog-Digital-Wandler 35 zum Erzeugen digitaler Daten bezogen auf das elektrische Signal. Die digitalen Daten werden durch eine bekannte Einrichtung mit einer Mikroprozessorschaltung 37 gekoppelt, die einen Mikroprozessor sowie geeignete unterstützende Hardware und Software aufweist. Diese sind auf vielfältige Weise nach bekannten Techniken 50 konfiguriert, daß der Mikroprozessor die digitalen Daten lesen und verarbeiten kann und anschließend Ergebnisse anzeigt oder auf andere Weise ausliest. Die Mikroprozessorschaltung 37 kann z. B. eine Anzeige und eine Tastatur zur Erleichterung der Kommunikation mit einem Bediener aufweisen, und in Kombination mit dem Fotodetektor 31, dem Verstärker 33 und dem Analog-Digital-Wandler 35 dient sie als eine mit der Sensoreinrichtung gekoppelte Rechnereinrichtung zum Analysieren des Signals und Erzeugen einer Ausgabe als Darstellung des Werts des Zusammensetzungsparameters in der Blutprobe.
Erfindungsgemäß weist die Mikroprozessorschaltung 37 eine Programmierung auf, die konfiguriert ist, um angezeigte Endwerte (d. h., Gleichgewichtswerte) bestimmter Blutzusammensetzungsparameter vorauszusagen. Dies ist wichtig, um die Zeit, in der Blut im Gehäuseabschnitt 17 verbleiben muß, und damit die Wahrscheinlichkeit einer Gerinnung zu verringern.
Die Sensoranordnung 14 ist 50 reaktionsverzögert, daß das von ihr erzeugte Signal eine zeitvariante Wellenform P(t) hat, die von einer Exponentialfunktion abweicht, während sie sich von einem Anfangswert P(t&sub0;), der zu einer Zeit t&sub0; auftritt, zu der die Blutprobe in den Gehäuseabschnitt 17 und damit zu den Sensoren 18 entnommen wird, auf einen Gleichgewichtswert P(tE) ändert, der zu einer danach liegenden Zeit tE auftritt. Dabei kommt P(t) dem Gleichgewichtswert P(tE) in dem Sinne asymptotisch näher, daß sie sich dem asymptotischen Verlauf einer echten Exponentialfunktion zumindest stark nähert.
Fig. 3 stellt ein Kurvenbild der Wellenform P(t) für einen Fluoreszenzsensor 18 dar, der auf den Partialdruck von Kohlendioxid (CO&sub2;) reagiert. Der mit t=0 auf der Abszisse bezeichnete Punkt ist der Entnahmezeitpunkt (d. h. der Zeitpunkt, an dem Blut in den Gehäuseabschnitt 17 entnommen wird). Der Anfangswert P(t&sub0;) auf der Ordinate bezieht sich auf den Partialdruck von CO&sub2;, der anfänglich vor der Entnahme angezeigt wird (d. h., den der Spüllösung), und der Punkt des Gleichgewichtswerts P(tE) bezieht sich auf den nach Herstellung des Gleichgewichts abschließend angezeigten Partialdruck von CO&sub2; (d. h., den der Blutprobe).
Das Problem ist, daß sich die Wellenform P(t) vom angezeigten Anfangswert P(t&sub0;) (z. B. 0,3 mmHg) auf einen asymptotischen oder Gleichgewichtswert P(tE) (z. B. 40 mmHg) auf einer mit "P(t) IST" in Fig. 3 bezeichneten Bahn ändert, die nicht exponential ist. Die Kurve "P(t) IST" weicht wesentlich von einer idealen Exponentialkurve (mit "IDEAL EXPONENTIAL" bezeichnet) ab, bis sie bei tI den Wendepunkt erreicht und sich danach der Kurve "IDEAL EXPONENTIAL" annähert. Wäre die Bahn eine ideale Exponentialkurve, so würden die Koordinaten zweier Punkte auf dieser Bahn ausreichende Informationen zur Bestimmung des Gleichgewichtswerts P(tE) liefern. Das ist jedoch bei der Wellenform P(t) für CO&sub2; nicht der Fall. Auch für Sauerstoff (Fig. 4) oder für den pH-Wert (Fig. 5) ist dies nicht der Fall.
Dabei stellt das obere Kurvenbild in Fig. 4 ein Kurvenbild der Wellenform P(t) in dem Fall dar, daß die Sensoranordnung 14 auf den Partialdruck von Sauerstoff (O&sub2;) in der Blutprobe reagiert. In diesem Fall ändert sich P(t) von einem Anfangswert P(t&sub0;) (z. B. 150 mmHg für Luft) auf einen Gleichgewichtswert P(tE1), der höher liegt (z. B. 220 mmHg für einen Sauerstoff aufnehmenden Patienten). Das untere Kurvenbild in Fig. 4 stellt ebenfalls ein Kurvenbild der Wellenform P(t) in dem Fall dar, daß die Sensoranordnung 14 auf den Partialdruck von O&sub2; in der Blutprobe reagiert. In diesem Fall ändert sich P(t) von einem Anfangswert P(t&sub0;) (z. B. 150 mmHg für Luft) auf einen Gleichgewichtswert P(tE2), der niedriger liegt (z. B. 80 mmHg für einen nicht Sauerstoff aufnehmenden Patienten). In jedem Fall weicht die Ist-Bahn (bezeichnet mit "P(t) IST") wesentlich von einer idealen Exponentialkurve (bezeichnet mit "IDEAL") ab, bis sie den Wendepunkt bei tI erreicht, wonach sie sich der Kurve "IDEAL EXPONENTIAL" annähert.
Gleichermaßen stellen das obere und untere Kurvenbild in Fig. 5 Kurvenbilder der Wellenform P(t) in dem Fall dar, daß die Sensoranordnung 14 auf den pH-Wert der Blutprobe reagiert. Beim oberen Kurvenbild ändert sich P(t) von einem pH- Anfangswert P(t&sub0;&sub1;), der über dem Normalwert liegt (z. B. einem angenommenen pH-Wert von 8,5 für die Spüllösung), auf einen Gleichgewichtswert P(tE) (z. B. einen pH-Wert von 7,4 für normales Patientenblut). Beim unteren Kurvenbild ändert sich P(t) von einem pH-Anfangswert P(t&sub0;&sub2;), der unter dem Normalwert liegt (z. B. einem angenommenen pH-Wert von 6,0 für eine andere Spüllösung) auf den angezeigten Endwert P(tE). Wiederum weicht die Ist-Bahn ("P(t) IST") beträchtlich von einer idealen Exponentialkurve ("IDEAL") ab, bis sie den Wendepunkt bei tI erreicht, wonach sie sich der Kurve "IDEAL EXPONENTIAL" annähert.
Trotz der Abweichung von einer wahren Exponentialfunktion sagt die Erfindung den Gleichgewichtswert voraus, indem sie erkennt, daß sich P(t) einem wahren Exponentialverlauf nach Auftreten eines Wendepunkts P(tI) annähert. Anders ausgedrückt ändert sie sich ab dem Wendepunkt P(tI) exponential dahingehend, daß sie sich mindestens einer Exponentialfunktion der durch die Beziehung
P(t) = A (1 - exp[-t/Tau]) + B
beschriebenen Art annähert. Der Wendepunkt, d. h., der Punkt, an dem die Änderungsrate der Steigung null ist, ist für jedes Kurvenbild von P(t) in Fig. 3 bis 5 mit "WENDEPUNKT" bezeichnet und tritt jeweils bei tI zwischen t=0 und der Zeit tE auf, wenn das Kurvenbild im wesentlichen den Gleichgewichtswert erreicht hat (d. h., P(tE), P(tE1) bzw. P(tE2)). Anhand dieser Eigenart sagt die Erfindung den Gleichgewichtswert voraus, ohne daß die Schätzung der Entnahmezeit und Startzeit erforderlich ist. Ferner erfordert die Erfindung keine Berechnung zeitaufwendiger transzendenter Funktionen. Vielmehr erfolgt die Voraussage des Gleichgewichtswerts durch Berechnen eines Schätzwerts unter Verwendung des aktuellen Werts von P(t), der aktuellen gemessenen Steigung und einer empirischen Schätzung von Tau, der Exponentialverlaufszeit. Diese Berechnung wird wiederholt, bis die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Iterationen ausreichend klein ist.
Dabei soll angenommen werden, daß ein Kurvenbild von P(t) nach dem Wendepunkt die Form einer Exponentialfunktion annimmt, 50 daß gilt:
P(t) = A (1 - exp{-t/Tau}) + B, (1)
worin sind:
B ein Anfangswert,
A der Betrag der exponentialen Zunahme oder Abnahme unter bestimmten Bedingungen für O&sub2; und pH und
(A + B) der asymptotische Wert.
Dann gilt:
dp/dt A (1/Tau) exp[-t/Tau]
dp/dt = (A + B - P(t))/Tau (2)
und
(A + B) = P(t) + (Tau dp/dt) (3)
Folglich kann (A + B) anhand von Gleichung (3) und einer empirischen Schätzung von Tau berechnet werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Schätzwert von Tau für CO&sub2; unter Verwendung der Beziehung
Tauest = K&sub1; + K&sub2;/MAX(dp/dt) (4)
berechnet, worin sind: TAUest der Schätzwert von Tau, K&sub1; = 15, K&sub2; = 5,5 und MAX(dp/dt) die erste Ableitung von P(t), berechnet am Wendepunkt (d. h., die Steigung am Wendepunkt). Dieser Schätzung liegt eine Analyse bestimmter Sensomerkmale zugrunde. Zunächst reagiert allgemein jeder gegebene Sensor zur Bestimmung des Partialdrucks von CO&sub2;, O&sub2;, des pH-Werts oder anderer Zusammensetzungsparameter schneller oder langsamer auf höhere Partialdrücke, höhere pH-Werte oder höhere Werte anderer Zusammensetzungsparameter. Bei CO&sub2; ändert sich Tau umgekehrt zu (A + B). Erfindungsgemäß wird jedoch auch erkannt, daß sich die erste Ableitung oder Steigung von P(t) gleichsam reproduzierbar für fast alle Sensoren und fast alle Partialdrücke, pH-Werte und Werte anderer Zusammensetzungsparameter so verhält, daß es einen Wendepunkt gibt und daß die Wellenform nach dem Wendepunkt im allgemeinen exponential ist. Diese Beobachtung erleichtert die Voraussage des asymptotischen oder angezeigten Endwerts von P(t).
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird Tau durch Lokalisieren des Wendepunkts P(tI) und anschließendes Berechnen einer Schätzung von Tau anhand von Gleichung (4) oben geschätzt. Anschließend wird ein neuer Wert von (A + B) anhand von Gleichung (3) berechnet. Danach wird der neue Wert von (A + B) mit dem vorherigen Wert verglichen, und bei ausreichend kleiner Differenz (z. B. einer Anderung unter einem Prozent) wird dieser neue Wert als der asymptotischen oder angezeigte Endwert herangezogen. Ansonsten erfolgt eine weitere Iteration. Natürlich können die genauen Programmierungsschritte bei der Bestimmung von P(tE) innerhalb der offenbarten breiteren erfinderischen Konzepte variieren, solange die Bestimmung auf dem Auftreten des Wendepunkts P(tI) und dem Exponentialverhalten von P(t) danach beruht.
Die vorgenannten Werte von K&sub1; und K&sub2; wurden empirisch gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bestimmt, nachdem eine Sichtprüfung verschiedener Kurvenbilder von P(t) und dp/dt für Kohlendioxid darauf verwies, daß die Steigung dp/dt am Wendepunkt P(tI) in umgekehrter Beziehung zum empirisch beobachteten Tau-Wert jedes Sensors stand und diese Beziehung über einen breiten Bereich von Gleichgewichtswerten P(tE) beibehalten wurde.
Allgemeiner ausgedrückt läßt sich Tau unter Verwendung der Beziehung
TAUest = K&sub1; + K&sub2; MAX(dp/dt)K3 + K&sub4; MAX(dp/pdt)K5 (5) schätzen, worin sind: MAX(dp/dt) die Steigung von P(t) am Wendepunkt P(tI), MAX(dp/pdt) der Höchstwert der in der Nähe des Wendepunkts P(tI) auftretenden Proportionalsteigung von P(t) sowie K&sub1;, K&sub2;, K&sub3;, K&sub4; und K&sub5; Konstanten. Diese Gleichung kann zur Schätzung von Tau für praktisch jeden Zusammensetzungsparameter von Blut verwendet werden. Aus der vorgenannten Gleichung wird deutlich, daß für CO&sub2; K&sub3; = -1 sowie K&sub4; und K&sub5; = 0 sind, wodurch sich Gleichung (4) ergibt, die auf CO&sub2; anwendbar ist.
Zur Bestimmung der Werte aller Glieder "K" in Gleichung (5) werden Ist-Wellenformen von Druck oder pH-Wert als Funktion der Zeit für die in Betracht kommenden Zusammensetzungsparameter über einen breiten Bereich von Gleichgewichtswerten P(tE) aufgetragen, und anhand dieser Menge von Wellenformen wird eine Analyse der kleinsten Quadrate unter Verwendung von Gleichung (5) zur Bestimmung der Werte der Glieder "K" durchgeführt, um der Menge von Wellenformen am besten zu genügen.
Anhand des Ablaufplans von Fig. 6A bis 6C werden nunmehr die logischen Schritte bei der Voraussage des Gleichgewichtswerts P(tE) gemäß dem Voraussagealgorithmus der Erfindung aufgezeigt. Der Voraussagealgorithmus ist in eine weitere Mikroprozessor-Programmierung integriert, die durch die Mikroprozessorschaltung 37 verwendet wird. Bei START wird Blut in den Gehäuseabschnitt 17 entnommen, und das Programm stellt Anfangsbedingungen ein, zu denen die Werte oder Partialdrücke von CO&sub2; gehören. Ist t gleich 0, werden die Anfangsbedingungen Tau = TAUK&sub1; auf 15 Sekunden eingestellt und die vorgenannten Schritte wiederholt. Hat t, das die Anzahl von Iterationen oder Proben im Ablaufplan darstellt, einen anderen Wert als 0, so werden die ersten vier Werte von CO&sub2; angezeigt und gespeichert, und der geschtzte Druckendwert, P(tE), wird gleich den Druckmeßwerten P(m) für jeden der Meßwerte P(m) eingestellt. Nachdem vier Proben gespeichert sind, ist die Initialisierung abgeschlossen. Anschließend werden in einem Block 39 die erste Ableitung unter Verwendung normaler Savitzky-Golay-Polynomfilterverfahren sowie die CO&sub2;-Werte oder -Drücke für den vierten und fünften Druckmeßwert berechnet. Im Block 39 wird außerdem P(tE) anhand von Gleichung (3) sowie der vierten und fünften Probe berechnet. Anschließend wird in einem Block 41 der sechste CO&sub2;-Wert zur künftigen Verarbeitung in einem Puffer gespeichert, und danach wird die erste Ableitung der Kurve P(t) in einem Block 43 unter Verwendung der sechsten Probe und des Savitzky-Golay-Verfahrens berechnet.
In einem Block 45 oben in Fig. 6B werden anschließend gemessene CO&sub2;-Werte auf die gleiche Weise wie in den Blöcken 41 und 43 berechnet, und die erste Ableitung wird kontinuierlich überwacht. Die Überwachung der ersten Ableitung dient zur Bestimmung des Wendepunkts durch Vergleichen der aktuellen ersten Ableitung mit der zuvor berechneten ersten Ableitung und Feststellen, wann die aktuelle Ableitung kleiner als die vorherige erste Ableitung ist. Tritt dies auf, wurde der Wendepunkt passiert, und es wird davon ausgegangen, daß er bei der vorherigen Probe auftrat.
Ist der Wendepunkt nicht erreicht, werden P(tE) und dpo(t), was die erste Ableitung von P(tE) ist, in einem Block 47 berechnet, und eine Stabilitätsbestimmung erfolgt in einem Block 49. Beispielsweise kann die Stabilität bestimmt werden, indem die ersten Ableitungen von P(tE) für aufeinanderfolgende Proben verglichen und ein gemessener CO&sub2;-Partialdruck als stabil festgestellt wird, wenn die Anderung in ersten Ableitungen aufeinanderfolgend berechneter P(tE)-Werte kleiner als ein vorbestimmter Betrag ist. Ist der CO&sub2;-Wert instabil, fährt der Ablauf mit einem Block 51 fort, in dem eine Prüfung zur Bestimmung durchgeführt wird, ob die Probe ein Zeitlimit überschritten hat. Die Probe hat kein Zeitlimit überschritten, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne, z. B. zwei Minuten, nach Drücken der Starttaste noch nicht abgelaufen ist.
In der Periode vor der Wende, d. h., vor der Zeit des Erreichens des Wendepunkts, liefert ein Block 53 stets eine bejahende Antwort. Folglich wird der vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 6B beschriebene Ablauf wiederholt, bis der Wendepunkt erreicht ist. Bei Erreichen des Wendepunkts wird Tau in einem Block 55 gemäß Gleichung (4) für CO&sub2; und gemäß Gleichung (5) für andere Zusammensetzungsparameter eingestellt. Da der Block 53 nunmehr eine verneinende Antwort liefert, fährt der Ablauf mit einem Block 57 in Fig. 6C fort, um wiederum zu bestimmen, ob CO&sub2; instabil ist. Bei einer verneinenden Antwort in diesem Zustand ist der berechnete CO&sub2;-Wert oder Partialdruck P(tE) stabil, und der richtige Endwert wurde nunmehr bestimmt. Solange jedoch der geschätzte CO&sub2;- Wert P(tE) instabil ist, unterliegt der Ablauf einer Beendigung ohne Bestimmung eines endgültigen Partialdrucks infolge des Probenzeitablaufs in einem Block 59. Unter der Annahme, daß die Probe das Zeitlimit nicht überschreitet, wiederholt sich also der in Fig. 6C gezeigte Ablauf, bis die CO&sub2;-Werte als stabil bestimmt werden, und dies wird bei einem Blutgas wie CO&sub2; als der geschätzte Endwert des Partialdrucks zugrunde gelegt.
Die Blöcke 49 und 51 in Fig. 6B stellen Sicherheitsmerkmale dar. Ergibt also die Instabilitätsbedingung für CO&sub2; eine verneinende Antwort, d. h., stabilisiert sich CO&sub2; vor der Detektion des Wendepunkts, oder hat die Probe im Block 51 das Zeitlimit überschritten, wird der Ablauf beendet. In dem Fall, daß CO&sub2; stabil ist, wurde nunmehr der richtige Endwert des CO&sub2;-Werts P(tE) bestimmt. In dem Fall, daß die Probe das Zeitlimit überschreitet, wird der zuletzt berechnete Wert von P(tE) (berechnet im Block 47) als grobe Schätzung genutzt. Beispielsweise kann der Block 49 zu einer verneinenden Antwort führen, wenn die Starttaste zu spät nach der Entnahme von Blut in den Gehäuseabschnitt 17 gedrückt wird. Die Berechnungen des Blocks 47 (Fig. 6B) werden in einem Block 61 wiederholt, um wiederholt zu prüfen, ob die CO&sub2;-Werte als stabil bestimmt werden.
Die Blöcke 51 und 59 sehen außerdem ein Gesamtzeitlimit vor, in dem die Probe im Gehäuseabschnitt 17 verbleiben kann, und bei Erreichen dieser Zeit vor Bestimmung des Gleichgewichtswerts wird die Probe aus dem Gehäuseabschnitt 17 zum Patienten zurückgeführt. In jedem Fall wird die Probe zum Patienten vor Auftreten der Zeitlimitüberschreitung oder vor der Zeit tE zurückgeführt, wenn diese früher liegt. Gewöhnlich wird die Probe zum Patienten zu einer Zeit zwischen der Detektion des Wendepunkts und der Zeit tE zurückgeführt. Vorzugsweise wird die Probe zum Patienten zurückgeführt, sobald der Wendepunkt detektiert ist.

Claims

1. System zum Bestimmen des Werts eines Blutzusammensetzungsparameters mit:

a) einer Einrichtung (17) zum Aufnehmen von Blut;

b) einer Sensoreinrichtung (18) an der Aufnahmeeinrichtung (17) zum Erzeugen eines Signals als Reaktion auf eine Einwirkung des Blutzusammensetzungsparameters, das auf den Wert des Blutzusammensetzungsparameters bezogen ist;

c) einer mit der Sensoreinrichtung (18) gekoppelten Rechnereinrichtung (37) zum Analysieren des Signals und Erzeugen einer Ausgabe als Darstellung des Werts des Blutzusammensetzungsparameters;

d) wobei eine verzögerte Reaktion derart vorliegt, daß das Signal eine zeitvariante Wellenform P(t) hat, die von einer Exponentialfunktion abweicht, während sie sich von einem Anfangswert P(t&sub0;), der zu einer Zeit t&sub0; auftritt, zu der die Sensoreinrichtung dem Blutzusammensetzungsparameter ausgesetzt wird, auf einen Gleichgewichtswert P(tE) ändert, der zu einer Zeit tE danach auftritt; und

e) wobei die Rechnereinrichtung (37) eine Einrichtung zum Detektieren des Auftretens eines Wendepunkts P(tI) aufweist, der zwischen dem Anfangswert P(t&sub0;) und dem Gleichgewichtswert P(tE) auftritt; und

f) einer Einrichtung zum Berechnen einer Schätzung des Gleichgewichtswerts P(tE) auf der Grundlage der Annahme, daß sich die Wellenform P(t) von dem Wendepunkt P(tI) zu dem Gleichgewichtswert P(tE) exponential ändert.

2. System nach Anspruch 1, wobei der Blutzusammensetzungsparameter ein Blutgas ist, die Sensoreinrichtung auf ein solches Blutgas reagiert und sich das Signal auf den Partialdruck eines solchen Blutgases bezieht.

3. System nach Anspruch 1, wobei der Blutzusammensetzungsparameter Kohlendioxid ist, die Sensoreinrichtung auf Kohlendioxid reagiert und sich das Signal auf den Partialdruck von Kohlendioxid bezieht.

4. System nach Anspruch 1, wobei der Blutzusammensetzungsparameter Sauerstoff ist, die Sensoreinrichtung auf Sauerstoff reagiert und sich das Signal auf den Partialdruck von Sauerstoff bezieht.

5. System nach Anspruch 1, wobei der Blutzusammensetzungsparameter pH ist, die Sensoreinrichtung auf pH reagiert und sich das Signal auf den pH-Wert bezieht.

6. System nach Anspruch 2, wobei die Sensoreinrichtung einen auf das Blutgas reagierenden Fluoreszenzsensor aufweist.

7. System nach Anspruch 6, wobei der Blutzusammensetzungsparameter CO&sub2; ist und der Fluoreszenzsensor auf CO&sub2; reagiert.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Einrichtung zum Berechnen einer Schätzung des Gleichgewichtswerts P(tE) die Beziehung

(A + B)est = P(tI) + [Tau MAX(dp/dt)] verwendet, worin sind: (A + B)est die Schätzung des Gleichgewichtswerts, Tau eine Konstante und MAX(dp/dt) die Steigung von P(t) am Wendepunkt P(tI).

9. System nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zum Berechnen einer Schätzung des Gleichgewichtswerts P(tE) eine Einrichtung zum Berechnen eines Schätzwerts von Tau unter Verwendung der Beziehung

TAUest = K&sub1; + K&sub2;/MAX(dp/dt)

aufweist, worin sind: TAUest der Schätzwert von Tau, K&sub1; eine erste Konstante, K&sub2; eine zweite Konstante und MAX(dp/dt) die Steigung von P(t) am Wendepunkt P(tI).

10. System nach Anspruch 9, wobei der Wert von K&sub1; etwa 15 und der Wert von K&sub2; etwa 5,5 beträgt.

11. System nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zum Berechnen einer Schätzung des Gleichgewichtswerts P(tE) eine Einrichtung zum Berechnen eines Schätzwerts von TAU unter Verwendung der Beziehung

TAUest = K&sub1; + K&sub2; MAX(dp/dt)K3 + K&sub4; MAX(dp/pdt)K5 aufweist, worin sind: MAX(dp/dt) die Steigung von P(t) am Wendepunkt P(tI), MAX(dp/pdt) der Höchstwert der in der Nähe des Wendepunkts P(tI) auftretenden Proportionalsteigung von P(t) sowie K&sub1;, K&sub2;, K&sub3;, K&sub4; und K&sub5; Konstanten.

12. Verfahren zum Voraussagen des Gleichgewichtswerts eines Blutzusammensetzungsparameters mit den Schritten:

Erzeugen eines auf den Wert eines Blutzusammensetzungsparameters bezogenen Signals , wobei das Signal eine Wellenfom hat, die sich zeitlich von einem Anfangswert P(t&sub0;) auf einen Gleichgewichtswert P(tE) ändert;

Detektieren des Auftretens eines Wendepunkts P(tI), der zwischen dem Anfangswert P(t&sub0;) und dem Gleichgewichtswert P(tE) auftritt; und

Berechnen einer Schätzung des Gleichgewichtswerts P(tE) auf der Grundlage der Annahme, daß sich die Wellenform P(t) von dem Wendepunkt P(tI) zu dem Gleichgewichtswert P(tE) exponential ändert.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Berechnens einer Schätzung des Gleichgewichtswert P(tE) die Beziehung

(A + B)est = P(tI) + [Tau MAX(dp/dt)]

verwendet, worin sind: (A + B)est die Schätzung des Gleichgewichtswerts, Tau eine Konstante und MAX(dp/dt) die Steigung von P(t) am Wendepunkt P(tI).

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Berechnens einer Schätzung des Gleichgewichtswert P(tE) das Berechnen eines Schätzwerts von TAU unter Verwendung der Beziehung

TAUest = K&sub1; + K&sub2;/MAX(dp/dt)

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Wert von K&sub1; etwa 15 und der Wert von K&sub2; etwa 5,5 beträgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 mit den Schritten: Entnehmen von Blut von einem Patienten über eine Leitung zu einem Sensor, der das Signal liefert, und Beginnen einer Rückführung des Bluts zu dem Patienten nach der Zeit, zu der der Wendepunkt auftritt, und vor der Zeit, zu der der Gleichgewichtswert auftreten würde.