DE69434484T2

DE69434484T2 - Verfahren und Anordnung zur Messung des Durchflusses einer elektrolytischen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE69434484T2
Application number: DE69434484T
Authority: DE
Inventors: Hans Strandberg
Original assignee: St Jude Medical AB
Current assignee: St Jude Medical AB
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1994-01-05
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2014-01-06
Also published as: EP0620420B1; EP0620420A1; DE69434484D1; JPH075002A; SE9300282D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Flusses eines elektrolytischen Fluids, bei dem dann wenigstens zwei Elektroden in den Elektrolyten eingetaucht werden.
Diese Art von Flussmessung ist für eine Anzahl von industriellen und medizinischen Anwendungen, wie die Messung des Blutflusses für eine frequenzadaptierende Steuerung eines Schrittmachers und in Verbindung mit der Detektion einer Tachykardie geeignet. In einer Tachykardie wird der Blutfluss reduziert.
Diese Art der Flussmessung ist bisher durch beispielsweise Thermoverdünnung durchgeführt worden, wobei das Kühlen einer erhitzten Elektrode durch das um sie fließende Fluid untersucht wird. Die Elektrode kann erhitzt werden und die Temperatur im Medium kann beispielsweise abwechselnd abgefühlt werden. Die Durchführung einer derartigen Flussmessung mit Hilfe einer Dopplerschallmessung ist ebenfalls bekannt. Beide bekannten Verfahren machen eine relative komplexe Ausrüstung erforderlich.
Das Dokument EP-A-0 077 413 beschreibt ein System zum Messen der Durchflussgeschwindigkeit von elektrolytischen Fluids, enthaltend eine Durchflussmesszelle mit einem zylindrischen Kanal für die Fluidströmung und ein Paar im Abstand voneinander angeordneten Elektroden, die an die zylindrische Fläche des Strömungskanals angepasst sind. Die Elektroden sind elektrisch leitend und gegenüber dem Fluid inert und stehen mit dem Fluidfluss für einen gewünschten Bereich der Flussmessung in Verbindung. Über die Elektroden wird eine unipolare Impulsfolge zugeführt, um eine Zellenimpedanz zu bewirken, die zur Strömungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional ist. Abhängig von dem Potential an den Elektroden wird ein Steuersignal erzeugt und dieses Signal wird dem Impulsfolge-Generator zugeführt, wodurch der Impulsfolge-Strom derart geändert wird, dass eine Zunahme im Strom abhängig von einer Zunahme in der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt wird, wodurch die Zellenimpedanz für jede Strömungsgeschwindigkeit stabilisiert wird und das Elektrodenpotential repräsentativ für die Strömungsgeschwindigkeit ist.
Das Dokument EP-A-0 310 026 beschreibt einen Herzschrittmacher mit einem Impulsgenerator zum Erzeugen von Stimulationsimpulsen, einem einzigen Sensor mit einer Schrittmacherelekt rode, die im rechten Herzen des Patienten angeordnet ist, um ein Signal abzuleiten, das mit einer Vielzahl von physiologischen funktionellen Parametern moduliert ist, welche sich auf den Zustand eines Patienten beziehen, wie Änderungen im Volumen, im Fluss oder im Druck innerhalb des vaskulären Systems des Patienten.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zum Messen des Flusses einer elektrolytischen Fluids zu schaffen, die einfacher sind und eine einfachere und damit billigere Messausrüstung erforderlich machen.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung der im einleitenden Teil beschriebenen Art mit den, in den Ansprüchen 1 bzw. 5 angegebenen, charakteristischen Merkmalen erreicht.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung beruhen auf dem Umstand, dass sich zwischen Elektroden eine elektromotorische Kraft (im Folgenden EMF) entwickelt, wenn die aus einem geeigneten Material hergestellten Elektroden in einen Elektrolyten, wie eine Salzlösung eingetaucht werden. Diese EMF oder genauer die Anschlussspannungen, die zwischen der betreffenden Elektrode und dem Elektrolyten entstehen und die resultierende EMF zur Folge haben, hängt von dem Fluss des Fluids um die Elektroden ab.
Die Vorteile der Erfindung liegen in ihrer Einfachheit. Die erforderliche Messeinrichtung ist einfach und es kann eine vorhandene Schrittmacherelektrode verwendet werden, falls diese vom richtigen Typ ist, wenn die Erfindung zum Messen des Blutflusses für Schrittmacher eingesetzt wird. So ist festgestellt worden, dass eine bipolare Elektrode mit beispielsweise einer Karbonspitze und einem Platinring sehr gut bei solchen Blutflussmessungen gemäß der Erfindung funktionieren.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird den Elektroden ein kontinuierlicher oder gepulster periodischer Strom, der einen Nettogleichstrom liefert, zugeführt und die erhaltene Spannung zwischen den Elektroden, die vom Fluss des Fluids abhängt, wird gemessen. Auf diese Weise wird das Elektrodensystem mit einer EMF „aufgeladen".
Nach einer längeren Zeitdauer beläuft sich die entladene EMF auf etwa 40 bis 50 mV. Falls in dem Messverfahren das System mit einigen Volt gepulst wird und die Impulsdauer wenigstens einen Teil einer ms andauert, entsteht eine EMF von weniger als 1 mV mit einer Aufladekonstanten in der Größenordnung von Minuten.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Impulsdauer so reguliert, dass die gemessene Spannung für die fragliche Anwendung geeignet ist.
Die Stimulation, bis eine stabile, erhöhte EMF erreicht wird, liefert jedoch eine sehr gute Möglichkeit für die Detektion des Flusses. Die vom Fluss abhängige Variation in der EMF beläuft sich auf etwa 50 mV.
Flussmessungen können auch durch eine kompensatorische Einstellung der Impulsamplitude durchgeführt werden, um die EMF-Spannung stabil zu halten. Es sind bei einem 0,5 V EMF- und einem 1 V EMF-Pegel Untersuchungen durchgeführt worden. Änderungen in der Impulsspannung von 1 bis 2 V waren dann zwischen einem schnellen Fluidfluss und einem stagnierenden Fluidfluss erforderlich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spannung zwischen den Elektroden konstant gehalten und der Strom zwischen den Elektroden gemessen. Da die übertragene Ladung ein Maß des Fluidflusses ist, führt ein vergrößerter Fluss zu einer Vergrößerung im Strom.
Es wurde keine Sättigung beobachtet. Strom und Empfindlichkeit für einen Fluss Null, d.h. die Strom/Durchfluss-Rate, hängen von dem Fluid und den Elektroden sowie der angelegten Spannung ab. Der Messstrom liegt in der Größenordnung von 50 bis 500 nA.
Wenn die Erfindung bei einem Schrittmacher angewandt wird, muss berücksichtigt werden, dass die EMF bzw. die Anschlussspannungen weitgehend von den ausgegebenen Stimulationsimpulsen abhängen. Die Kompensation hierfür ist jedoch nicht sehr schwierig, da die Stimulationsfrequenz bestimmbar und messbar ist und die Messung des Stromes oder der Spannung, gemäß einem vorteilhaften Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, unmittelbar vor der Ausgabe eines Stimulationsimpulses durchgeführt wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Nach-Polarisations-Verlauf nicht vom Fluidfluss abhängig ist.
Die Spannung, die als Elektroden EMF gekennzeichnet werden kann, ist materialabhängig. Eine für das Elektrodenmaterial harmlose Reduktion tritt an der negativen Elektrode auf. Jedoch kann eine an der positiven Elektrode auftretende Situation eine Auflösung des Materials verursachen, d.h. die Elektrode kann aufgebraucht werden. So muss die positive Elektrode aus einem nicht reaktiven Material hergestellt werden. Deshalb muss die Wahl des Elektrodenmaterials sorgfältig getroffen werden, ebenso wie die Wahl der Stromrichtung für die Flussmessung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Elektroden, wenn die Vorrichtung bei Schrittmachern eingesetzt wird, aus einer bipolaren Schrittmacherelektrode mit einer Karbonspitze und einem Platinring gebildet. Praktische Tests mit diesem Elektrodenaufbau haben ausgezeichnete Flussmessungsergebnisse geliefert.
Die Erfindung wird nun mehr im Detail anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, die Ausführungsbeispiele darstellen.
1 zeigt ein Paar von Elektroden in einem Elektrolyten, um das Grundprinzip der Erfindung zu erläutern;
2 zeigt ein Beispiel einer Schaltung zur Durchführung der für die Bestimmung des Flusses erforderlichen Spannungsmessung;
3 und 4 zeigen Beispiele von Messschaltungen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 stellt schematisch einen Schrittmacher oder Defibrillator mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar;
6 ist ein Blockdiagramm eines Schrittmachers bzw: Defibrillators mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
7 ist ein Blockdiagramm eines Beispieles der erfindungsgemäßen Flussmessvorrichtung in der in 6 gezeigten Version.
In 1 sind zwei Elektroden 2, 4 dargestellt, die in einen Elektrolyten 6 beispielsweise eine 0,5 % Salzlösung eingetaucht sind.
Wenn geeignete Elektroden gewählt werden, entwickelt sich zwischen den Elektroden 2, 4 eine EMF, die von dem Fluss des Elektrolyten 6 abhängig ist. Genauer gesagt entwickelt sich zwischen der Elektrode 2, 4 und dem Elektrolyten eine flussabhängige Anschlussspannung, die zur EMF führt.
In 1 ist an die Elektroden 2, 4 eine Spannung U angelegt, und der Strom I soll gemessen werden und dessen Größe stellt ein Maß des Flusses des Elektrolyten dar. Das Prinzip der Erfindung kann bei der in 1 gezeigten Vorrichtung durch Rühren des Elektrolyten 6, mit beispielsweise einem Magnetrührer, dargestellt werden, um in dem den Elektrolyten 6 enthaltenden Container einen Fluss zu erzeugen.
Der Strom I durch das Elektrodenpaar (der als entsprechende Spannung betrachtet werden kann), kann mit der in 2 gezeigten Schaltung gemessen werden, wenn an DVM ein geeignetes Aufzeichnungsgerät angeschlossen wird. Ein Bezugs-Bildspeicher-Oszilloskop, d.h. ein Oszilloskop, dem ein normaler Impuls zugeführt wird, mit dem die gemessenen Impulse verglichen werden können, um Abweichungen dem Auge leicht erkennbar zu machen, kann als ein derartiges Aufzeichnungsinstrument benutzt werden.
Wenn die Schaltung gemäß 2 in einem Schrittmacher mit einer bipolaren Elektrode benutzt wird, wird der Ausgangsanschluss 8 mit der Spitze der stimulierenden Elektrode, in geeigneter Weise einer Karbonspitze, verbunden und der Ausgangsanschluss 10 wird mit der Abfühlelektrode, in geeigneter Weise einem Platinring, verbunden. Die Steuerspannung wird durch die Spannungsquelle 12 zugeführt und die Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 8 und 10 wird mit dem Rückkopplungsverstärker 14 gemessen.
Es ist festgestellt worden, dass ein Mangel an aufgelöstem Sauerstoff im Elektrolyten instabile, nicht reproduzierbare Ergebnisse erzeugt. Deshalb muss der vorhandene Sauerstoff in dem Elektrolyten aufgelöst sein, wenn die Flussmessung gemäß der Erfindung zuverlässig arbeiten soll. Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass der pH-Wert des Elektrolyten die Empfindlichkeit der Flussmessung beeinflusst. Der Grenzwert für eine zuverlässige Messung liegt bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung bei einem pH-Wert von etwa 5, eine mehr sauere Lösung beeinträchtigt die Empfindlichkeit. Die Prozesse an den beiden Elektroden sind: 2OH^– → H₂O + ½O₂ + 2e^– Oxidation H₂O + ½O₂ + 2e^– → 2OH^– Reduktion
Bei einer konstanten Spannung zwischen den beiden Elektroden verursacht eine Änderung im Normalpotential einer Elektrode ebenfalls eine Änderung im Normalpotential der anderen Elektrode. Die Empfindlichkeit gegenüber Spannungsänderungen des obigen Oxidationsprozesses nimmt wegen der geringeren Konzentration der Hydroxidionen zu, wenn die Lösung mehr sauer wird.
Experimente haben auch gezeigt, dass das Abfühlen des Flusses primär an der positiven Elektrode erfolgt, während die negative Elektrode den Strom steuert.
In 3 ist eine Version der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die für den Einsatz in einem Schrittmacher, zur Messung des Blutflusses vorgesehen ist. Diese Ausführungsform ist für gepulste oder abgetastete Flussmessungen gedacht.
Bei der Schaltung gemäß 3 ist der Ausgangsanschluss 16 mit der indifferenten Elektrode, in geeigneter Weise einem Platinring, verbunden und der Ausgangsanschluss 18 mit der Stimulationselektrode, in geeigneter Weise einer Karbonspitze, vergleiche die Beschreibung von 2.
Ein Widerstand R₁ mit hohem Widerstandswert ist zwischen die Ausgangsanschlüsse 16, 18 geschaltet und die mit dem Ausgangsanschluss 18 verbundene Elektrode wird mit Ladeimpulsen durch den Schalttransistor Tr aufgeladen. So werden diese Impulse an die gleiche Elektrode wie die Stimulationsimpulse des Schrittmachers aber zu unterschiedlichen Zeiten ausgegeben.
Der Schalttransistor Tr wird durch die Steuerelektronik 20 gesteuert.
Ein FET Verstärker 24 und die folgende Mess- und Steuer-Elektronik 26 sind mit dem Ausgangsanschluss 18 zum Steuern der Spannungsquelle 22 und für die Messung verbunden. Die Mess- und Steuer-Elektronik 26 ist ferner mit der Steuerelektronik 20 des Transistors Tr verbunden. Auf diese Weise ist eine Steuerung sowohl des Transistors Tr als auch der Spannungsquelle 22 abhängig von der gemessenen Spannung möglich.
In 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, die für eine kontinuierliche Zufuhr des Stromes zu den Elektroden vorgesehen ist. Hier ist die indifferente Elektrode mit dem Ausgangsanschluss 28 verbunden und die Stimulationselektrode mit dem Ausgangsanschluss 30. Die in Reihe mit einem Widerstand R₂ eines hohen Widerstandswertes geschaltete Spannungsquelle 32 ist zwischen die Ausgangsanschlüsse 28, 30 geschaltet.
In der entsprechenden Weise, wie bei der Version nach 3, sind ein FET Verstärker 34 und die darauffolgende Mess- und Steuer-Elektronik 36 mit dem Ausgangsanschluss 30 für Mess- und Steuer-Zwecke verbunden. Auch in diesem Fall ist die Spannungsquelle 32 abhängig von der zwischen den Elektroden gemessenen Spannung steuerbar.
In 5 ist ein Schrittmacher oder Defibrillator 38 mit einer konventionellen bipolaren Elektrode, mit einem indifferenten Ring 40 und einem Stimulationspol 42, gezeigt. Der Schrittmacher bzw. Defibrillator 38 ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet und der Ring 40 ist für diesen Zweck in geeigneter Weise aus Platin hergestellt und der Pol 42 aus Kohlenstoff.
Praktische Test sind mit einem Platinring bei einer Kontaktfläche von etwa 32 mm² und einer Karbonspitze mit einer Kontaktfläche von 6 mm² durchgeführt worden.
In 6 ist ein Blockdiagramm des Schrittmachers bzw. Defibrillators 38 von 5 dargestellt.
Der Schrittmacherabschnitt 44 ist mit seinem Stimulationsausgangsanschluss 46 über einen Ausgangskondensator C₀ mit dem Ausgangsanschluss 48 für die Stimulationselektrode verbunden. Am gleichen Ausgangsanschluss 48 werden Herzsignale empfangen und über ein Filter 50 mit einem Kondensator C₁ dem Schrittmacherabschnitt 44 über dessen Eingang 52 für die Herzsignaldetektion zugeführt.
Der Schrittmacher oder Defibrillator 38 enthält ferner eine Flussmesseinheit 54 mit einem mit dem Ausgang 48 verbundenen Ausgang 56, um der Stimulationselektrode ein Vorspannungssignal in Verbindung mit der Flussmessung zuzuführen. Das für die Messung des Flusses erforderliche Spannungsmesssignal wird von der Flussmesseinheit über den Eingangsanschluss 58 empfangen.
Eine spezielle Steuerelektronik 60 ist vorgesehen, um den Schrittmacherabschnitt 44 abhängig von der Flussmesseinheit 54 zu steuern.
Sowohl der Schrittmacherabschnitt 44 als auch die Flussmesseinheit 54 sind ferner über Ausgänge 62, 64 mit dem Ausgang 66 verbunden, der vorgesehen ist, um mit der indifferenten Elektrode 40 von 5 verbunden zu werden.
In 7 ist eine Flussmesseinheit 54 in größerem Detail gezeigt. So enthält, wie oben beschrieben, die Flussmesseinheit 54 eine Signal erzeugende Elektronik 68, um der Elektrode die für die Messung des Flusses erforderlichen Ströme bzw. Spannungen über den Ausgang 56 und den Ausgang 48 zuzuführen. Das Messsignal für die Flussmessung wird über den Ausgang 48 und den Eingang 58 empfangen und über einen Pufferverstärker 70 zur Mess- und Steuer-Elektronik 72 gesandt, die das Messsignal in geeigneter Weise behandelt und analysiert und an den Ausgang 74 ein Ausgangssignal liefert, das den gemessenen Flusswert repräsentiert. Die Mess- und Steuer-Elektronik 72 ist auch mit der Signal erzeugenden Elektronik 68 verbunden, um deren Funktionen in Abhängigkeit von den empfangenen Messsignalen zu steuern.

Claims

Verfahren der Messung des Flusses eines elektrolytischen Fluids (6), bei dem zwischen zwei, in das genannte elektrolytische Fluid eingetauchten, stationären Elektroden (2, 4; 40, 42) der Strom gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder stationären Elektrode in dem genannten elektrolytischen Fluid durch Anlegen einer kontinuierlichen oder einer impulsförmigen Spannung an die beiden genannten stationären Elektroden (2, 4; 40, 42) elektrochemische Reaktionen verursacht werden, derart, dass zwischen den genannten Elektroden eine elektromotorische Kraft entwickelt wird, die von dem Fluss des Fluids um die Elektroden abhängig ist, dass der Strom zwischen den genannten Elektroden gemessen wird und während der Messung die angelegte Spannung konstant gehalten wird, wobei der Messstrom in der Größenordnung von 50 bis 500 nA liegt und vom Fluss abhängig ist.
Verfahren des Messens des Flusses eines elektrolytischen Fluids (6), bei dem zwischen zwei, in das genannte elektrolytische Fluid eingetauchten, stationären Elektroden (2, 4; 40, 42) die Spannung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder stationären Elektrode in dem genannten elektrolytischen Fluid elektrochemische Reaktionen verursacht werden, durch Zuführen eines kontinuierlichen oder impulsförmigen Stromes, der an die beiden genannten stationären Elektroden (2, 4; 40, 42) einen Nettogleichstrom liefert, derart, dass zwischen den genannten Elektroden eine elektromotorische Kraft entwickelt wird, die von dem Fluss des Fluids um die Elektroden abhängt und dass die Spannung zwischen den genannten Elektroden gemessen wird, wobei die vom Fluss abhängige Veränderung der Spannung sich auf etwa 50 mV beläuft.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Messen des Blutflusses durch einen implantierbaren Schrittmacher oder Defibrillator, der ausgelegt ist, Stimulationsimpulse zu liefern.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Messen des Blutflusses durch einen implantierbaren Schrittmacher oder Defibrillator, der ausgelegt ist, Stimulationsimpulse zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Stromes oder der Spannung unmittelbar vor der Ausgabe eines Stimulationsimpulses durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Messen des Flusses eines elektrolytischen Fluids, enthaltend wenigstens zwei Ausgänge (8, 10; 16, 18; 28, 30), wobei die Ausgänge mit Elektroden verbindbar sind, die stationär in ein elektrolytisches Fluid einzutauchen sind, dessen Fluss gemessen werden soll, eine Energiequelle (12, 22, 32) mit Gegenpolen, mit denen die beiden genannten Ausgänge jeweils verbunden sind, zum Erzeugen entsprechender elektrochemischer Reaktionen an der betreffenden stationären, verbindbaren Elektrode in dem genannten elektrolytischen Fluid, derart, dass zwischen den Elektroden eine elektromotorische Kraft entwickelt wird, die von dem Fluss des Fluids um die Elektroden abhängt, dass die genannte Energiequelle einen impulsförmigen oder kontinuierlichen Strom zuführt, der einen Nettogleichstrom liefert, welcher zu einer Messspannung führt, deren flussabhängige Änderung sich auf etwa 50 mV beläuft, oder eine impulsförmige oder kontinuierliche Spannung liefert, die einen flussabhängigen Messstrom in der Größenordnung von 50 bis 500 nA ergibt, eine Messeinheit (14; 24; 26; 24; 36; 54) zum Messen der Spannung an oder des Stromes zwischen den genannten Ausgängen (8, 10; 16, 18; 28, 30), wenn die genannten verbindbaren Elektroden in das Fluid eingetaucht und mit den genannten Ausgängen (8, 10; 16, 18; 28, 30) verbunden sind.
Schrittmacher oder Defibrillator, enthaltend eine Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Elektroden (2, 4; 40, 42) Elektroden des implantierbaren Schrittmachers oder Defibrillators sind und dass der genannte Schrittmacher oder Defibrillator ausgelegt ist, die Messungen des vom Fluss abhängigen Stromes oder der vom Fluss abhängigen Spannung vor der Ausgabe eines Stimulationsimpulses durchzuführen.
Schrittmacher oder Defibrillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode aus einem nicht reaktiven Material hergestellt ist.
Schrittmacher oder Defibrillator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Elektroden (2, 4; 40, 42) aus einer bipolaren Schrittmacherelektrode mit einer Karbonspitze als stimulierender Elektrode und einem Platinring als indifferenter Elektrode gebildet sind.
Schrittmacher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, der einen Schrittmacherabschnitt (44) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerschaltung (60) zum Steuern des Schrittmacherabschnittes (44) abhängig von der Messeinheit (54) vorgesehen ist.