DE69531346T2 - Gasmessung im blut - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für das Messen und Bestimmen von wenigstens zwei Kenngrößen einer flüssigen Probe unter Verwendung einer gemeinsamen Elektrode mit dem Schritt zum Messen des Elektrodenpotentials. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Messen von pH und pO₂ mit ein und derselben Antimonelektrode.
• Das Messen von Blutgasen bildet einen der Eckpfeiler innerhalb der medizinischen Diagnostik. Der Sauerstoffwert pO₂ beschreibt, wie gut das Blut in den Lungenflügeln mit Sauerstoff gesättigt ist und wie gut die Sättigung mit Sauerstoff in Bezug auf die Sauerstoffnotwendigkeiten des Gewebes ist, und der Säuregehalt des Bluts ist erhöht, d.h. der pH-Wert ist reduziert, wenn die Anforderungen über den verfügbaren Sauerstoff hinausgehen. Ein weiterer zentraler Parameter bei der Analyse von Blutgasen ist der Kohlenstoffdioxidpegel pCO₂, welcher ein Maß dafür ist, wie gut die Zuckerzerlegungsprodukte aus der Lunge ventiliert werden.
• Seit Mitte des 19. Jahrhunderts hat man danach gestrebt, gute Systeme für das Messen von pH, pO₂ und pCO₂ im Blut und im Gewebe zu finden.
• Das Standardverfahren zum Messen von pH ist seit langer Zeit mit auf Glas basierenden Elektroden erfolgt. Der Nachteil davon ist es gewesen, dass sie spröde bzw. zerbrechlich sind und an einer Drift leiden, was zu der Unmöglichkeit beiträgt, sie für ein kontinuierliches Messen in Bezug auf Blut und Gewebe oder zum Beispiel eine Kontrolle von Patienten zu verwenden.
• Das Standardverfahren zum Messen von Sauerstoffpegeln bei medizinischen Anwendungen ist mittels einer Clark-Elektrode erfolgt. Diese hat eine komplexe Struktur einschließlich des Einhüllens der Elektrode in einer Anzahl von Membranen und entsprechenden elektrolytischen Lösungen zum Bereitstellen eines stabilen Messsystems. Die Komplexität des Aufbaus und die Drift der Messvorrichtung hat jedoch darin resultiert, dass es nicht möglich ist, sie für kontinuierliche Messungen zum Überwachen oder für Kontrollzwecke zu verwenden. Die Tendenz für ein Auftreten von Thrombosen um den Elektrodentyp hat weiter zu den Schwierigkeiten beigetragen.
• Ebenso fehlt heute für das kontinuierliche Messen von Kohlenstoffdioxid im Blutstrom oder im Gewebe von Patienten ein gutes Verfahren und eine gute Einrichtung. Die herkömmliche Einrichtung dafür basiert auf einer pH-Elektrode, die innerhalb einer Membran platziert ist, die durchlässig für Kohlenstoffdioxid ist. Die Lösung innerhalb der Membran ist ein Puffer, der durch das Hinzufügen des Kohlenstoffdioxids aus der gemessenen Umgebung säurehaltiger werden wird, wenn das Kohlenstoffdioxid im Fluid aufgelöst wird, um Kohlenstoffsäure bzw. Karbonsäure herzustellen. Die Säureanreicherung innerhalb der Membran ist dann proportional zu den Kohlenstoffdioxidpegeln außerhalb davon und kann mittels einer herkömmlichen pH-Elektrode gemessen werden.
• Aus dem schwedischen Patentdokument 409 372 ist bislang eine Metallelektrode für das Messen von pH etc. in Flüssigkeiten bekannt. Diese besteht aus einem Sensor aus Metall, der in einem Halter eingeschlossen ist, wobei das Metall ein Monokristallin mit nur einer Kristallebene ist, die gegenüber der Testflüssigkeit freigelegt ist. Mit einer solchen Elektrode wird eine Antimon-pH-Messung mit hoher Auflösung (0,02 pH-Einheiten) möglich gemacht. Dieser Elektrodentyp hat dieselbe gute Charakteristik für eine pH-Messung wie glasbasierende pH-Elektroden und hat mehrere praktische Vorteile im Vergleich zu der Glaselektrode, da der Elektrodentyp weniger verletzlich ist, einfach zu sterilisieren ist und nicht schädlich gegenüber biologischem Gewebe ist.
• Ein bleibendes Problem bei antimonbasierenden Elektroden besteht jedoch in der Sauerstoffabhängigkeit. Diese ist in einer Anzahl von Studien untersucht worden, wobei es unter anderem gezeigt worden ist, dass der sauerstoffabhängige Teil der Elektrodenspannung stabil ist, wodurch unter der Voraussetzung, dass die pH-Komponente identifiziert und subtrahiert werden kann, eine gleichzeitige Sauerstoffmessung ermöglicht wird. Im beschriebenen Fall (Sjöberg, P. Skeletal muscle surface pH and pO₂. Linköping University Medical Dissertations No 325, 1990. Linköping), bei welchem die Elektrode für eine Gewebemessung verwendet worden ist, ist dies dadurch ausgeführt worden, dass der Blutfluss zum Gewebe für eine kurze Zeit abgeschnitten wurde. Dies resultiert darin, dass der Sauerstoffdruck für eine kurze Zeit 0 wird, und es wird dadurch möglich, einen pH-Teil des Signals zu identifizieren. Durch darauf folgendes Subtrahieren von diesem können die Sauerstoffpegel vor dem Abschneiden berechnet werden. Der Nachteil bei diesem Verfahren besteht darin, dass das Abschneiden die Umgebung der Messung beeinflussen kann und dass einiges Gewebe das Abschneidverfahren nicht aushalten kann, wie beispielsweise das zentrale Nervensystem. Es sollte daher von großem Wert sein, die zwei Komponenten der Elektrodenspannung auf elektrische Weise separieren zu können.
• Ein Ziel dieser Erfindung besteht im Trennen der zwei Signalteile bei einer antimonbasierenden Elektrode oder einer auf einem anderen Metall basierenden Elektrode auf eine zuverlässige und einfache Weise, so dass Werte für pO₂ und pH von ein und demselben Sensor erhalten werden können. Eine zweite Aufgabe besteht im Erhalten von Werten von pO₂ und pCO₂ von ein und demselben Sensor auf gleiche Weise. Eine weitere Aufgabe besteht im Erhalten dieser Paare von gemessenen Werten von derselben Messstelle.
• Ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Bestimmen von wenigstens zwei Kenngrößen einer flüssigen Probe durch Verwenden einer gemeinsamen Elektrode mit dem Schritt zum Messen des Elektrodenpotentials, wobei ein Elektrodenstrom mit einer an die Elektrode angelegten bekannten DC-Spannung bzw. Gleichspannung gemessen wird und wobei die Kenngrößen aus dem gemessenen Elektrodenpo tential und -strom gemäß einer gebildeten Beziehung zwischen den Kenngrößen und dem Elektrodenpotential und -strom berechnet werden.
• Vorzugsweise ist die Elektrode aus Antimon hergestellt und sind die Kenngrößen pO2 und pH.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet die polarographische Messung eine angelegte Spannung innerhalb eines Plateaubereichs der Strom-Spannungs-Kurve für die Elektrode. Im Fall von Antimon ist eine bevorzugte angelegte Spannung 0,9 V.
• Eine Einrichtung bzw. Ausrüstung gemäß der Erfindung für die Messung und Auswertung von wenigstens zwei Kenngrößen einer flüssigen Probe weist eine gemeinsame Elektrode und eine Einrichtung zum Messen des Elektrodenpotentials auf, und sie weist weiterhin eine Gleich- bzw. DC-Spannungsquelle, eine Einrichtung zum Anschließen der DC-Spannungsquelle an die Elektrode, eine Einrichtung zum Messen eines Elektrodenstroms, eine Einrichtung zum alternativen Koppeln der Einrichtung zum Messen des Elektrodenpotentials und -stroms zum alternativen Messen des Elektrodenpotentials und -stroms und eine Einrichtung zum Berechnen der Kenngrößen aus dem Elektrodenpotential und -strom auf.
• Bei einer Weiterentwicklung der Einrichtung sind die Einrichtung zum alternativen Koppeln der Spannungsquelle mit der Elektrode und die Einrichtung zum Messen der Elektrodenspannung und des Elektrodenstroms integriert.
• Vorzugsweise wandelt ein Analog/Digital-Wandler die gemessene Elektrodenspannung und den gemessenen Elektrodenstrom für eine Berechnung und eine Speicherung der Probenkenngrößen in digitale Werte um.
• Die Elektrode kann vorteilhafterweise aus Antimon sein, wie beispielsweise aus monokristallinem Antimon mit nur einer Kristallebene in Kontakt mit der Flüssigkeit.
• Bei einer Weiterentwicklung der Einrichtung ist die Elektrode von einer für Kohlenstoffdioxid durchlässigen Membran umgeben und ist die Elektrode innerhalb der Membran von einem Puffer umgeben, der zur Lösung von Kohlenstoffdioxid darin zum Entwickeln von Kohlensäure fähig ist, damit der pH innerhalb der Membran reduziert wird, so dass die Einrichtung bzw. Ausrüstung den Kohlenstoffdioxidpegel außerhalb der Membran messen kann, um die Berechnung des pCO₂ und pO₂ außerhalb der Membran zu ermöglichen.
• Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• 1 zeigt schematisch eine Messvorrichtung für die Ausführung eines Messverfahrens gemäß der Erfindung.
• 2 zeigt die Spannung als Funktion des pH-Werts von einer Antimon-Elektrode für unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen.
• 3 zeigt die Spannung einer Antimon-Elektrode als Funktion der Temperatur.
• 4 zeigt den Strom als Funktion des Sauerstoffdrucks für unterschiedliche pH-Werte bei einer polarographischen Messung mit einer Antimon-Elektrode.
• 5 zeigt den Strom als Funktion der Temperatur bei einer polarographischen Messung.
• Der Messaufbau gemäß 1 ist gebildet durch eine Antimon-Elektrode 1, die mit einem Elektromessgeräte-Verstärker 2 mit hoher Impedanz gekoppelt ist, einen AD-Transformator bzw. -Wandler 3 und eine Vorrichtung zur Datensammlung und -analyse 4, die durch einen Personalcomputer gebildet sein kann. Der Elektromessgeräte-Verstärker ermöglicht eine Potentialmessung (Spannungsmessung) mit hoher Auflösung (0,01 mV) und eine polarographische Messung mit einem Aussetzen der Elektrode einer Spannung und einem Messen des Stromflusses durch die Elektrode. Die Messauflösung ist bei dieser Verbindung in der Größe von einem Nanoampere. Bei einer polarographischen Messung kann die Spannung zwischen +1 V und –1 V verändert werden. Dies wird mittels der anschließ baren Spannungsquelle 5 durchgeführt, an deren Anschluss der Elektromessgeräte-Verstärker 2 zur aktuellen Messung bzw. Strommessung rückgesetzt wird.
• Bei Tests, die gemäß der Erfindung ausgeführt sind, ist eine Elektrode aus äußerst veredeltem bzw. fein gemachtem monokristallinem kristallographisch orientierten Antimon mit einem Durchmesser von 1 mm verwendet worden, eingeschlossen in einer zylindrisch geformten Epoxy-Plastikhülle. Die Elektrodenoberfläche ist mit einer Membran aus Polytetrafluorethylen bedeckt und in einer Messkammer eingeschlossen, die in einem Wasserbad platziert ist, wobei die Temperatur mit guter Genauigkeit überwacht werden kann. Die Elektrode kann gegenüber unterschiedlichen Gasen durch ein System aus Schläuchen freigelegt werden, die sich zur Messkammer ausdehnen. Bei dem folgenden beschriebenen Test, der in dem Diagramm gemäß den 2–5 gezeigt ist, ist die Elektrode gegenüber fünf unterschiedlichen Mischungen von Gasen freigelegt worden, nämlich AGA, einem Spezialgas, das 0, 5, 10, 15 und 21% Sauerstoff und unterschiedliche Puffer (TRIS) 7,0; 7,2; 7,4; 7,6; 7,8; 8,0 enthält, während die Elektrode für eine Potentialmessung (2–3) oder eine polarographische Messung (4–5) eingestellt worden ist. Die Y-Achsen der Diagramme sind mit der Einheit Bit angegeben, die mit bekannten Skalierungsfaktoren in eine Spannung in V bzw. einen Strom in A umgerechnet werden kann.
• Bei einer Untersuchung der Potential-Messeigenschaften des Elektrodentyps sind Ergebnisse erhalten worden, die im Wesentlichen identisch zu früheren Untersuchungen der Elektrodencharakteristik von Antimon sind. Es ist somit aus 2 offensichtlich, dass die Sauerstoffempfindlichkeit eine nichtlineare Abhängigkeit mit hohen Empfindlichkeiten im Intervall 0–10 kPa hat. Es ist weiterhin aus 3 offensichtlich, dass die pH-Empfindlichkeit hoch und linear ist (58 mV/pH-Einheiten). Es ist weiterhin aus diesen Tests offensichtlich, dass die Temperaturabhängigkeit linear und dadurch kompensierbar ist, und dass die Reaktionszeit der Elektrode extrem kurz ist, und zwar in der Größe von Millisekunden.
• Beim Untersuchen der polarographischen Eigenschaften des Elektrodentyps, d.h. mit einer über der Elektrode angelegten DC-Spannung, wurde eine Studie der Strom-Spannungs-Kurven der Elektrode mit einem ähnlichen Muster wie demjenigen erhalten, das bei der klassischen Clark-Elektrode erhalten wird. Der Unterschied besteht im Spannungsplateau, das um 900 mV liegt, im Vergleich zu 700 mV für Platin. Da die Kurve ein plateauartiges Programm hat, ist bei diesem Aufbau zum Messen Antimon unter der Voraussetzung, dass die Spannung um 900 mV konstant gehalten wird, siehe 4, gut geeignet für Sauerstoffmessungen. Die Antimon-Elektrode zeigt bei dieser Spannung auch eine hohe Sauerstoffempfindlichkeit, die zu einem Sauerstoffdruck von 0,005 kPa umgerechnet ist. Die Empfindlichkeit ist innerhalb des getesteten Bereichs konstant, der auch von einem medizinischen Standpunkt aus interessant ist (siehe 5). Diese Elektrodenreaktion hat sich auch derart herausgestellt, dass sie nicht pH-empfindlich ist, was etwas ist, was den Berechnungsprozess stark vereinfacht. Die Temperaturabhängigkeit ist, wie es aus 6 offensichtlich ist, linear und kompensierbar, was gleich derjenigen von Clark-Elektroden ist. Die Reaktionszeit und die Stabilisierungszeit bei dem Umschalten eines Messmodes ist wahrscheinlich von der geschlossenen Umgebung der Messoberfläche abhängig. Zeiten bei einem Maximum von einigen wenigen Sekunden können akzeptierbar sein und sind möglicherweise erhaltbar.
• Ein System für das Messen von pO₂ und pH mit derselben Elektrode, gemäß derjenigen, die oben beschrieben worden ist, kann durch das folgende System von Gleichungen beschrieben werden, wobei U und I jeweils eine bei einer Potentialmessung gemessene Spannung und ein bei einer polarographischen Messung gemessener Strom sind, wobei T die Temperatur und A, B, C, D und E Konstanten sind: U = A(pH) + B(pO2) + C(T) I = D(pO2) + E(T)
• Durch Umschalten zwischen einem Potentialmessaufbau und einem Amperemessaufbau mit einer Elektrode von äußerst verfeinertem kristallographisch orientiertem Antimon kann die doppelte Empfindlichkeit des Elektrodentyps gemäß dieser Erfindung separiert werden. Die Elektrode kann dadurch für die Messung von pH sowie pO₂ oder für die Messung von pO₂ sowie pCO₂ bei derselben Messstelle verwendet werden. Im letzteren Fall ist die Elektrode auf eine Weise, die per se bekannt ist, durch eine Membran umgeben, die gegenüber Kohlenstoffdioxid durchlässig ist. Die Lösung innerhalb der Membran ist ein Puffer, der durch das Hinzufügen von Kohlenstoffdioxid aus der gemessenen Umgebung eine Reduzie rung bezüglich des pH-Werts haben wird, wenn sich das Kohlenstoffdioxid in der Flüssigkeit auflöst und Kohlenstoffsäure bildet. Die Reduzierung bezüglich des pH-Werts innerhalb der Membran wird aus den Potential- und Ampere-Messwerten berechnet, und da dies proportional zum Kohlenstoffdioxidpegel außerhalb der Membran ist, kann dies hierdurch gemessen werden.
• Die Erfindung soll nicht durch das beschränkt sein, was im beschriebenen Ausführungsbeispiel beschrieben ist, sondern nur durch den Wortlaut der Patentansprüche.
• Bei der polarographischen Messung wird vorzugsweise eine Spannung während der Messung in einem Bereich gewählt, in welchem die Strom-Spannungs-Kurve so eben wie möglich ist. Dies ist normalerweise ein Plateaubereich, der für eine Antimon-Elektrode etwa 900 mV ist und für eine Elektrode aus Platin 700 mV.
• Aus dem oben angegebenen Gleichungssystem ist es offensichtlich, dass die zwei gemessenen Werte, die bei einer polarographischen Messung und einer Potentialmessung erhalten werden, von pH und einem Sauerstoffpegel und der Temperatur abhängig sind. Diese Abhängigkeiten und die entsprechenden Funktionen können jeweils durch eine Reihe von Tests gebildet werden, wobei pH, ein Sauerstoffpegel und eine Temperatur bekannt sind und ein Strom bei einer polarographischen Messung und die Spannung bei einer Potentialmessung gemessen werden. Es ist dann möglich, Korrespondenztabellen für die Bestimmung eines Sauerstoffpegels und eines pH-Werts aus dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung zu bilden. Alternativ können entsprechende Berechnungsalgorithmen in einer Computereinrichtung bestimmt und implementiert werden.
• Da nur eine sehr einfache Elektrode aus billigem Material verwendet werden kann, kann diese von einem wegwerfbaren Typ und sehr klein sein, und zwar mit einem Minimum an Unannehmlichkeiten für den Patienten. Ebenso kann eine Elektrode für eine genaue Messung von Sauerstoff und von einem Kohlenstoffdioxidpegel sehr klein gemacht werden, da sie rotationssymmetrisch und mit wenigen und einfachen Komponenten hergestellt werden kann.
• Das erfundene Verfahren kann für Messungen nicht nur von Blut, sondern auch für die Messungen von anderen Körperflüssigkeiten in der Kehle, im Magen, etc. verwendet werden. Die Messung muss nicht notwendigerweise innerhalb des Körpers eines Patienten stattfinden, sondern kann auch in einer Vorrichtung für eine Dialyse, etc. stattfinden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung von zumindest zwei Kenngrößen einer flüssigen Probe durch Verwendung einer gemeinsamen Elektrode, umfassend den Schritt des Messens des Elektrodenpotentials, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrodenstrom mit einer bekannten, an die Elektrode angelegten Wechselstromspannung, gemessen wird und die Kenngrößen von dem gemessenen Elektrodenpotential und Strom entsprechend einer festgesetzten Beziehung zwischen den Kenngrößen und dem Elektrodenpotential und dem Strom berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Elektrode aus Antimon gefertigt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Elektrode aus monokristallinem Antimon gefertigt ist und nur eine Kristallfläche mit der flüssigen Probe in Berührung kommt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kenngrößen pO2 und pH sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bekannte Wechselstromspannung innerhalb eines Plateaubereichs der Strom-Spannungskurve der Elektrode liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bekannte Wechselstromspannung 0.9 V ist.
7. Ausrüstung für die Messung und Bewertung von zumindest zwei Kenngrößen einer flüssigen Probe, umfassend eine gemeinsame Elektrode und Mittel zum Messen des Elektrodenpotentials, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfasst eine Wechselstromspannungsquelle, Mittel zum Verbinden der Wechselstromspannungsquelle mit der Elektrode, Mittel zum Messen eines Elektrodenstroms, Mittel zum ersatzweisen Verbinden der Mittel zum Messen des Elektrodenpotentials und des Stroms zum ersatzweisen Messen des Elektrodenpotentials und des Stroms, und Mittel. zum Berechnen der Kenngrößen von dem Elektrodenpotential und dem Strom.
8. Ausrüstung nach Anspruch 7, wobei die Mittel zum ersatzweisen Verbinden der Spannungsquelle mit der Elektrode und die Mittel zum Messen des Elektrodenpotentials und des Stroms integriert sind.
9. Ausrüstung nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein analog-in-digital Umwandler für das Umwandeln des gemessenen Elektrodenpotentials und des Stroms zu digitalen Werten für die Berechnung und Speicherung der Probenkenngrößen vorgesehen ist.
10. Ausrüstung nach einem der Ansprüche 7–9, wobei die Elektrode aus Antimon gefertigt ist.
11. Ausrüstung nach einem der Ansprüche 7–10, wobei die Elektrode von einer für Kohlendioxid durchlässigen Membran umgeben ist, und die Elektrode innerhalb der Membran von einem Puffer umgeben ist, der zur Lösung von Kohlendioxid darin zum Entwickeln von Kohlensäure fähig ist, damit der pH innerhalb der Membran reduziert wird, so dass die Ausrüstung den Kohlendioxidspiegel außerhalb der Membran messen kann, um die Berechnung des pCO₂ und pO₂ außerhalb der Membran zu ermöglichen.