DE849613C

DE849613C - Method and device for measuring the oxygen pressure in the blood

Info

Publication number: DE849613C
Application number: DEB13068A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Med Bartels; Detlef Laue
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-12-20
Filing date: 1950-12-20
Publication date: 1952-09-15

Description

Verfahren und Einrichtung zum Messen des Sauerstoffdruckes im Blut Die Bestimmung der Konzentration des physikalisch frei gelösten Sauerstoffs (PO2) wurde bisher in den meisten Elektrolyten mit der Quecksilbertropfelektrode nach dem polarometrischen Verfahren durchgeführt. Es wurde auch versucht, diese Bestimmung im Blut durchzuführen, wo jedoch der chemiscll locker an das Hämoglobin gebundene Sauerstoff und wahrscheinlich auch Enzyme den Elektrodenvorgang stören. Die Versuche blieben deshalb erfolglos. Dieselbe Schwierigkeit wurde auch an der Platinelektrode beobachtet. Da die Reduktion des Sauerstoffs an der Elektrodenoberfläche für diesen cin Vakuum erzeugt, gibt das Oxyhämoglobin Sauerstoff ab, so daß außer dem physikalisch gelösten Sauerstoff noch der vom Oxyhämoglobin entbundene hinzukommt. Dadurch werden die durch die Sauerstoffreduktion hervorgerufenen Ströme, die eiii Slal.S für pO2 sein sollten, zu groß.Method and device for measuring the oxygen pressure in the blood the Determination of the concentration of physically free dissolved oxygen (PO2) was made so far in most electrolytes with the mercury drop electrode according to the polarometric Procedure carried out. Attempts have also been made to carry out this determination in the blood, where, however, the chemiscll loosely bound to the hemoglobin oxygen and probably enzymes also interfere with the electrode process. The attempts were therefore unsuccessful. The same problem was also observed with the platinum electrode. Because the reduction of the oxygen created at the electrode surface for this cin vacuum Oxyhemoglobin removes oxygen, so that in addition to the physically dissolved oxygen nor is that released from oxyhemoglobin. This will be the result of the oxygen reduction evoked currents, which should be eiii Slal.S for pO2, too large.

Die Erfindung verzichtet daher auf die Anwendung eines polarometrischen Verfahrens zur Bestimmung von pO2 im Blut oder anderen Flüssigkeiten mit ähnlicher Charakteristik. The invention therefore dispenses with the use of a polarometric one Method for the determination of pO2 in blood or other fluids with similar Characteristic.

Erfindungsgemäß wird in der Weise verfahren, daß das elektrische Potential einer im Blut od. dgl. eintauchenden Tropfelektrode statisch gemessen wird. Das gemessene Potential ist dann proportional dem Logarithmus von pO2 im Blut. Dieses berechnet sich aus der bekannten Gleichung der Stromspannungskurve wobei i den Strom in ,uA, k die Kapillarkonstante, D den Diffusionskoeffizienten für Sauerstoff, E die angelegte Spannung, e das Abscheidungspotential für Sauerstoff, n die elektrochemisde Wertigkeit (für Sauerstoff = 2), F die Faradaykonstante, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur bedeuten. Wenn man diese Gleichung nach E auflöst, dann ergibt sich (für ein E, das positiver ist als #, wobei + I vernachlässigt werden kann) folgende Beziehung: Das Verfahren nach der Erfindung ist, sogar weit über die physiologische Schwankungsbreite hinaus, unabhängig vom Kohlensäuredruck und vom Hämoglobingehalt.According to the invention, the procedure is such that the electrical potential of a drip electrode immersed in blood or the like is measured statically. The measured potential is then proportional to the logarithm of pO2 in the blood. This is calculated from the well-known equation for the current-voltage curve where i is the current in, uA, k is the capillary constant, D is the diffusion coefficient for oxygen, E is the applied voltage, e is the deposition potential for oxygen, n is the electrochemical valence (for oxygen = 2), F is the Faraday constant, R is the gas constant and T is mean absolute temperature. Solving this equation for E results in the following relationship (for an E that is more positive than #, where + I can be neglected): The method according to the invention is independent of the carbonic acid pressure and the hemoglobin content, even far beyond the physiological fluctuation range.

Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens wird i durch Kompensation konstant klein gehalten, wodurch E nur noch von pO2 abhängig ist. According to a special embodiment of the inventive concept, i kept constant small by compensation, which means that E is only dependent on pO2 is.

In den Figuren sind einige Ausführungsformen und Einrichtungen zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. Die Fig. I und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel des apparativen Aufbaus. In Fig. 3 bis 8 sind einige elektrische Schaltungen für die Potentialmessung mittels eines Röhrenvoltmeters oder nach dem Kompensationsverfahren beispielsweise wiedergegeben. In the figures are some embodiments and devices for Exercise of the method according to the invention shown for example. The fig. I and 2 show an embodiment of the apparatus structure. In Figs. 3 to 8 are some electrical circuits for potential measurement using a tube voltmeter or reproduced according to the compensation method, for example.

Nach den Schaltungen Fig. 3 bis 7 kann die Kompensationsspannung sowohl von Hand als auch automatisch eingestellt werden. Die Automatik wird bei den nach dem Kompensationsverfahren arbeitenden Geräten von dem im Meßkreis fließenden Ausgleichsstrom gesteuert. In Fig. 8 wird das Potential der Tropfelektrode durch ein Röhrenvoltmeter direkt gemessen.After the circuits Fig. 3 to 7, the compensation voltage can both can be set manually as well as automatically. The automatic is with the after devices working with the compensation process from the compensating current flowing in the measuring circuit controlled. In Fig. 8, the potential of the dropping electrode is measured by a tube voltmeter measured directly.

Fig. I stellt einen Holzaufbau dar, der zur Aufnahme des Thermostaten I und dessen elektrischer Schaltung sowie des Quecksilbervorratsgefäßes 2 mit Kapillare 3 dient. Auf der Grundplatte 4 sind mit nach vorn offenem, hufeisenförmigem Grundriß drei Bretter 5, 6 und 7 senkrecht aufgeschraubt. Die Seitenbretter 5 und 7 tragen an den beiden vorderen gegenüberliegenden Kanten Schienen 8 und 9. Fig. I shows a wooden structure to accommodate the thermostat I and its electrical circuit as well as the mercury storage vessel 2 with capillary 3 serves. On the base plate 4 are with a forward open, horseshoe-shaped plan three boards 5, 6 and 7 screwed on vertically. Carry the side boards 5 and 7 rails 8 and 9 on the two front opposite edges.

In diesen Schienen läuft ein Brett 10, in dessen seitlichen Schnittfiächen II und I2 je zwei Rollen 3 und I4 eingelassen sind. Dadurch ist das Laufbrett an der Stirnseite der Apparatur in der Senkrechten verschiebbar. Zum Auf- und Abführen ist auf der linken Laufbrettseite ein Handgriff 15 angebracht, der oben einen Knopf I6 trägt. Mit diesem Knopf wird die federnde Nase I7 zurückgedrückt, und dasLaufbrett wird aus seiner höchsten Lage, da die Nase 18 nun I7 passieren kann, nach unten geführt. In dieser Lage ruht der in seiner Höhe verstellbare Anschlag 19 auf 17. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß man das Laufbrett mit einer Hand bedienen kann und dem Laufbrett nur dann freier Lauf gegeben wird, wenn man den Handgriff faßt.A board 10 runs in these rails, in its lateral cut surfaces II and I2 two roles 3 and I4 are embedded. This means that the running board is on the front of the apparatus can be moved vertically. For leading up and down a handle 15 is attached to the left side of the running board, with a button at the top I6 wears. With this button the resilient nose I7 is pushed back, and the running board is from its highest position, since the nose 18 can now pass I7, downwards guided. In this position, the height-adjustable stop 19 rests on 17. This arrangement has the advantage that the running board can be operated with one hand and the running board is only given free run if you grasp the handle.

Das- Quecksilbervorratsgefäß 2 hat an seinem oberen Ende eine Ausweitung 20 zum Einfüllen des Analysenquecksilbers. An seinem unteren Ende befindet sieh ein Schliffkern 21 zum Aufsetzen der Kapillare 3 mit angeschmolzener Schliffhülse 22. The mercury storage vessel 2 has an expansion at its upper end 20 for filling in the analytical mercury. See at its lower end a ground joint core 21 for placing the capillary 3 with a fused ground sleeve 22nd

Kurz über dem Schliffkern befindet sich ein seitlicher Ansatz 23, der mit dem Innern des Vorratsgefäßes 2 durch einen eingeschmolzenen Platinkontakt 24 in Verbindung steht. 24 wird an den negativen Pol der Meßeinrichtung angeschlossen.Shortly above the ground joint there is a lateral approach 23, with the interior of the storage vessel 2 by a melted platinum contact 24 communicates. 24 is connected to the negative pole of the measuring device.

Ober dem Ansatz 23 ist ein Einweghahn 25 eingeschinolzen, um Tropfen der Kapillare 3 abstellen zu können. Etwas höher hat das Rohr eine kleine Offnung 26. Kurz unter dieser Öffnung setzt ein schalenförmiges Gefäß 27 an. Um das Ganze ist ein kugelförmiges Gefäß 28 geschmolzen. das seitlich eiiien Ansatz mit Olive 29 trägt. Auf diesen ist ein Schlauch 30 aufgesetzt, der zur Niveaubirne 31 führt. Füllt man doppelt destilliertes Quecksilber in 20, so tritt es durch 26 in 27 ein. Es wird nur soviel Quecksilber eingefüllt, daß es nicht in 28 übertritt. Durch 31 füllt man weniger sorgfältig gereinigtes Quecksilber. Durch Heben von 31 wird der Druck in dem System gesteigert und das Quecksill>er in 27 steigt durch 26 in dem Rohr hoch. Durch Änderung der Höhe von 31 kann die Höhe der Quecksilbersäule über ein l uftpolster in dem Rohr variiert werden, ohne daß Analysenquecksilber lili Giiinnii in Berührung kommt.A one-way tap 25 is screwed in above the extension 23 in order to remove drops the capillary 3 to be able to turn off. The pipe has a small opening a little higher 26. A bowl-shaped vessel 27 attaches just below this opening. To the whole a spherical vessel 28 is melted. the lateral attachment with an olive 29 wears. A hose 30, which leads to the level indicator 31, is placed on this. If double-distilled mercury is poured into 20, it enters 27 through 26. Only so much mercury is poured in that it does not overflow into 28. By 31 one refills less carefully purified mercury. By lifting 31 the Pressure in the system increases and the mercury> er in 27 rises through 26 in up the pipe. By changing the height from 31 you can reduce the height of the mercury can be varied by means of an air cushion in the tube without the analysis of mercury lili Giiinnii comes into contact.

])as Quecksilbervorratsgefäß ist an zwei Stellen befestigt. 22 ruht in einer runden Ebonitfassung 32, diese ist in einen Teil 33 eingelassen, der mit 10 fest verbunden ist. Die obere Befestigung besteht aus zwei Winkeln 34 und 35, auf deren freien Schenkeln Ebonitteile 36 und 37 liefestigt sind, die sich uni das Glasrohr von 2 schließen. 35 kann gegen das Glasrohr bewegt werden, wodurch eine feste Halterillig von 2 gewährleistet wird. ]) The mercury storage vessel is attached in two places. 22 rests in a round ebonite mount 32, this is embedded in a part 33, which with 10 is firmly connected. The upper attachment consists of two angles 34 and 35, on the free legs of which ebonite parts 36 and 37 are fastened, which uni the Close the glass tube of 2. 35 can be moved against the glass tube, whereby a Fixed holding right of 2 is guaranteed.

Die Kapillare 3 taucht in den im 38 (Fig. 2) des Analysengefäßes 39, in dem sich das Blut befindet. The capillary 3 is immersed in the im 38 (Fig. 2) of the analysis vessel 39, in which the blood is located.

Das abtropfende Quecksilber sammelt sich in dem Raum 40. Die Ableitung geschieht in an sich bekallllter Weise über einen Agarheber 41 aus dem Seitenarm 42 über ein Zwischcngcfäß 43 zu einer Kalomelelektrode 44, deren Anschluß 45 zum positiven Teil der Meßeinrichtung führt.The dripping mercury collects in space 40. The discharge happens in a manner known per se via an agar siphon 41 from the side arm 42 via an intermediate vessel 43 to a calomel electrode 44, the connection 45 of which to the positive part of the measuring device leads.

Die in Fig.3 gezeigte Schaltung erlaubt es, durch wahlweise Betätigung der Schalter 46 und 47, die Kompensationsspannung an die Tropfelektrode allzulegen und mit dem @ Galvanometer die angelegte Spannung zu messen. Die Kompensationsspannung setzt sich zusammen aus den Spannungen, die an dem Potentiometer 49 und den Widerständen 50, 51 und 52 stufenweise abgegriffen werden. Für einen konstanten Strom aus der Spannungsquelle 53 sorgen die Widerstände 54 bis 56. The circuit shown in Figure 3 allows you to selectively operate the switches 46 and 47 apply the compensation voltage to the dropping electrode and measure the applied voltage with the @ galvanometer. The compensation voltage is made up of the voltages applied to the potentiometer 49 and the resistors 50, 51 and 52 are tapped in stages. For a constant current from the Voltage source 53 is provided by resistors 54 to 56.

Fig. 4 zeigt eine automatische Anordnung, wie sie für fortlaufende Registrierung verwendet werden kann. Die Kompensationsspannung entsteht am Kondensator 57, zu der durch ein Scihrittwerk 58 feste Spannungsstufen aus der Spannungsquelle 59 addiert werden können. Die Steuerung der Spannung an 57 übernimmt das Galvanometer 60, das vom Ausgleichsstrom gesteuert wird. Der abgelenkte Strahl trifft die Fotozellen 61 oder 62. Wird beispielsweise 62 erregt, so entsteht an dem Widerstand 63 eine Spannung, die eine Röhre 64 öffnet. Fig. 4 shows an automatic arrangement as used for continuous Registration can be used. The compensation voltage is created on the capacitor 57, to which fixed voltage levels from the voltage source by a step mechanism 58 59 can be added. The galvanometer controls the voltage at 57 60, which is controlled by the compensation current. The deflected beam hits the photocells 61 or 62. If 62 is excited, for example, a resistor 63 is produced Voltage that opens a tube 64.

Dadurch wird 57 geladen. Im anderen Fall wird iiber 61 das Relais 65 erregt und über seinen Kon- takt 66 wird 57 über einen Widerstand 67 entladen. Ist 57 auf eine Grundspannung aufgeladen, so wird seine Ladung über ein Stromtor 68 dadurch ausgeglichen, daß das Relais 69 den Kontakt 70 schließt. Gleichzeitig wird 58 über das Relais 71 weiter geschaltet. Die Kompensationsspannung zwischen den Punkten 72 und 73 wird mittels Spiegelgalvanometer 74 auf dem Film 75 registriert.This will load 57. Otherwise, 61 becomes the relay 65 excited and over his con- clock 66 becomes 57 via a resistor 67 unloaded. If 57 is charged to a basic voltage, its charge is over a current gate 68 compensated by the fact that the relay 69 closes the contact 70. At the same time, 58 is switched on via relay 71. The compensation voltage between points 72 and 73, a mirror galvanometer 74 is used on the film 75 registered.

Fig. 5 zeigt eine automatische Anordnung, bei der die Kompensationsspannung am Widerstand 76 entsteht, der im Stromkreis einer Röhre 77 liegt. Fig. 5 shows an automatic arrangement in which the compensation voltage occurs at resistor 76, which is in the circuit of a tube 77.

Die Steuerung von 77 geschieht durch den Kondensator 78. 78 wird über das Relais 79 in Stellung 80 geladen oder in Stellung 8t entladen. Der Emissionsstrom der Röhre ist ein Maß für die an 76 entstehende Kompensationsspannung, die an dem Galvanometer 82 angezeigt wird.The control of 77 is done by the capacitor 78. 78 is over the relay 79 charged in position 80 or discharged in position 8t. The emission current of the tube is a measure of the compensation voltage generated at 76, which is applied to the Galvanometer 82 is displayed.

Fig. 6 und 7 stellen Modifikationen der Schaltung nach Fig. 5 dar. An Stelle von 79 tritt in Fig. 6 das Widerstandspaar 83 und 84. Bei positivem Ausglcichsstrom wird die Röhre 85 über die Röhren 86 und 87 erregt. Bei negativem Ausgleichsstrom wird die Röhre 88 in analoger Weise erregt. Der Kondensator8g (cntsl)richt 78) wird einer 85 aufgeladen und über 8X entladen und steuert in an sich bekannter Weise die Röhre 90, die 77 entspricht. FIGS. 6 and 7 illustrate modifications of the circuit of FIG. The pair of resistors 83 and 84 appear in place of 79 in FIG. 6. With a positive compensation current tube 85 is energized through tubes 86 and 87. With negative equalizing current the tube 88 is energized in an analogous manner. The capacitor 8g (cntsl) straighten 78) is an 85 charged and discharged over 8X and controls in a manner known per se the tube 90, which corresponds to 77.

In Fig.7 wird die Permeabilität des Kerns 91, der huber den Spulenkreis 92 vormagnetisiert ist, durch den Ausgleichsstrom nach der positiven oder negativen Seite verändert. Der Schwingkreis 93, 94 ändert infolgedessen um eine Grundfrequenz seine Schwingungszahl. Der Kondensator 95 und die Seibstinduktion 96 sind auf die Grundfrequenz abgestimmt. Dadurch entstehen an den Gittern der Röhre 97 gleich große Spannungen. Ändert sich die Frequenz so entsteht jeweils an den Gittern 98 oder 99 die.gröere Spannung und das Relais IOO (entspricht 79) arbeitet in bekannter Weise. In Fig.7 the permeability of the core 91, which hovers the coil circuit 92 is biased by the equalizing current after the positive or negative Page changed. As a result, the oscillating circuit 93, 94 changes by a fundamental frequency its number of vibrations. The capacitor 95 and the self induction 96 are on the Base frequency matched. This creates the same size at the grids of the tube 97 Tensions. If the frequency changes, the result is in each case at the grids 98 or 99 the larger voltage and the relay IOO (corresponds to 79) works in a known manner Way.

Fig. 8 zeigt die Steuerung des Blutdurchstromes durch die Analysenzelle lot. Das Potential der Tropfelektrode wird mit einem Röhrenvoltmeter 107 gemessen und über das Galvanometer IO2 auf dem Film Io3 registriert. Die Messung erfolgt bei geschlossenen Ventilen IOA und IO5, die Eisenkerne tragen. Die Steuerungsspannung liefert ein Impulsgenerator Io6, der in bekannter Weise arbeitet. 8 shows the control of the blood flow through the analysis cell lot. The potential of the dropping electrode is measured with a 107 tube voltmeter and registered on the film Io3 via the galvanometer IO2. The measurement takes place with closed valves IOA and IO5, which have iron cores. The control voltage provides a pulse generator Io6 which works in a known manner.

Die Thermostatenheizung in Fig. I besteht aus zwei Kohlestiften 108 und IO9, an die der Wechselstrom des Netzes über ein Relais angelegt ist. Geringer Salzgehalt des Wasserbades bewirkt die Erwärmung durch die Joulesche Wärme. Der Vorteil ist, daß die Kohle praktisch keine Wärmeeigenkapazität liesitzt und daher trägheitslos heizt, und große Temperaturkonstanz selbst in sehr kleinen Thermostaten erzielt werden kann. Für die fortlaufende Messung ist nicht einmal eine Rührung erforderlich, da die Wärmekonvektion in dem etwa 50 ccm fassenden Thermostaten zur Durchmischung ausreicht. The thermostat heater in FIG. 1 consists of two carbon pins 108 and IO9, to which the alternating current of the network is applied through a relay. Less The salt content of the water bath causes the Joule heat to warm it up. Of the The advantage is that the coal has practically no heat capacity of its own and therefore Heating without inertia and great temperature constancy even in very small thermostats can be achieved. There is not even any emotion for the continuous measurement required because the heat convection in the approximately 50 ccm thermostat for Mixing is sufficient.

PATENTANSPROCHE: I. Verfahren zum Messen des Sauerstoffdruckes im Blut, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Potential einer in Blut eintauchenden Quecksilbertropfelektrode statisch gemessen wird und als logarithmisches Maß des physikalisch frei gelösten Sauerstoffes (pO2) dient. PATENT CLAIM: I. Method for measuring the oxygen pressure in the Blood, characterized in that the electrical potential of a blood immersed Mercury drop electrode is measured statically and as a logarithmic measure of the physically free dissolved oxygen (pO2) is used.

Claims

2. Device for performing the method according to claim I, characterized characterized in that a measuring cell is placed parallel to the animal blood circulation is and means are provided that the blood flow for measuring pO2 in the analysis cell interrupt periodically.

3. Device according to claim 2, characterized in that the period the interruption is limited to the duration of a measurement.

4. Device for performing the method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the dropping electrode with a fixed storage container is provided, which is via an air cushion with a movable second storage container communicates, wherein the air cushion is arranged such that it the analytical mercury separates from the mercury in the hose parts.

5. Device for performing the method according to claim I or 4, characterized in that the drop electrode arrangement in a vertical Guide is movably arranged.

6. Device for performing the method according to claim I or one the following, characterized in that the potential of the drop electrode with measured with a tube voltmeter.

7. Device for performing the method according to claim I or 2 to 5, characterized in that one for measuring the drop electrode potential Compensation arrangement is provided.

8. Device according to claim 7, characterized in that for measuring of the potential and for calibrating the compensation voltage source and for measuring the Zero current a measuring instrument is provided, which in the way in the three circuits it can be switched on that it is used to measure the calibration voltage and compensation voltage Voltmeter and is connected as an ammeter for measuring the zero current.

9. Device according to claim 7, characterized in that the electrode circuit Control means are provided which automatically regulate the compensation voltage cause.

IO. Device according to claim 9, characterized in that the Means for the automatic regulation of the compensation voltage from two alternately by a galvanometer beam imposed photocell arrangements exist which change the compensation voltage in opposite directions.

11. The device according to claim 9, characterized in that the Taps for the compensation voltage form the ends of a resistor, the in a by means of a relay arrangement voltage (pipe relay arrangement if necessary) changeable circuit, preferably tube circuit, is in the simultaneously a measuring instrument lies.

I2. Device according to claim 6, characterized in that for Amplification of the drip electrode pulses AC amplifiers are provided.

13. Device according to claim 9, characterized in that the Drop electrode voltage pulses change the permeability of a transformer and thereby influence an oscillating circuit, the different frequencies of which have a Control tube relay assembly.

14. Device according to claim I3, characterized in that before the tube relay arrangement is a series circuit of a capacitor and a self-induction which is matched to the fundamental frequency of the oscillating circuit and whose Connection point is at the cathode of a double tube, while the two are free Ends are connected to the grids of the double tube.

15. Device for performing the method according to claim I, characterized characterized in that two AC-fed carbon pins in electrolyte-containing Ensure that the thermostat water has a high temperature constancy without stirring.