DK152397B - Apparat til optisk maaling af blodgasser - Google Patents

Description

Opfindelsen angår et apparat til optisk måling af koncentrationer af blodbestanddele bestående af et hus med mindst in monochromator og en lysmåleindretning samt af mindst in indikator, som reagerer med en farveændring ved en ændring af koncentrationerne, og som gennemskinnes af monochromatorlyset og er væsketaet indforseglet i et indikatorrum ved hjælp af en selektivt permeabel og lysgennemtrængelig membran·

Det er kendt ved apparater af denne art at indlægge prøvekyvetter, i hvilke en fluorescerende indikator står i forbindelse med det stof, hvis koncentration skal måles. Det monochromatiske excitationslys belyser indikatoren, og de ved koncentrationsændringer opstående intensitetsændringer af fluorescenslyset måles med lysmåleindretningen. Fluorescerende indikatorer foretrækkes, fordi det er forholdsvis enkelt at eliminere excitationsstrålingen foran lysmåleindretningen ved hjælp af filtre og kun at måle fluorescensstrålingen, så at der muliggøres et godt signal/støjforhold.

Sådanne apparater er ikke anvendelige til måling af blodbestanddele, navnlig af blodgasser, fordi f.eks. blodets æggehvidestof og indikatorerne indvirker forstyrrende på hinanden.

De i teknikken endvidere kendte målemetoder med anvendelse af e-lektroder har ligeledes forskellige ulemper. Således må polarisationselektroderne vad pC^-målinger være katalytisk rene, hvilket kræver en sagkyndig pasning; koncentrationsfordelinger kan kun fastslås punktvis? skal man med sådanne elektroder måle pC^ transcutant, altså gennem huden, er der kun meget ringe gasraængder til disposition for målingen, og målingen påvirkes stærkt af elektrodernes egenforbrug; det høje egenforbrug forhindrer også anvendelsen af elektroder med stort areal og dermed den måletekniske dannelse af middelværdier.

pOg-målingen ifølge Stow og Randall med glaselektroder kræver måletider på over 30 sekunder, hvilket er alt for langt ved mange måleproblemer, og den er på grund af den nødvendige referenceelektrode lidet driftssikker.

Ved apparater ifølge GB-patentskrift 1.190.583 er der anbragt fluorescerende substanser på en bærefolie, som bringes i forbindelse med et gasformigt måleobjekt. Apparatet kan ikke anvendes til måling af fx. koncentrationsfordelinger og substansfordelinger på faste overflader.

Fra US-patentskrift 3.754.867 kendes et apparat, som arbejder med en absorptionsindikator, hvorfor der kun kan arbejdes med én indikator ad gangen, idet absorbtionsindikatorerne enten (ved seriekobling) fjerner strålingen, eller det er (ved parallelkobling) ikke til at skelne, hvorfra den målte energi kommer.

årsagen hertil er det brede spektrum for absorption ved absorptionsindikatorer, og at der ved absorptionen kun står én bølgelængde pr. indikator til rådighed for målelyset og det til undersøgelsen bestemte lys.

US-patentskrift 3.612.866 viser et apparat til måling af oxygenkoncentrationen i strømmende medier. Heller ikke dette apparat er egnet til måling af koncentrationsfordelinger. Det har ingen lukkede indikatorrum, som er fyldt med flydende eller opløste indikatorer.

Der består således den opgave at tilvejebringe et pasningsfrit, alsidigt anvendeligt, robust og hurtigt måleapparat, som på enkel måde tillader måling af blodbestanddele, og som ikke virker tilbage på måleobjektet.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at der anvendes flere fluorescensindikatorer, som hver måler sin til måling bestemte blodbe-standdel, og som kan måles med tilhørende lysraåleindretninger.

Fordelen ved opfindelsen består i, at indikatoren, som befinder sig i det som "f luorescens indikator indretning" betegnede, flade og afgrænsede indikatorrum, hurtigt sætter sig i ligevægt selv med meget ringe mængder af de til måling bestemte blodbestanddele, navnlig hvis indikatorrummet er udformet som et nogle få ym tyndt lag; at man med fluorescensindikatorindretninger med stort areal måleteknisk kan bestemme middelværdier, at man med fluorescensindikatorindretninger med stort areal, som er fint opdelt til eliminering af tværdiffusion, kan måle koncentrationsfordelinger af blodbestanddele, og at måleapparatet er pasningsfrit, robust og hurtigt indikerende.

Ifølge en udførelsesform for opfindelsen er hver fluorescensindikator anbragt: L sit eget indikator rum.

Derved opnås den fordel, at man kan indsætte forskellige efter måleobjektet eller målegassen afpassede fluorescensindikatorindretninger alt efter behov i samme optiske måleindretning.

Hvis der skal opnås en særlig høj monochroraati, og altså anvendes ringe spaltebredder/ kan monochromatorens stråling hensigtsmæssigt in-tensitetsmoduleres ved hjælp af modulatorer/ således at man kan anvende den kendte veksallysmetode med den dertil disponible stabile og støjfattige forstærkerelektronik, fx. med fasefølsom ensretning. Der kan også benyttes flere bølgelængder samtidig under anvendelse af samme modtager og samme forstærkerelektronik, hvis de forskellige bølgelængder er moduleret med forskellige veksellysfrekvenser.

Ved optisk adskillelse af forskellige bølgelængder anvendes med fordel flere ved siden af hinanden liggende delfluorescensindikatorindretninger, som hver indeholder en efter den til måling bestemte blodbe-standdel afpasset indikator, og som under bestråling fra de tilhørende monochromatorer måles med de tilhørende lysmåleindretninger.

Fx. kan et første indikatorram være forsynet med en fluorescensindikator for oxygen og et andet indikatorrum med en fluorescensindikator for CC>2· Denne udformning er særlig godt anvendelig, hvis p02 og pC02 skal måles transcutant, altså gennem den gennem huden udtrædende diffusionsstrøm af blodgasser.

Det er også muligt at anvende en lysstråle, som indeholder mindst fem monochromatiske komponenter, og som gennemstråler indikatorrummet, idet det udtrædende fluorescens lys er måleligt ved hjælp af mindst fem monochromatiske lysmåleindretninger, hvorhos målesignalerne tilføres til en indretning til udførelse af den i og for sig kendte flerkompo-nentanalyse.

Endvidere er det fordelagtigt, at fluorescensindikatorerne er indlejret i et polariseret gennerastrålet, dichroitisk lag, som dichroitisk absorberer den reflekterede excitationsstråling, og som er gennemtrænge li g for emissionsstrålingen.

I en videre udformning af opfindelsen er det fordelagtigt, at den for den til måling bestemte blodbestanddel, selektivt genneratrængelige membran er spejlbelagt på den mod indikatorrummet vendende side, idet excitattonsstrålingen, fx. ved ringe spaltebredde, kun har ringe energi og derfor skal gennemstråle indikatorlaget to gange.

Ved tilstrækkelig energi af excitationsstrålingen kan den for den til måling bestemte blodbestanddel selektivt gennemtrængelige membran være sortfarvet på den mod indikatorrummet vendende side# fordi excita-tionsstrålingen er absorberet allerede efter en enkelt gennerastråling# hvorved spredningslysandelen kan holdes på en lav værdi.

Anvendelsen af en fluorescensindikatorindretning med stort areal, som til undgåelse af tværdiffusion er fint opdelt# tillader også bestemmelsen af koncentrationsfordelinger# hvis fluorescensindikatorind-retningen udfylder objektrammet i et afbildende optisk system# fordi den fra vævet udtrædende blodgas indikeres af den i ringe afstand fra vævet anbragte fluorescensindikatorindretning i den mængde# i hvilket den træder diffunderende ud fra vævet.

En videre udvikling af opfindelsen anvender bærerpartikler# som mindst indeholder to indforseglede fluorescensindikatorer# og som sammen med det til måling bestemte stof og et bærerraedium gennemstrømmer et af monochromatisk lys gennemstrålet gennemstrømningskammer.

Ved·et sådant system kan der tilvejebringes et meget hurtigt reagerende, tilbagevirkningsfrit målesystem# fordi bærerpartiklernes relative overflade er meget stor.

I en særlig udførelsesform for opfindelsen er indikatorrummet eller indikatorrummene anbragt på en lysleder og dækker dennes mod objektet vendende ende optisk.

Til blodgasanalyse kan man som indikator hensigtsmæssigt anvende β-methylumbelliferon til bestemmelse af pH-værdien# ud fra hvilken pC02“værdien kan bestemmes nomografisk# eller der anvendes pyrensmørsy-re til bestemmelse af ρθ2·

Opfindelsen er nærmere forklaret i det følgende under henvisning til tegningen# på hvilken:

Pig. 1 viser et apparat ifølge opfindelsen til måling i et gennemstrømningskammer ,

Fig. 2 et apparat til bestemmelsen af koncentrationsfordelinger#

Fig. 3 et yderligere apparat til bestemmelsen af koncentrationsfordelinger#

Fig. 4 enden af en lysleder#

Fig. 5 et apparat til anvendelse af flerkomponentanalyse og

Fig, 6 en ‘af delflader bestående fluorescensindikato.rindret- ning.

I f ig. 1 træder lyset fra en lyskilde 230 ‘ gennem et dispersionselement 231. Herunder opdeles det i sine spektrale bestanddele og afbildes gennem et optisk element 232 på en udtrædningsspalte 233. Ved drejning af en skrue 234 drejes hele indretningen, som udgør en monochroma-tor 2, så at den ønskede bølgelængde afbildes på spalten 233. En modu-lator 4 modulerer det fra udgangsspalten 233 udtrædende lysbundt 20, som falder på en gennemstrålelig flade 60 på et gennemstrømningskammer 6, på hvis indadvendende side er dannet et indikatorrum 100 ved hjælp af en på den gennemstrålelige flade 60 væsketæt pålagt og for den til måling bestemte blodbestanddel selektivt gennemtrængelig membran 105. Den af membranen 105, det med indikatoren fyldte indikatorrum 100 og den gennemstrålelige flade 60 dannede enhed 1 betegnes som "fluore-scensindikatorindretning".

Når lyset 20 rammer indikatoren i indikatorrummet 100, begynder indikatoren at fluorescere, og det dannede fluorescenslys 22 bliver afbildet efter filtrering ved hjælp af et filter 221, som tilbageholder det reflekterede strålebundt af excitationslys, via et optisk element 222 på et fotoelement 223 og efter forstærkning i en forstærker 3 tilført et viserInstrument 31. Herunder kan anvendes den kendte fasefølsomme ensretning.

Når nu koncentrationen af den til måling bestemte blodbestanddel ændres i gennemstrømningskammert 6, fortsættes denne ændring gennem den for denne blodbestanddel selektivt gennemstrømmelige folie 105 ind i indikatorrummet 100, og dermed ændres fluorescensstrålingen 22's styrke, hvis indikatoren er således valgt, at styrketi af fluorescensstrålingen ved konstant excitationsstråling ændrer sig med koncentrationen af den til måling bestemte blodbestanddel. Dermed opnås et til koncentrationen svarende målesignal på viserinstrumentet 31.

Hvis der samtidig skal anvendes flere monochromatiske excitations-strålinger, kan der være anbragt flere modulatorer med forskellige modulationsfrekvenser i strålegangen, så at hver excitationsbølgelængde svarer til en modulatorfrekvens. Enkeltkomponenterne kan efter tilstrækkelig forstærkning atter skilles elektrisk og indikeres.

I tilfælde, hvor en temperaturpåvirkning af måleobjektet er nød- vendig/ kan målematerialet opvarmes eller afkøles ved hjælp af en kendt indretning 1000. Hvis man måler den til temperaturændring af et perfunderet væv, fx. af huden, nødvendige varmeeffekt, kan man på kendt måde der ud fra også bestemme perfusionsraten.

En intensitetsforøgelse af excitationsstrålingen kan opnås ved, at gennerastrømningskammeret 6's bund er spejlbelagt, hvorved monochroraa-torstrålingen gennemstråler fluorescensindikatorindretningen to gange. Dette er en fordel, hvis der skal anvendes ringe spaltebredder i mono-chroraatoren eller i dichroitiske lag indlejrede indikatorer.

Hvis der på den anden side er tilstrækkelig strålingsenergi til disposition til stimulering af fluorescensstrålingen, kan bunden 61 være sortfarvet. Derved forringes mængden af spredningsstråling, og hovedsagelig kun den fra fluorescensindikatorindretningen udgående stråling bliver målt.

Ved udførelsesformen ifølge fig. 2 gøres lyset fra en lyskilde 230 monochromatisk ved hjælp af et filter 2310. Excitationsstrålingen 20 falder på en fluorescensindikatorindretning 103 med stort areal, som er indspændt i en ring 1030, som på sin side ligger i et hus 400. Det fra fluorescensindikatorindretningen 103 udgående lys 22, fra hvilket det eventuelt reflekterede lys fra excitationsstrålingen 20 fraskilles ved hjælp af et yderligere filter 221, som kun er gennemtrængeligt for fluorescensstrålingen, rammer i billedrummet I et optisk element 2210 på en billedforstærker 7, som derefter på si.n billedskærm 70 gengiver et elektronoptisk billede af den i det optiske element 2210’s billedrum I afbillede fluorescensindikatorindretning 103, I et apparat af denne art kan således afbildningen af en stationær eller statisk koncentrationsfordeling af et stof på et objekt 0 gengives, hvis fluorescens indikatorindretningens indikator, opdelingen i fladeelementer til eliminering af tværdiffusion og afstanden mellem fluorescensindikahorindretningen og objektet samt deres størrelse er afpasset efter hinanden.

I stedet for billedforstærkeren 7 kan der være anbragt et kamera eller en pladefilm såvel som enhver anden elektrisk eller optisk syns-og lagerindretning.

Fluorescensindikator i.'idretningen 103 kan være udformet som et mellem en for den til' måling bestemte blodbestanddel selektivt gennemtræn- gelig membran og en gennerastrålelig væg indesluttet indikatorrum med indikator. Indikatoren kan imidlertid også være indforseglet lækagefrit i en folie. Indforsegling af stoffer i en formstofbærer er i og for sig kendt. Fx. kan folien være udpolymeriseret fra en silicone- eller PVC-opløsning, til hvilken er tilsat en indikator. Derved er indikatoren fast indlejret og kan ikke bortskylles af blodvæsken, men de til måling bestemte blodbestanddele trænger frem til den ved diffusion.

Fluorescensindikatorindretningen kan i stedet for at have flad form være geometrisk afpasset efter måleobjekterne, idet måleobjektet er overtrukket med en folie, i hvilken indikatoren er indforseglet. Således kan fluorescensindikatorindretningan også med fordel bestå af små bærerpartikler, i hvilke indikatoren er indforseglet og er tilsat til en beerervæske, som indeholder den til måling bestemte blodbestanddel. Som baerervæske kan man anvende selve blodet.

I fig. 3 anvendes i stedet for en afbildning ved hjælp af en bil-ledforstærker en rasterformet aftastning af den flade fluorescensindi-katorindretning, hvor begge billedkoordinatorer bestryges af to svingspejle 2000 og 2001. En indikatorforstærker 2002 og et billedapparat 2003 gengiver på kendt måde billedet af fluorescensindikatorindretnin-gen i fluorescenslyset på billedapparatet 2003's billedskærm.

I fig. 4 er enden af en lysleder 2000, som består af lyslederfibre 2001, 2002 ..., dækket med en gasgennemtrængelig, væsketæt membran 8. Mellem den gasgennemtrængelige membran 8 og enden af lyslederen 2000 er en eller to fluorescensindikatorindretninger 101, 102 for hver sin indikator anbragt bag hinanden.

Når fibrene 2001, 2002 ... i lyslederen er statistisk blandet og er adskilt i et indgangs- og et udgangsbundt, og når fibrene 2001 hører til indgangsbundtet og fibrene 2002 til udgangsbundtet, rammer lyset efter udtræden fra fibrene 2001 fluorescensindikatorindretningen 101, 102 og exciterer her fluorescensstrålingen, som, for så vidt den ikke løber tilbage i fibrene 2001, gennem fibrene 2002 tilføres til den ikke viste modtager.

Membranen 8 kan være spejlbelagt på den i Ludikatorrummet liggende flade, hvis der foreligger høj monochromati, altså ringe intensitet af excitationslyset, eller den kan værre sortfarvet, hvis kun det fra fluorescensindikatorindretningen udtrædende lys skal måles. I tilfælde af en optisk ikke eliminerbar spredningsstråling kan der ske en elektrisk subtraktion i forstærkeren.

I fig. 5 er vist en indretning til anvendelse ved flerkomponent-analyse/ der er nødvendig, hvis der foreligger additive farvestofblandinger, optiske forstyrrelser fra folien eller fra måleraaterialet eller hvidbestanddele i lyset. Ved flerkomponentanalyse kan alle disse forstyrrelser elimineres regnemæssigt.

Til udøvelse af denne fremgangsmåde er der fx. på en rotor 2500, som drives af en synkronmotor 2501, vinkelret på lyskildens strålegang 2002 anbragt fea monochromatorfiltre 2502-2506, efter hver af hvilke der fører et tilsvarende monochromatorfilter 2507-2511. Monochromator-filtrene 2507-2511 er anbragt under en vinkel på ca. 45* med drejningsaksen og er delvis spejlbelagt, så at den stråling 2200, som kommer tilbage fra en som kateter udformet lysleder 2080, rammer fotoceller 90-94 efter hinanden. I forstærkere 130-134 opstår til den pågældende intensitet svarende veksellyssignaler, som i en analysator 135 på kendt måde (Pflugers Archiv 342/41-60/1973) sammensættes til et signal til hver af måleinstrumenterne 1361 og 1362, på hvilke koncentrationerne af de ved hjælp af fluorescensindikatorindretningerne 101, 102 målte stoffer kan aflæses.

Da kateteret 2080 på grund af fluorescensindikatorindretningernes anbringelse bag hinanden kan udformes meget tyndt, kan man med et sådant kateter bestemme den til måling bestemte blodbestanddel direkte i de store blodkar.

Ved anvendelse på huden kan fluorescensindikatorindretninger 110, 111 også være anbragt ved siden af hinanden og afmåles ved hjælp af i: i. Ihørende lysmåleindretninger.

Claims (12)

1. Apparat til optisk måling af koncentrationer af blodbestanddele og bestående af et hus med mindst én monochromator (1, 2310, 2502-2506) og en lysmåleindretning (223) samt af mindst én indikator, som reagerer med en farveændring ved en ændring af koncentrationerne, og som gennemskinnes af monochromatorlyset og er væsketæt indforseglet i et indikatorrum (100), ved hjælp af en selektivt permeabel og lysgennemtrænge-lig membran (105), kendetegnet ved, at der anvendes flere fluorescensindikatorer, som hver måler sin til måling bestemte blodbe-standdel, og som kan måles med tilhørende lysmåleindretninger.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hver fluorescensindikator er anbragt i sit eget indikatorrum.

3. Apparat ifølge krav 2. kendetegnet ved, at et første indikatorrum (110, 101) er forsynet med en fluorescens Indikator for oxygen og et andet indikatorrum (111, 102) med en fluorescens indikator for C02·

4. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at en lysstråle (202)', som indeholder mindst fem monochromatiske komponenter, gennem-stråler indikatorrummet (1022), og at det udtrædende fluorescenslys er måleligt ved hjælp af mindst fem monochromatiske lysmåleindretninger (90 - 94), hvorhos målesignalerne er tilført til en indretning til udførelse af den i og for sig kendte flerkomponentanalyse (135).

5. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at fluorescensindikatorerne er indlejret i et polariseret gennemstrålet dichroi-tisk lag, som dichroitisk absorberer den reflekterede excitationsstrå-ling, og som er gennemtrængelig for emissionsstrålingen.

6. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den for den til måling bestemte blodbestanddel selektivt gennemtrængelige membran (105, 8) er spejlbelagt på den mod indikatorrummet vendende side.

7. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den for den til måling bestemte blodbestanddel selektivt gennemtrængelige membran (105, 8) er sortfarvet på den mod indikatorrummet vendende sida.

3. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at fluorescens-indikatorindretningen (103) udfylder objektrammet i et afbildende op- tisk system (2210, 7).

9. Apparat ifølge krav 1 -4r kendetegnet ved, at der anvendes bærerpartikler, som mindst indeholder to indforseglede fluore-scens indikatorer, og som sammen med det til måling bestemte stof (B) og et bærermedium gennemstrømmer et af monochromatisk lys (22) gennerastrå-let gennemstrømningskammer (6).

10. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at indikatorrummet (-ene) er anbragt på en lysleder (2000, 2080) og dækker dennes mod objektet vendende ende optisk.

11. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som indikator er anvendt β-methylumbelliferon til bestemmelse af pH-vasrdi-en.

12. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der er anvendt pyrensmørsyre til bestemmelse af p02·