DK159838B - Transkutan carbondioxidmaaleenhed - Google Patents

Description

DK 159838 B

Den foreliggende opfindelse angår en transkutan carbondioxidmåleenhed omfattende en elektrodeholder med en glaselektrode, som har en ionfølsom glasmembran ved enden af et rørelement af isolerende materiale, og en extern reference-5 elektrode, som er anbragt omkring omkredsen af glaselektroden, en membranholder anbragt omkring omkredsen af referenceelektroden med en permeabel polymermembran anbragt ved sin ene ende og et membranfikseringsorgan, der har en åbning, gennem hvilken gassen, der skal måles, føres til glaselek·4 lo troden, hvilket membranfikseringsorgan presser polymermembranen i membranholderen imod glasmembranen over en følsom elektrolytfilm, hvor elektrodeholderen, membranholderen og membranfikseringsorganet er tre aftagelige komponenter, som er forbundet med hinanden for at danne den nævnte en-15 hed. Måleenheden er egnet til transkutan måling af koncentrationen af carbondioxid (eller af det partiale tryk deraf) i vævsstofskiftet eller i blodet.

Detektering af CC^ koncentrationen i blodet er yderst vigtig for kliniske prøver til undersøgelse af ån-2o dedræts- og stofskiftefunktioner og til bestemmelse af den tilnærmelsesvise pH værdi af blodet hos patienterne. Der kendes en fremgangsmåde til direkte måling ved udtagning af blodet fra en arterie for at detektere CC^ koncentrationen i blodet. Denne fremgangsmåde er imidlertid ikke egnet 25 til kontinuerlig måling og forårsager smerter hos patienten. Fremgangsmåden er specielt ikke egnet ved nyfødte og for tidligt fødte børn på grund af de mulige ricici ved udtagning af blodet fra patienterne.

Der kendes også en transkutan måleelektrodeenhed, 3o hvor carbondioxid, som diffunderer fra blodet eller væ vet, holdes tilbage fra hudoverfladen, og kronologisk kontinuerlig måling uden at forårsage smerter hos patienten bliver muliggjort.

Den foreliggende opfindelse vedrører en forbed-35 ring af den transkutane måling af carbondioxid i blodet og navnlig forbedringer, som udføres på konstruktionen af glaselektroden, opvarmningskonstruktionen og signalstøjforholdet af indgangssignalet.

2

DK 159838 B

Ifølge opfindelsen tilvejebringes der en carbondioxidmåleelektrodeenhed af den indledningsvis angivne art, som er ejendommelig ved, at en ledende belægning er dannet på den indre overflade af glasmembranen, og at et opvarmningsorgan omfattende et varmeelement og et varmefølsomt element, som styrer varmeelementet til opretholdelse af en forudbestemt temperatur, er anbragt inden i glaselektroden.

Elektroden opnår herved måletemperaturen på en extremt kort tid og holder denne temperatur nøjagtigt på en konstant værdi derefter, fordi den pH følsomme glasmembran er i direkte berøring med opvarmningsorganet, der er fremstillet af et godt varmel edende metal. Der er derfor ingen drift i måleværdien med hensyn til det frembragte potential hidrørende fra temperaturvariationen ved elektroden.

Den ledende belægning er fortrinsvis et metal eller metalsalt, som kan være dannet ved vakuumaflejring på den indre overflade af en H+ ionfølsom glasmembran omfattende en glaselektrode, idet en ledningstråd for glaselektroden er forbundet med metal- eller metalsaltbelægningslaget, og glasmembranen er tillige forstærket ved at fylde harpiks, såsom siliconegummi, inden i glasbeholderen, som danner glaselektroden. Carbondioxidmåleelektroden i enheden ifølge den foreliggende opfindelse kræver ikke, at en elektrolyt er fyldt i glasbeholderen som i den kendte konstruktion, og er fri for alle de ovennævnte problemer og vanskeligheder. Den foreliggende opfindelse tilvejebringer følgelig en transkutan carbondioxidmåleenhed, som er stabil og robust, og som fungerer effektivt.

Den temperaturstabiliserede glaselektrode begrænser opvarmningsarealet til måleenhedens nærhed og reducerer det hudområde, som skal opvarmes, for derved yderligere at undgå muligheden for, at nyfødte kommer til at lide af forbrændinger.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser den ovennævnte kendte carbondi oxi dmåleelektrodeenhed, fig. 2 et tværsnit i en første udførelsesform for en transkutan carbondioxidmåleføl er ifølge opfindelsen, fig. 3 et tværsnit i en anden udførelsesform for en transkutan carbondioxidføler ifølge opfindelsen og fig. 4 et elektrisk kredsløbsdiagram, som viser 3

DK 159838 B

tilslutningen af føleren i fig. 3.

Enheden vist i fig. 1 omfatter tre separate elementer, nemlig et topdæksel 7, der centralt placerer en glaselektrode 5 omfattende en glasbeholder 2 med en H+ ionfølsom (pH-følsom) glasmembran 1 ved sin bund og indeholdende bufferelektrolyt 3, der hovedsageligt består af en vandig opløsning af KC1 eller NaCl, og en sølvtråd 4, som er neddyppet deri, og hvis overflade bliver til sølvchlorid, og med en ydre referenceelektrode 6 fremstillet af sølv og sølvchlorid beliggende omkring glaselektroden 5, en membranholder 9, som udspænder en elektrodemembran 8 ved endedelen af beholderen 9, og et opvarmningsorgan 12, der har et varmeelement 10, som er lagt deromkring, og et varmefølsomt element 11, der er indlagt deri. Membranholderen 9 holdes mellem topdækslet 7 og opvarmningsorganet 12 på en sådan måde, at den frit kan aftages ved fjernelse af skruer 16.

Mellem elektrodemembranen 8 og glasmembranen 1 findes en elektrolyt 13 bestående af en vandig opløsning af NaHC03, NaCl eller KC1 og et afstandsstykke fremstillet af papir, nylon osv. Betegnelsen 14 angiver ledere fra elektroderne, 15a er ledere fra det varmefølsomme element 11 og 15b forsyningsledere til varmeorganet 10. Elektrodeenheden med elektrolyt indeholdt i glaselektroden som angivet ovenfor har følgende mangler: i) Når enheden falder ned på siden eller vendes om ved en patients bevægelse, vil glaselektrodens elektrolyt 3, som er i berøring med den pH følsomme glasmembran 1, tilfældigt fjerne sig fra glasmembranen 1, og sølvtråden 4 bliver elektrisk afbrudt fra forbindelse med glasmembranen 1.

ii) Elektrolyten fryser tilfældigvis under opbevaring eller transport på et sted med meget koldt klima, og dette bevirker, at glaselektroden går itu.

iii) Når temperaturen af elektrodeenheden 5 hæves under måling, fordamper en del af glaselektrodens elektrolyt 3 og danner dug i glasbeholderen 2, og dette forårsager abnormiteter i målingen.

iv) Elektrolyten i glaselektroden 5 lækker tilfældigvis, og dette bevirker, at elektrodens isolation ødelægges.

v) Glasmembranen kan let gå itu.

vi) Temperaturen af glaselektroden påvirker stærkt dens elektromotoriske kraft, så at det er nødvendigt at holde elektrodens temperaturvariation indenfor ± 0,2°C. Det er imidlertid vanskeligt at

„ DK 159838 B

4 holde temperaturen af elektroden så stabil, vi i) Don konvontionelle elektrodeenhed har to separate komponenter, nemlig et topdæksel 7 med en glaselektrode og en ydre referenceelektrode deromkring og et opvarmningsorgan 12 med et varmeelement 10 og et varmefølsomt element 11. Det er derfor nødvendigt, at lederne 14, lederne og forsyningsledningerne 15a,15b forbindes med henholdsvis topdækslet og opvarmningsorganet 12. Som følge af denne konstruktion med de adskilte ledninger er det ikke muligt at fastgøre opvarmningsorganet 12 og topdækslet 7 ved hjælp af et skrueorgan, men tre bolte skal anvendes i stedet for. Da tre bolte ikke ensartet til spænder topdækslet og opvarmningsorganet, som fastgøres til hinanden på de tidspunkter, hvor membranholderen udskiftes, varierer de målte værdier. Da den ydre diameter af elektrodeenheden er så lille som 18 mm, skal der anvendes en ganske lille skrue på 1 mm i diameter. Af det ovenstående vil det ses, at udskiftning af membranholderen er yderst vanskelig.

viii) I den konventionelle elektrodeenhed udviser den pH følsomme glasmembran anbragt på bunden af glaselektroden imidlertid en så 9 10 extremt høj impedans som 10 ohm til 10 ohm, at ledningerne 14 har tilbøjelighed til at opsamle støj forårsaget af elektrostatisk og/eller elektromagnetisk induktion.

fig. 2 viser et tværsnit i en transkutan CO2 måleføler i henhold til den første udførelsesform for den foreliggende opfin-del se. I fig. 2 angiver henvisningsbetegnelsen 45 en H ionfølsom glasmembran, 46 et ringformet element fremstillet af høji sol erende materiale, såsom glas, keramik, plast, gummi osv., ved hvis ende glasmembranen 45 er fastgjort ved smeltning eller med et klæbemiddel for at danne en glaselektrode. Henvisningsbetegnelsen 47 angiver en ledende belægning fremstillet af et metal, såsom Au,Pt,Ag osv., eller et metalsalt, såsom AgCl osv. dannet på den indre overflade af glasmembranen 45 ved vakuumfordampning eller ionplettering. Det er også muligt at danne metal belægninger på den indre overflade af glasbeholderen ved termisk smeltning af et metal eller et metalsalt, som har et lavere smeltepunkt end glasmembranen. 48 betegner en særlig vigtig komponent ifølge den foreliggende opfindelse, nemlig et opvarmningsorgan fremstillet af et metal, såsom sølv, kobber, aluminium osv., der har en særlig god varmeledningsevne. Det indeholder et varmeelement 49 og et varmefølsomt element 50 og reguleres ved en ønsket konstant temperatur. Fig. 2 viser en konstruktion, hvor en særlig god ledning både elektrisk og termisk kan opretholdes, 5

DK 159838 B

da den ligger tæt an mod den ledende belægning 47 dannet på den indre overflade af glasmembranen 45. Den ledende membran 45 og opvarmningsorganet 48 er således forbundet med hinanden med et ledende klæbemiddel, og det elektriske potential på den ledende belægning 47 kan udtages ved hjælp af 5 en leder 51.

Det er naturligvis muligt at anvende opvarmningsorganet 48, hvis overflade er isoleret, ved direkte at forbinde lederen 51 til den ledende membran 47, som er blevet vakuumaflejret på den indre overflade af glasmembranen. 52 lo betegner en ringformet ydre referenceelektrode bestående af sølv/sølvchlorid og anbragt omkring den ydre omkreds af glaselektroden forsynet med et opvarmningsorgan ifølge den foreliggende opfindelse.

Glaselektroden med et opvarmningsorgan og den ydre 15 elektrode er fastgjort til en elektrodeholder 53 fremstillet af isolerende materiale, såsom plast eller gummi. 55 betegner en membranholder, ved hvis ende der er fastgjort engC02 gennemtrængelig og hydrofob polymerhinde, såsom teflon, siliconegummi osv., og som kan anbringes langs den 2o polymere membran 54. Mellem glasmembranen 45 og den polymere membran 54 er ligesom ved den kendte teknik anbragt en vandig opløsning indeholdende KC1, NaHC03 osv. som C02 følsom elektrolyt (hvis pH værdi varierer i afhængighed af C02 koncentrationen). 56 betegner en trykplade til at 25 presse den polymere membran 54 på membranholderen 55 mod glasmembranen ved at sammenpresse en hinde af elektrolyten 27, og som er aftageligt skruet på elektrodeholderen 53.

Den konkrete konstruktion af den første udførelsesform ifølge den foreliggende opfindelse angivet ovenfor 3o skal nu forklares mere detaljeret. Glasmembranen 45 bestående af 25 vægtprocent Na20, lo vægtprocent CaO og 65 vægtprocent SiC>2 og med en diameter på 8 mm og en tykkelse på o,15 mm er smeltet til enden af en blyglascylinder ved lodning. På indersiden af glasbeholderen er der vakuumaf-35 lejret platin. Et opvarmningsorgan 48 fremstillet af kobber er klæbet på indervæggen af beholderen ved anvendelse af et ledende klæbemiddel for at.danne en glaselektrode.

DK 159838B

s

Over den ydre omkreds af glåselektroden er ved anvendelse af epoxyharpiks fastgjort en sølvring, hvis overflade er blevet elektrolyseret i o,1 N-HC1 for at omdanne den til sølvchlorid som en ydre referenceelektrode 5 52. Som den ydre elektrolyt 27 anvendes o,o2 mol NaCl og o,oo5 mol NaHCO^· En 2o pm tyk Teflonhinde blev anvendt som den polymere membran.

Føleren ifølge den foreliggende opfindelse fremstillet under de ovennævnte betingelser viste sig at være lo udmærket både med hensyn til driftsegenskaber og virkemåde som vist i tabel 1.

7

DK 159838 B

Tabel 1

Punkt Kendt føler Føler ifølge opfindelsen O_________________ 1. Tid indtil indleden- 25 min. 8 min.

de stabilisering 2. Reaktionstid 9o% reaktion 9o% reaktion (gas) (C0„ 5% 1o%) 37 sek. 36 sek.

lo 3. Gasfølsomhed Potentialændring Potentialændring

(CC>2 5% 1o%) 17 mV 17 mV

4. Korrelation til de- 0,98 0,98 tekteret værdi i blod 15 (Korrelationskoefficient af transkutant målt værdi og værdi fundet i blodprøven) 5. Virkemåde når føler Måling ikke mulig Uændret virk- 2o falder da potentialet er ning fortsætforstyrret. ter uden æn-

Oprindeligt po- dring tentiale ikke genopnået ved tilbageføring til op-25 rindelig stilling.

6. Temperatur ved Glaselektrode går Ingen ændring hvilken føler bliver itu ved -12°C iagttaget ved

ødelagt p.g.a. frys- -2o°C

ning 3o 7. Slagstyrke af glas- Går itu når den Går ikke itu elektrodes glasmem- falder fra en selv når den bran højde af 1,5 ra. falder fra en højde af 2 m.

35 8

DK 159838 B

Ved en føler ifølge opfindelsen er det muligt at måle H+ ionkoncentrationsændringer (pH ændringer) uden at anvende elektrolyt anbragt inden i glaselektroden, så at: a) det er muligt at fortsætte måling uden at forringe følerens funktioner, når den bliver vendt om eller falder ned på grund af patientens bevægelse, b) det er muligt at undgå problemer, såsom beskadigelser af glaselektroden, når elektrolyten inden i beholderen fryser i koldt klima, c) der er ingen abnormal opførsel af potentialet på grund af fordampning og dugkoncentration af elektrolyt i den hule del af glaselektroden, når føleren opvarmes, d) ingen vanskeligheder, såsom nedsat isolation forårsaget af lækage af elektrolyt fra glaselektroden, e) den mekaniske styrke af den H+ ionfølsomme glasmembran vokser, når et fast legeme, såsom et metal eller silicone eller epoxyharpiks fyldes inden i glaselektroden og således gør føleren mere robust mod brud.

9 DK 159838 B

Yderligere virkning, som angivet i det følgende, er blevet opnået ved at placere varmelegemet 48 inden i glaselektro-5 den: (1) Elektroden opnår måletemperaturen på et extremt kort tidsrum og holder nøjagtigt denne temperatur på en konstant værdi derefter, fordi den pH følsomme glasmembran direkte er i berøring med opvarmningsorganet, der er fremlo stillet af et godt varmeledende metal. Der er derfor ingen drift i temperaturmålingen med hensyn til det frembragte potential hidrørende fra temperaturvariationen ved elektroden, som det ofte ses ved et produkt af den sædvanlige type.

15 (2) Da et produkt af den sædvanlige type har en kon struktion, hvor et ringformet opvarmningsorgan fastgøres omkring glaselektroden, og glaselektrodens diameter skal være stor, stiger måledelens hudtemperatur ikke ved en hurtig reaktion. Det var således ikke muligt at forvente en 2o føler med god reaktion. Ifølge den foreliggende opfindelse opvarmer selve glaselektroden huden, og glaselektrodens diameter kan fastlægges vilkårligt for at tilpasse den til en hvilken som helst krævet driftsmåde.

(3) Produktet af den sædvanlige type havde et ringfor-25 met hudopvarmningsorgan over den ydre omkreds af glaselektroden, hvorved det opvarmede hudområde uundgåeligt vokser. Når patienten i et sådant tilfælde fik en forbrænding, blev arret større. Produktet ifølge den foreliggende opfindelse opvarmer imidlertid huden på omtrent det 3o samme areal som tværsnittet af glaselektroden. Dette betyder, at arret efter en forbrænding er langt mindre,end hvad der ses hos patienter, hvor den sædvanlige type er blevet anvendt.

(4) Da temperaturvirkningen af glaselektrodens elek-35 tromotoriske kraft er stor, er det nødvendigt at holde glaselektrodens temperatur konstant indenfor _o,2 C. Opvarmningsorganet, som anvendes ifølge den foreliggende opfindelse, opfylder på tilfredsstillende måde denne betin-

DK 159838 B

lo gelse.

Som forklaret ovenfor fjerner den foreliggende opfindelse ikke kun alle ulemperne ved den kendte trans-kutane C02 føler, men muliggør også, at der fås en extremt 5 god transkutan C02 føler med extremt god virkning og nem anvendelse.

Fig. 3 viser et tværsnit i den anden udførelsesform for den transkutane CC>2 føler ifølge den foreliggende opfindelse. I fig. 3 er en pH følsom glasmembran 57 lo fastgjort til bunden af et bærerør 58 for den isolerende glaselektrode for at danne en ledende belægning 59 på den indre overflade af glasmembranen, og en forforstærker 60, som er anbragt inden i glaselektrodens bærerør 58, har en leder 61 til optagelse af potentialerne, som er extremt 15 kort og forbundet med den ledende belægning 59. Dette tilvej ebringer en lav udgangsimpedans af forforstærkeren 60, som er forbundet med hovedmåleapparatet over en leder 62.

Den ydre referenceelektrode 63 er anbragt på en sådan måde, at den omgiver glaselektroden,og potentialet på elek-2o troden 63 er ført til forforstærkeren 60, som er forbundet med hovedmåleapparatet ved hjælp af en leder 64. Det var-mefrembringende element lo og det varmefølsomme element 11 er de samme som dem, der anvendes indenfor den kendte teknik, og lederne 15a, forsyningslederne 15b fra disse ele-25 menter er forbundet med hovedmåleapparatet 69, se fig. 4.

67 betegner en aftagelig membranholder med en udspændt polymermembran 68 ved sin endedel.

Herefter skal konkret forklares den anden . udførelsesform ifølge den foreliggende opfindelse.

3o Den pH følsomme glasmembran 57, som blev anvendt i forsøget, havde en sammensætning af 25 molprocent LiO2, 8 molprocent BaO og 67 molprocent S1O2 og en tykkelse på 12o juirw Glaselektrodens støtterør 58 består af et højisoleret epoxyharpiksrør med en ydre diameter på 6 mm, 35 en indre diameter på 5 mm og en højde på 8 mm. Det blev klæbet til bunden af støtterøret 58 med et siliconeklæbe-middel, og på dets indvendige bund blev af lej ret 7 jum tykt 11

DK 159838 B

sølv ved vakuumaflejring for at danne en ledende massiv , hinde 59. En MOS FET af typen med metalhus blev anvendt som forforstærkeren 6o (diameter 4 mm, højde 4 mm),og ledningen 61 for forforstærkeren blev fastklæbet med en sølv-5 pulverindeholdende ledende epoxyharpiks. En siliconegummi-forbindelse, som hærder ved normale temperaturer, blev fyldt i hulrummet 65 i glaselektroden omkring forforstærkeren og lederen for at forøge og forbedre den mekaniske styrke og den isolerende evne.

lo Kredsløbet for forforstærkeren omfatter som vist i fig. 4 en MOS FET 66, og udgangen på forforstærkeren er forbundet med hovedmåleapparatet ved hjælp af ledningen 62. Jordpotentialterminalen på forforstærkeren er forbundet med den ydre referenceelektrode 63, som holdes på jordpo-15 tential til afskærmningsformål,og er forbundet med jordpotentialterminalen på hovedmåleapparatet ved hjælp af ledningen 14. Tabel 2 viser resultaterne af virkemådesammenligningen af den kendte føler vist i fig. 1 og føleren ifølge opfindelsen vist i fig.3 . Ved sammenligningsforsø-2o get blev anvendt en polytetrafluorethylenmembran med en tykkelse på 13 jum både i den kendte enhed og i enheden ifølge den foreliggende opfindelse. En vandig opløsning indeholdende o,oo5 mol NaHCO^ og o,o2 mol NaCl blev anvendt som elektrolyt, der bibeholdes mellem den polymere membran 25 og glaselektroden.

12

DK 159838 B

Tabel 2..

j

Sammenligning af transkutane CO2 måleenheder. ^ Sædvanlig type Type ifølge opfin-5 Gasreaktions- delsen følsomhed Potentialændring Potentialændring

(C02 5% - lo%) 16 mV 16 mV

Støjniveau Potentialændring Potentialændring

mindre end 2,3 mV mindre end o,1 mV

lo Drift Potentialændring Potentialændring

mindre end o, 4 mindre end o,1 mV/H mV/H

Måleværdier for mennesker 15 (mm Hg) 1. Nyfødt (3 dage ~ gammel) 2. Barn (3 år gammelt) For aktiv, måling 35 2o umulig 3. Voksen (rask) 41 41 25 4. Voksen (lungeødem- 46 45 patient)

Mellem glaselektroden og den polymere membran blev indsat 4o pm tykt linsepapir som et afstandsstykke. Føle-3o ren blev holdt på 43,5°C,og det sammenlignende forsøg blev udført. Som det fremgår af tabel 2, er føleren i den anden udførelsesform ifølge den foreliggende opfindelse den kendte føler langt overlegen med hensyn til støjniveau, extremt lille drift,og stabil måling tilsikres.

35 Som nævnt foran opnås der med den transkutane C02

DK 159838B

13 måleføler følgende yderligere fordele a) da forforstærkeren er anbragt i glaselektroden, kan føleren reduceres til en kompakt størrelse og kan let fastgø- 5 res til den begrænsede måledel, som anvendes ved for tid ligt fødte og nyfødte børn, b) da forforstærkeren er anbragt i glaselektroden omgivet af den ydre referenceelektrode 63, virker denne elektrode som en skærm imod det ydre elektriske felt. Indgangslederen lo for forforstærkeren bliver extremt kort og reducerer derved den statiske og den elektromagnetiske induktions støjniveauer mærkbart, c) da forforstærkeren er anbragt i glaselektroden, som holdes på en konstant temperatur, bliver temperaturvariationen 15 reduceret i forhold til, hvad der ses ved produktet af den sædvanlige type. Der fås følgelig en forforstærker med mindre forstærkningsvariation og drift, hvorved der sikres stabil måling.

Claims (2)

1. Transkutan carbondioxidmåleenhed omfattende en elektrodeholder (53) med en glaselektrode, som har en H+ ionfølsom glasmembran (45) ved enden af et rørelement (46) 5 af isolerende materiale, og en extern referenceelektrode (52), som er anbragt omkring omkredsen af glaselektroden, en membranholder (55) anbragt omkring omkredsen af referenceelektroden med en CC^ permeabel polymermembran (54) anbragt ved sin ene ende og et membranfikseringsorgan (56), 1o der har en åbning, gennem hvilken gassen, der skal måles, føres til glaselektroden, hvilket membranfikseringsorgan (56) presser polymermembranen (54) i membranholderen (55) imod glasmembranen (45) over en CO 2 følsom elektrolytfilm, hvor elektrodeholderen, membranholderen og membranfikse- 15 ringsorganet er tre aftagelige komponenter, som er forbundet med hinanden for at danne den nævnte enhed, kendetegnet ved, at en ledende belægning (47) er dannet på den indre overflade af glasmembranen (45), og at et opvarmningsorgan (48) omfattende et varmeelement (49) og et var- 2o mefølsomt element (50), som styrer varmeelementet til op retholdelse af en forudbestemt temperatur, er anbragt inden i glaselektroden.

2. Transkutan carbondioxidmåleenhed ifølge krav 1, kendetegnet ved, at membranholderen (55) er un- 25 derstøttet i et rum mellem elektrodeholderen (53) og membranfik seringsorganet (56), og at membranfikseringsorganet (56) er fastgjort til elektrodeholderen (53) ved hjælp af samvirkende skruegevind, som er dannet på elektrodeholderen og membranfikseringsorganet. 3o 35