ITMI20070110A1 - Sensore ed apparecchio per l'analisi dei gas presenti nel sangue - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
“SENSORE ED APPARECCHIO PER L'ANALISI DEI GAS PRESENTI NEL SANGUE”
La presente invenzione riguarda un sensore ed un apparecchio per l’analisi dei gas presenti nel sangue ed in particolare per la determinazione dei gas che, come ammoniaca, acido solfidrico e monossido di azoto, sono presenti nel sangue in minime quantità dell'ordine delle parti per milione o addirittura inferiori.
E ben noto che diversi stati patologici possono essere identificati mediante l’analisi dei gas presenti nel sangue. Le tecniche comunemente impiegate per tali analisi prevedono il prelievo di campioni di sangue mediante svariati metodi, la successiva conservazione di tali campioni in ambienti isolati, termostatatì, ecc., fino al momento dell’analisi vera e propria. Ciò comporta vari problemi ben noti agli esperti del ramo nonché l’impossibilità di effettuare un monitoraggio continuo della tensione dei vari gas presenti nel sangue. Per ovviare a tali inconvenienti è stato già proposto di abolire il prelievo di campioni di sangue e di effettuare per altra via, come ad esempio per via transcutanea, la determinazione dei gas presenti nel sangue. Questa tecnica, oltre ad essere non invasiva, consente anche un monitoraggio continuo del sangue ed è stata infatti applicata sin dalPinizio nella diagnostica prenatale per la determinazione dell’ossigeno e della C02nel sangue.
Sono noti apparecchi per l’analisi transcutanea dei gas del sangue, costituiti generalmente da sonde di prelievo dei gas collegate mediante sistemi di tubi ad apparecchi provvisti di sensori per la misura dei gas. Sono noti numerosi sensori per l’analisi transcutanea dei gas del sangue basati, ad esempio, su celle galvaniche di misura che consentono la misura della concentrazione di uno o più gas.
Il brevetto US 5.007.424 descrive, ad esempio, un sensore polarograilco/amperometrico per la misura della pressione parziale di ossigeno nel sangue mediante una disposizione di elettrodi di tipo Clark. Il sensore può essere provvisto di un elettrodo per pH per la determinazione simultanea della pressione parziale di C02nel sangue.
Il brevetto US 4.840.179 descrive un apparecchio termostatato per la misura contemporanea ed in continuo di ossigeno e C02presenti nel sangue, basato sul principio della misura del pH in un elettrolita. Per garantire misure soddisfacenti di ossigeno e C02è tuttavia necessario riscaldare la pelle a temperature dell'ordine di 42°C, in modo da aumentarne la permeabilità e conseguentemente il flusso di gas Un problema dei sensori galvanici noti nella tecnica è che essi non consentono di rilevare la presenza nel sangue di tracce di gas (come ammoniaca, acido solfidrico e monossido di azoto) che possono essere messi in relazione con diversi stati patologici. L'ammoniaca presente nel sangue può, in particolare, rivelare disfunzioni epatiche e renali, nelle quali le concentrazioni aumentano oltre i valori fisiologici di 0,1 - 0,6 ppm.
La misura ed il monitoraggio deH'ammoniaca potrebbero consentire la diagnosi rapida e sicura di disturbi quali iperammoni ernia ed ipoammoniemia, diabete ed ipertensione, nonché la diagnosi dell’infezione da Helicobacter Pylori. La determinazione deH'ammoniaca per via transcutanea potrebbe essere utilizzata anche nei trattamenti di emodialisi e nei check-up periodici.
Nell'articolo "Identification of ammonia in gas emanated from human skin and its correlation with that in blood" di K. Nose et al., pubblicato su Analytical Sciences, Dicembre 2005, voi. 21, pagina 1471 e seguenti, viene descritto uno studio sperimentale attraverso il quale è stato possibile rilevare la presenza di ammoniaca gassosa emanata attraverso la pelle e misurarne la quantità. L'articolo sottolinea l'esigenza di raccogliere i gas per via transcutanea con metodi non dolorosi per il paziente ed in tempo reale, consentendo così un monitoraggio in continuo delle variazioni di ammoniaca nel sangue, nonché la realizzazione di apparecchi di misura anche per uso domestico.
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un sensore ed un apparecchio per la determinazione dei gas del sangue, in particolare di tracce di gas come l'ammoniaca, l'acido solfidrico ed il monossido di azoto, in tempo reale mediante una tecnica analitica non invasiva, non manipolativa e non distruttiva. Tale scopo viene conseguito con un sensore ed un apparecchio le cui caratteristiche sono specificate rispettivamente nella rivendicazione 1 e 11, mentre altre caratteristiche sono specificate nelle restanti rivendicazioni.
Il sensore secondo la presente invenzione è una cella galvanica di misura costruita in modo specifico per la rilevazione e la misura di gas che, come l'ammoniaca, l'acido solfidrico ed il monossido di azoto sono presenti nei gas del sangue in minime quantità dell'ordine delle parti per milione o addirittura inferiori.
Un vantaggio del sensore secondo la presente invenzione è che esso presenta tempi di risposta e di recupero dell'ordine dei secondi, potendo cosi essere vantaggiosamente impiegato per misurazioni in tempo reale ed in continuo.
Un altro vantaggio del sensore è che esso non richiede alcun riscaldamento della cute del paziente volto ad aumentarne la permeabilità ai gas del sangue in quanto, grazie alla miniaturizzazione dell'elettrodo di misura, sono sufficienti minime quantità di gas per effettuare misurazioni corrette ed accurate.
Un altro vantaggio è che il sensore è molto compatto e consente pertanto la costruzione a costi molto contenuti di apparecchi di misura di dimensioni ridotte, trasportabili ed idonei anche all'uso domestico.
Ancora un altro vantaggio del sensore secondo la presente invenzione è che esso può essere utilizzato con diversi tipi di sonde di prelievo e consente pertanto la massima flessibilità di applicazione degli apparecchi di misura nei quali è inserito.
Ulteriori vantaggi offerti dal sensore e dal l'apparecchio secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente dettagliata descrizione di una sua forma realizzativa con riferimento agli annessi disegni in cui:
la Figura 1 mostra una vista in sezione del sensore secondo la presente invenzione;
la Figura 2 mostra una vista schematica di un apparecchio di misura comprendente il sensore di Figura 1; e
la Figura 3 mostra una vista in sezione di una sonda di prelievo utilizzabile con l'apparecchio di Figura 2.
Facendo riferimento alla Figura 1, si vede che il sensore galvanico secondo la presente invenzione comprende un condotto 1 atto ad essere attraversato da un flusso di gas e provvisto di un'apertura di ingresso 2 e di un'apertura di uscita 3. Il condotto 1 può essere realizzato con qualsiasi materiale adatto. Ad esempio esso può essere costituito da un tubicino di vetro che nella forma realizzativa preferita ha una forma a T. L'uscita 3 è situata sul braccio trasversale la del tubicino.
Il sensore secondo la presente invenzione comprende inoltre un semielemento galvanico di riferimento, costituito da un contenitore 4 contenente una soluzione elettrolitica 5 e da un elettrodo di riferimento 6 inserito in nel contenitore 4. Il contenitore 4 è fissato al condotto 1, ad esempio, per attrito o mediante un collegamento filettato. Il semielemento galvanico di misura del sensore comprende un elettrodo di misura 7 disposto in modo sostanzialmente trasversale all'asse del condotto 1 ed un elemento filiforme 8 ad elevata capillarità, ad esempio un filo di cotone a treccia, ancorato al contenitore 4 e che ha una sua estremità 8a a contatto con l'elettrodo di misura 7 e l'altra sua estremità 8b a contatto con la soluzione elettrolitica 5. Nella forma realizzativa mostrata in figura, l'elemento filiforme 8 è montato in una posizione sostanzialmente coincidente con l'asse del condotto 1.
La soluzione di lavoro bagna l'elettrodo di misura 7 risalendo per capillarità nell’elemento filiforme 8, pertanto tra l'elettrodo di misura 7 e l’elettrodo di riferimento 6 è presente e misurabile una differenza di potenziale basata sui potenziali redox dei due semielementi galvanici.
In una forma realizzativa preferita, l'elettrodo di misura 7 e l'elettrodo di riferimento 6 sono costituiti da barrette metalliche fatte di acciaio inox, tuttavia si possono utilizzare altri materiali già noti per l'uso come elettrodi.
Il sensore secondo la presente invenzione il semielemento galvanico contenente l'elettrodo di misura è estremamente miniaturizzato, in quanto il volume di soluzione elettrolitica che bagna l'elettrodo di misura 7 è determinato dalle piccolissime dimensioni della zona di contatto tra l'estremità 8a dell'elemento filiforme 8 e l'elettrodo di misura 7. Ad esempio, se l'elettrodo ha un diametro di 1 mm ed l'elemento filiforme di 0,1 mm, e l'elemento filiforme 8 forma una spira completa attorno all'elettrodo, il volume di soluzione elettrolitica che bagna l'elettrodo 7 è dell'ordine di 1 μΐ, cioè 0,1 ppm. La quantità di gas presenti nel sangue necessaria per determinare una variazione di potenziale redox sull'elettrodo di misura è pertanto dell'ordine 0,1 ppm o inferiore, conferendo al sensore la capacità di rilevare quantità assai piccole, o tracce, di gas. Scegliendo opportunamente il diametro dell'elemento filiforme, il diametro dell'elettrodo e le dimensioni della zona di contatto tra l'elemento filiforme e l'elettrodo di misura è possibile ottenere, con un'adeguata calibratura, la sensibilità desiderata per una corretta misura delle quantità dei gas desiderati presenti nel sangue.
Questa particolare caratteristica della presente invenzione consente di eseguire analisi dei gas presenti nel sangue con quantità minime di gas prelevato e lo rendono ideale per la misura di gas che, come l'ammoniaca, l'acido solfìdrico e il monossido di azoto, sono presenti solo in tracce. Non vi è dunque alcun bisogno di riscaldare la pelle del paziente per aumentarne la permeabilità e raccogliere maggiori quantità di gas del sangue. Inoltre i tempi di risposta del sensore sono molto più rapidi poiché dipendono unicamente dalla cinetica delle reazioni che avvengono tra il gas analizzato e la soluzione elettrolitica utilizzata nel sensore.
Nel caso dell'ammoniaca, ad esempio, la soluzione elettrolitica 5 utilizzata può essere, ad esempio, una soluzione acquosa diluita di ammonio cloruro.
Inoltre, la soluzione elettrolitica utilizzata deve essere scelta in modo da evitare interferenze da parte degli altri gas presenti nel sangue. Nel caso di una soluzione acquosa diluita di ammonio cloruro non vi sono interferenze da parte dell'ossigeno, che non reagisce con essa. Per evitare che la C02reagisca con l'acqua si può vantaggiosamente sfruttare il fatto che la cinetica di reazione della C02è molto più lenta di quella dell'ammoniaca; pertanto regolando opportunamente il tempo di passaggio del flusso di gas attraverso il sensore è possibile eliminare completamente le interferenze da parte della C02.
La scelta della soluzione elettrolitica, del materiale e della geometria dell'elemento filiforme e del numero di spire di questo attorno all'elettrodo di misura, nonché dei tempi di misurazione sono parametri importanti nella configurazione del sensore, che contribuiscono contemporaneamente a definirne la sensibilità e la rapidità di risposta.
La Figura 2 mostra un apparecchio per l’analisi dei gas del sangue il quale comprende un sensore galvanico 9 secondo la presente invenzione, nonché un potenziometro 10 ed un computer 11. Come sopra descritto, tra l'elettrodo di misura 7 e l'elettrodo di riferimento 6 è presente una differenza di potenziale basata sui potenziali redox dei due semielementi galvanici. Pertanto, misurando con un potenziometro tale differenza di potenziale nel tempo ed acquisendo, memorizzando ed elaborando le misure in continuo, è possibile effettuare un monitoraggio in tempo reale dell'ammoniaca contenutane! gas del sangue.
Come mostrato in figura, l'apparecchio secondo la presente invenzione comprende anche una sonda 12 per il prelievo dei gas ed una sorgente 13 di gas vettore, ad esempio aria ambiente, collegata ad una pompa 14. 11 gas vettore è atto a trasportare i gas presenti nel sangue verso il sensore galvanico 9. Per garantire un buon funzionamento dell'apparecchio, il gas vettore viene filtrato e depurato attraverso una serie di filtri 15, atti a trattenere eventuali impurezze e a controllare l'umidità del gas. L'apparecchio comprende inoltre un deviatore di flusso 16 ed un insieme di tubi 17 che collegano tra di loro i vari apparecchi.
La Figura 3 mostra una forma realizzatìva della sonda 12 particolarmente adatta per il prelievo dei gas per via transcutanea. La sonda è costituita da un elemento campaniforme avente la base 18 aperta per consentire la raccolta dei gas per vìa transcutanea. L'elemento campaniforme è inoltre provvisto di un ingresso 19 ed un'uscita 20 atti a consentire il flusso di gas vettore attraverso la campana. La base 18 aperta dell'elemento campaniforme definisce un'area non superiore ad 1 cm , necessaria per garantire un adeguato flusso di gas del sangue all'interno della campana.
I tubi 17 che collegano tra loro i vari componenti dell'apparecchio sono fatti di PTFE ed hanno un diametro interno di circa 1 mm ed un diametro esterno di circa 1 ,2 mm. Il flusso di gas vettore ha una portata compresa tra 1 e 5 ml/s.
Per analizzare i gas presenti nel sangue per via transcutanea, la sonda 12 di prelievo viene posta su una zona della cute di un paziente preventivamente pulita, ad esempio sul polpastrello del pollice. Un flusso di gas di vettore viene quindi pompato attraverso la sonda per un determinato tempo di misura tM, ad esempio 10 s, durante il quale i gas presenti nel sangue vengono prelevati dalla sonda e trasportati al sensore galvanico 9 colpendo l'elettrodo di misura 7. Nel caso della misura deirammoniaca, una parte delle molecole di ammoniaca entrano in soluzione con rammonio cloruro contenuto nell'estremità dell'elemento filiforme 8 a contatto con l'elettrodo di misura 7, formando ioni NH/ e OH<'>. Gli ioni negativi Off si legano con gli ioni di ferro già in soluzione, alterando così il potenziale redox del semielemento di misura secondo la legge di Nemst. Pertanto il potenziometro 10 collegato agli elettrodi 6, 7 rileva una differenza di potenziale che risulta diversa da quella iniziale e che può essere messa in relazione, tramite opportuna calibratura del sensore galvanico 9, con la concentrazione di ammoniaca presente nei gas del sangue. Successivamente, agendo sul deviatore di flusso 16, il gas vettore viene fatto fluire direttamente verso il sensore per un tempo di recupero tR, ad esempio 50 s, durante il quale si ripristinano le condizioni iniziali del sensore galvanico.
Ripetendo nel tempo i cicli di misura e di recupero del sensore è possibile eseguire in continuo l'analisi dei gas presenti nel sangue, consentendo la diagnosi delle diverse patologie con essi correlabili ed il monitoraggio del paziente.
Le forme realizzative del sensore e dell'apparecchio secondo l’invenzione sopra descritta ed illustrata costituiscono solo un esempio suscettibile di numerose varianti.
In particolare è possibile costruire altre sonde di prelievo in funzione delle zone del corpo scelte per l'analisi dei gas presenti nel sangue, come ad esempio sonde tubolari compatte di gomma siliconica che possono essere inserite nel cavo orale del paziente tra il palato e la lingua.
Claims (18)
- RIVENDICAZIONI 1. Sensore per l'analisi dei gas presenti nel sangue comprendente un condotto (1) atto ad essere attraversato da un flusso di gas e provvisto di un'apertura di ingresso (2) e di un'apertura di uscita (3), un semielemento galvanico di riferimento costituito da un contenitore (4) contenente una soluzione elettrolitica (5) in cui è inserito un elettrodo di riferimento (6), ed un semielemento galvanico di misura, caratterizzato dal fatto che il contenitore (4) è fissato al condotto (1) ed il semielemento galvanico di misura comprende un elettrodo di misura (7) disposto trasversalmente all'asse del condotto (1) ed un elemento filiforme (8) ad elevata capillarità, detto elemento filiforme (8) essendo ancorato al contenitore (4) ed avendo un'estremità (8a) a contatto con l'elettrodo di misura (7) e l'altra estremità (8b) a contatto con la soluzione elettrolitica (5).
- 2. Sensore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il volume di soluzione elettrolitica (5) che bagna l'elettrodo di misura (7) è dell'ordine di 1 μΐ.
- 3. Sensore secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il condotto (1) è costituito da un tubicino di vetro a forma di T, l'ingresso (2) per il gas essendo situato ad un'estremità del tubicino e l'uscita (3) del gas essendo situata sul braccio trasversale (1 a) del tubicino.
- 4. Sensore secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che i gas del sangue contengono ammoniaca e la soluzione elettrolìtica (5) è una soluzione acquosa diluita di ammonio cloruro.
- 5. Sensore secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l'elettrodo di misura (7) è costituito da una barretta metallica.
- 6. Sensore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l'elettrodo di misura (7) è fatto di acciaio inox.
- 7. Sensore secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l'elettrodo di riferimento (6) è costituito da una barretta metallica.
- 8. Sensore secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che l'elettrodo di riferimento (6) è fatto di acciaio inox.
- 9. Sensore secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l'elemento filiforme (8) è fatto di cotone.
- 10. Sensore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l'elemento filiforme (8) è un filo di cotone a treccia.
- 11. Apparecchio per l'analisi dei gas del sangue caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore galvanico (9) secondo qualsiasi rivendicazione da 1 a 10, un potenziometro (10) atto a misurare una differenza di potenziale tra l'elettrodo di misura (7) e l'elettrodo di riferimento (6) del sensore (9) ed un computer (11) atto ad acquisire, memorizzare ed elaborare le misure di differenza di potenziale eseguite da detto potenziometro (10).
- 12. Apparecchio secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una sonda (12) per il prelievo dei gas del sangue, una sorgente (13) di gas vettore collegata ad ima pompa (14) e ad una serie di filtri (15), nonché ad un deviatore di flusso (16) tramite un insieme di tubi (17), detto gas vettore essendo atto a convogliare i gas del sangue attraverso il condotto (1) del sensore (9).
- 13. Apparecchio secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta sonda (12) per il prelievo dei gas è costituita da un elemento campaniforme avente la base (18) aperta ed atta consentire la raccolta dei gas per via transcutanea.
- 14. Apparecchio secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la sonda (12) è provvista anche dì un ingresso (19) ed un’uscita (20) atti a consentire un flusso di gas vettore attraverso detto elemento campaniforme.
- 15. Apparecchio secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la base (18) aperta della sonda (12) definisce un'area non superiore a 1 cm<2>.
- 16. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 12 a 15, caratterizzato dal fatto che detto gas vettore è costituito da aria ambiente.
- 17. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 12 a 16, caratterizzato dal fatto che i tubi (17) che col legano i suoi vari componenti sono fatti di PTFE.
- 18. Apparecchio secondo una delle rivendicazioni da 12 a 17, caratterizzato dal fatto che i tubi (17) hanno un diametro interno di circa 1 miti ed un diametro esterno di circa 1,2 mm.
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