PL222858B1 - Czujnik elektrochemiczny samopolaryzujący do nieinwazyjnego pomiaru prężności tlenu we krwi tętniczej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest czujnik elektrochemiczny samopolaryzujący do nieinwazyjnego naskórnego pomiaru prężności tlenu (pO2) we krwi tętniczej oparty na ogniwie galwanicznym zwanym komorą pomiarową Mackeretha, oraz wyposażony w układ termoregulacji do grzania i termostatowania badanego miejsca obszaru tkankowego skóry i wnętrza czujnika, aby zapewnić wystarczająco dobrą dyfuzję tlenu z krwi z naczyń kapilarnych do komory pomiarowej czujnika.

Dotychczas znane i stosowane czujniki do nieinwazyjnego pomiaru prężności tlenu pO2 we krwi tętniczej metodą naskórną działają na zasadzie opisanej przez Clarka L.C. w artykule „Monitoring and control of blood tissue oxygen”. Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs, 1956, 2,41-8, odnoszącym się do pomiaru pO2 bezpośrednio w krwi metodą in vitro. Później zasada ta została zmodyfikowana, udoskonalona i rozszerzona do nieinwazyjnych pomiarów naskórnych pO2 w krwi tętniczej. Główna modyfikacja czujników naskórnych w stosunku do mierzących pO2 bezpośrednio w krwi polegała na wprowadzeniu układu termoregulacji do podgrzewania obszaru pomiarowego. W czujnikach pO2 opartych na zasadzie Clarka wykorzystuje się zjawiska oksyredukcyjne zachodzące na powierzchni, odpowiednio dobranych i spolaryzowanych z zewnętrznego źródła napięcia, elektrod zanurzonych w odpowiednim wodnym elektrolicie, najczęściej KCl, do którego dyfunduje tlen przez membranę o właściwościach hydrofobowych, tzn. nieprzepuszczającą cząsteczek wody z badanego środowiska. Najczęściej stosowanym materiałem na katodę czujnika jest platyna (Pt) lub złoto (Au) a na anodę srebro (Ag). Taki czujnik pO2 polaryzowany jest napięciem około 0,65 V dla katody Pt i 0,8 V dla katody Au. W pobliżu katody następuje redukcja tlenu zgodnie z reakcją elektrochemiczną:

O2 + 2H2O + 4e 4 OH^-

Natomiast anoda dla elektrolitu KCl z jonami Cl^- jest utleniana według reakcji:

4Ag + 4Cl^- > 4 AgCl + 4e

Wyżej wymienione reakcje są źródłem prądu płynącego między elektrodami takiego czujnika, a wartość natężenia prądu płynącego przez zewnętrzne źródło napięcia polaryzacyjnego jest wprost proporcjonalne do prężności tlenu. Należy zauważyć, że działanie takiego czujnika jest związane z konsumpcją tlenu, którą można ograniczyć przez zmniejszenie powierzchni czynnej katody lub zwiększenie grubości membrany.

Czujniki do naskórnego pomiaru pO2 w krwi tętniczej, oparte na opisanej powyższej zasadzie Clarka, znane są jako wyroby firm HELLIGE, RADIOMETER i DRAEGER, a także z opisu patentowego PL 156 601. Czujnik przedstawiony w tym opisie zawiera anodę wykonaną ze srebra w kształcie grubościennego cylindra, w którym jest osadzona mikrokatoda wykonana z cienkiego drutu platynowego, którego boczna powierzchnia jest izolowana szklaną kapilarą. Czołowa powierzchnia elektrod anody i katody wypełniona jest elektrolitem i osłonięta membraną przepuszczającą tlen, zamocowaną za pomocą gumowego pierścienia. Spolaryzowanie zewnętrznym napięciem dodatnim anody i ujemnym katody o wartości 0,65 V, powoduje w obwodzie źródła napięcia przepływ prądu o natężeniu proporcjonalnym do prężności tlenu występującego na zewnętrznej powierzchni membrany kontaktującej się z powierzchnią skóry. Pomiar tego prądu umożliwia oznaczenie i rejestrację wartości pO2 w sposób ciągły. Dla uzyskania wystarczającej dobrej dyfuzji O2, poprzez skórę i membranę z naczyń kapilarnych, w anodzie czujnika pO2 jest zamontowana grzałka oraz czujnik temperatury umożliwiające grzanie i utrzymywanie miejsca pomiarowego na powierzchni skóry w stałej temperaturze regulowanej w przedziale 37°C do 45°C.

Opisane powyżej dotychczas wytwarzane czujniki elektrochemiczne do nieinwazyjnych pomiarów prężności O2 w krwi tętniczej, oparte na zmodyfikowanej zasadzie Clarka, są atrakcyjne w praktycznym zastosowaniu i posiadają bardzo dobrą liniowość charakterystyki pomiarowej, ale mają też znaczące wady. Elektrolit w wyniku opisanych procesów elektrochemicznych ulega niekorzystnym przemianom, gdyż z czasem, zależnym od ilości tlenu, ilości elektrolitu i temperatury, zanika z elektrolitu chlor i woda i czujnik przestaje działać. Drugą poważną wadą jest pokrywanie się anody srebrnej coraz grubszą warstwą chlorku srebra (AgCl) wydłużającą stałą czasową czujnika aż do całkowitego zablokowania jego pracy. Trzecią bardzo uciążliwą wadą jest pokrywanie się czynnej powierzchni mikrokatody platynowej srebrem co prowadzi do zmniejszenia czułości i potrzeby częstej rekalibracji tych czujników pO2.

Z opisu patentowego GB 999909 znany jest także czujnik elektrochemiczny Mackeretha oparty na ogniwie galwanicznym, zwanym też komorą pomiarową Mackeretha. Czujnik ten przeznaczony jest do pomiaru zawartości tlenu w płynach. Posiada dwie elektrody zanurzone w elektrolicie. Elektroda zewnętrzna jest otoczona membraną z polietylenu lub innego tworzywa, która jest przepuszczalna dla cząPL 222 858 B1 stek tlenu zawartego w badanym płynie. W skład czujnika wchodzi układ pomiaru temperatury i amperomierz połączony z elektrodami. Przenikające przez membranę cząsteczki tlenu powodują różnicę potencjału na elektrodach proporcjonalną do koncentracji tlenu w analizowanym płynie w określonej temperaturze. Czułość czujnika zależy od efektywnej powierzchni elektrody zewnętrznej, co wpływa na stosunkowo duże gabaryty komory pomiarowej. Zaletą czujnika z komorą Mackeretha jest przede wszystkim długi okres eksploatacji bez kalibracji.

Czujniki elektrochemiczne oparte na komorze pomiarowej Mackeretha są stosowane do bezpośrednich pomiarów pO2 w płynach lub gazach dla badań środowiskowych. Zawierają anodę wykonaną z elektrododatnich metali, najczęściej Zn, Cd lub Pb oraz katodę z metali półszlachetnych lub szlachetnych, najczęściej z Ag, Au lub Pt, między którymi znajduje się elektrolit w postaci wodnych roztworów, najczęściej NaCl lub KCl albo Na2CO3, odgrywający ważną rolę w tworzeniu różnicy potencjałów i odizolowany od badanego środowiska za pomocą membrany przepuszczającej tlen.

Czujnik elektrochemiczny samopolaryzujący do nieinwazyjnego naskórnego pomiaru prężności tlenu we krwi tętniczej, wyposażony w korpus, w którym jest umieszczone ogniwo galwaniczne oddzielone od badanego obszaru hydrofobową membraną przepuszczającą cząsteczki tlenu, zamocowaną do korpusu od strony pomiarowej, oraz czujnik temperatury i grzejnik, przy czym ogniwo składa się z anody z metalu lub ze stopu metalu, izolowanej od strony bocznej katody ze szlachetnego lub półszlachetnego metalu, i elektrolitu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w korpusie jest osadzona jednolita wkładka w kształcie walca, wykonana z dielektryka o dobrej przewodności cieplnej, zwłaszcza z ceramiki, wewnątrz której jest umieszczona anoda i katoda, przy czym grzejnik jest zamocowany na obwodzie wkładki, czujnik temperatury jest osadzony w tylnej części wkładki, hydrofobowa membrana jest zamocowana od strony czołowej wkładki, a przestrzeń pomiędzy elektrodami, czołową częścią wkładki i membraną, jest wypełniona elektrolitem.

Korzystnym jest, jeżeli anoda i katoda są umieszczone w przelotowych gniazdach wykonanych pomiędzy czołową i tylną ścianką wkładki, zaś na obwodzie wkładki jest zaciśnięta w korpusie uszczelka pierścieniowa usytuowana pomiędzy membraną a grzałką.

Korzystnym jest także, jeżeli katoda jest wykonana z drutu srebrnego umieszczonego w szklanej kapilarze izolacyjnej osadzonej w osi wkładki.

Czujnik według wynalazku jest oparty na komorze pomiarowej Mackeretha, wyposażonej ponadto w układ termoregulacji do grzania służący do ogrzania i termostatowania badanego obszaru tkankowego, a jednocześnie do utrzymywania optymalnej temperatury w obszarze ogniwa galwanicznego. Zastosowana wkładka pełni rolę elementu grzejnego o stabilizowanej temperaturze, wykonanego z materiału dobrze przewodzącego ciepło i będącego dobrym izolatorem elektrycznym. Wkładka wykonana z ceramiki zapewnia dużą trwałość i odporność na działanie czynników zewnętrznych i samego elektrolitu. Taki czujnik jest w dużym stopniu wolny od wad czujnika działającego na zasadzie Clarka, chociaż reakcja elektroniczna przy katodzie jest podobna i każda cząsteczka O2 wytwarza 4 jony OH^-. Jednak wadliwe trzy zjawiska występujące w czujniku według zasady Clarka, prowadzące do obniżania czułości, zwiększania stałej czasowej i wreszcie blokowanie pomiaru, są w tym przypadku zredukowane do prawie niezauważalnych.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia czujnik w przekroju przechodzącym przez oś wkładki.

Czujnik elektrochemiczny samopolaryzujący ma korpus 1, w którym jest umieszczone ogniwo galwaniczne oddzielone od badanego obszaru hydrofobową membraną 5 przepuszczającą cząsteczki tlenu, zamocowaną do korpusu 1 od strony pomiarowej, oraz czujnik temperatury 8 i grzejnik 2. W skład ogniwa wchodzi anoda 3 z metalu lub ze stopu metalu, oraz izolowana od strony bocznej katoda 4 ze szlachetnego lub półszlachetnego metalu. Anoda 3 i katoda 4 są umieszczone wewnątrz jednolitej wkładki 7 w kształcie walca, w przelotowych gniazdach wykonanych pomiędzy czołową i tylną ścianką wkładki 7. Wkładka 7 jest wykonana z dielektryka o dobrej przewodności cieplnej i dobrej izolacji elektrycznej, zwłaszcza z ceramiki ALN. Grzejnik 2 jest zamocowany na obwodzie wkładki 7, membrana 5 jest zamocowana od strony czołowej wkładki 7, a czujnik temperatury 8 jest osadzony w tylnej części wkładki 7, po stronie przewodów elektrycznych zamocowanych w korpusie 1, doprowadzonych do elementów pomiarowo-kontrolnych czujnika. Przestrzeń pomiędzy elektrodami, czołową częścią wkładki 7, i hydrofobową membraną 5 jest wypełniona elektrolitem 6. Membrana 5 jest zamocowana do korpusu 1 od strony pomiarowej za pomocą kołnierza. Za pomocą tego samego kołnierza na obwodzie wkładki 7 jest zaciśnięta w korpusie 1 uszczelka pierścieniowa usytuowana pomiędzy membraną 5 a grzałką 2.

Dla zapewnienia prawidłowego działania czujnika niezbędne jest ogrzewanie wkładki 7 i stabilizowanie jej temperatury w żądanym zakresie. Pomiar i regulacja temperatury wkładki 7 są dokonywane za

PL 222 858 B1 pomocą czujnika temperatury 8, w postaci termistora. Układ elektroniczny do termoregulacji, nie uwidoczniony na rysunku, otrzymuje sygnał elektryczny z czujnika temperatury 8 proporcjonalny do temperatury wkładki 7 i reguluje przepływ prądu przez grzejnik 2 wykonany z drutu oporowego, aby utrzymać temperaturę wkładki 7 z założoną dokładnością. Wkładka 7 zapewnia dobre przewodnictwa ciepła z grzejnika 2 do badanego obszaru skóry, a jednocześnie zapewnia odizolowanie od siebie elementów pomiarowokontrolnych zamontowanych we wkładce 7. Konstrukcja z wkładką 7 umożliwia miniaturyzację czujnika z ogniwem galwanicznym. Prototypowa konstrukcja czujnika miała wkładkę 7 o średnicy około 10 mm, anodę wykonaną z cynku z drutu o średnicy około 1,5 mm, a katoda 4 została wykonana z drutu srebrnego o średnicy 50 μm umieszczonego w szklanej kapilarze izolacyjnej osadzonej w osi wkładki 7.

Czujnik działa następująco. Napięcie wewnętrzne powstałe w wyniku procesu polaryzacji elektrod, dodatnie anody 3 i ujemne katody 4, powoduje przepływ prądu czujnika o natężeniu proporcjonalnym do prężności tlenu na zewnątrz membrany 5, pozostającej w kontakcie z powierzchnią badanego miejsca skóry. Dla ułatwienia dyfuzji tlenu przez skórę organizmu, membrana 5 jest podgrzewana i utrzymywana w stabilizowanej temperaturze 39-44°C. Przebieg wartości prądu czujnika po przetworzeniu umożliwia ciągły pomiar i rejestrację prężności tlenu w krwi tętniczej.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Czujnik elektrochemiczny samopolaryzujący do nieinwazyjnego naskórnego pomiaru prężności tlenu we krwi tętniczej, wyposażony w korpus, w którym jest umieszczone ogniwo galwaniczne oddzielone od badanego obszaru hydrofobową membraną przepuszczającą cząsteczki tlenu, zamocowaną do korpusu od strony pomiarowej, oraz czujnik temperatury i grzejnik, przy czym ogniwo składa się z anody z metalu lub ze stopu metalu, izolowanej od strony bocznej katody ze szlachetnego lub półszlachetnego metalu, i elektrolitu, znamienny tym, że w korpusie (1) jest osadzona jednolita wkładka (7) w kształcie walca, wykonana z dielektryka o dobrej przewodności cieplnej, zwłaszcza z ceramiki, wewnątrz której jest umieszczona anoda (3) i katoda (4), przy czym grzejnik (2) jest zamocowany na obwodzie wkładki (7), czujnik temperatury (8) jest osadzony w tylnej części wkładki (7), hydrofobowa membrana (5) jest zamocowana od strony czołowej wkładki (7), a przestrzeń pomiędzy elektrodami, czołową częścią wkładki (7) i membraną (5), jest wypełniona elektrolitem (6).

2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że anoda (3) i katoda (4) są umieszczone w przelotowych gniazdach wykonanych pomiędzy czołową i tylną ścianką wkładki (7), zaś na obwodzie wkładki (7) jest zaciśnięta w korpusie (1) uszczelka pierścieniowa usytuowana pomiędzy membraną (5) a grzałką (2).

3. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że katoda (4) jest wykonana z drutu srebrnego umieszczonego w szklanej kapilarze izolacyjnej osadzonej w osi wkładki (7).