SE439548B - Forfarande vid bestemning av syrgaspartialtrycket i ett medium for kompensering av drift hos syrgaselektroden samt anordning for genomforande av forfarandet - Google Patents

Description

aooeszu-3 10 15 20 25 50 55 molekylärt syre. Sålunda är endast en del av den totala laddning som överföras till cellen under en spänningspuls, en funktion av syrekonsentrationen i elektrolyten. Efter spänningspulsen återföres laddningen från cellen, varvid storleken av den så återförda laddningen är tillnärmelsevis oberoende av syrgaspartialtrycket. Den från cellen åter- förda laddningen är i första hand förorsakad av urladdningen av dubbelskiktet. Eftersom den från cellen àterförda ladd- ningen är tillnärmelsevis oberoende av syrekonsentrationen, medan den till cellen avgivna laddningen är beroende av syrekonsentrationen, är skillnaden mellan de båda ladd- ningarna proportionellt mot syrgaspartialtrycket (pO2) i lösning. Användningen av denna skillnad för bestämning av pO2 kallas nettoladdningsöverföringstekniken. Denna skill- nad mellan den till cellen avgivna laddningen och den från cellen återförda laddningen är emellertid utsatt för allvar- liga störningar som följd av drift hos syreelektroden, Änd- ringar i storleken av den av cellen återförda laddningen från puls till puls är sålunda förorsakade av ändringar i elektro- derna själva, vilket ger upphov till drift i mätningen, efter- som den återförda laddningen är tillnärmelsevis oberoende av den mätta storheten, nämligen syrgaspartialtrycket i lösningen.

Driften eller åldringen hos syreelektroder har flera or- saker. En orsak till sådan drift är utfällningen av olösliga salter på elektrodytorna, vilket reducerar elektrodernas effektiva area. En annan orsak är attraktion av stora protein- molekyler till katoden. Trots att stora ansträngningar gjorts att minimera denna drift hos elektroderna, har det ej varit möjligt att helt eliminera densamma. Hittills har denna elektrod- drift gjort det nödvändigt att med täta mellanrum kalibrera och omkalibrera mätinstrumentet, vilket avsevärt minskat den praktiska möjligheten att mäta syrgaspartialtryck med använd- ning av en elektrokemisk cell. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en mätanordning och ett mätförfarande av det in- ledningsvis angivna slaget för bestämning av syrgaspartial- tryck, som ger en kontinuerlig kompensering för elektroddriften. 10 15 20 25 40 800663¿v3 Det kännetecknande för uppfinningen framgår av de bifogade patentkraven.

Vid uppfinningen-anslutes sålunda suocesiva spännings- pulser över cellen, så att ström bringas att flyta genom cellen. För varje spänningspuls mätes skillnaden mellan storleken av den till cellen avgivna laddningen under spänningspulsen och storleken av den laddning som åter- vänder frân cellen efter spänningspulsen. Denna laddnings- skillnad anger ett okorrigerat värde på syrgaspartialtrycket.

Enligt uppfinningen åstadkommes en kompensation för elektroddrift hos cellen, genom att nämnda laddningsskillnad multipliceras med en funktion av en korrektionsfaktor, som härledes från variationen mellan en första kortvarig vågform, som representerar den från cellen återvändande laddningen som funktion av tiden efter en första spänningspuls, och en andra kortvarig vàgform, som representerar den från cellen åter- vändande laddningen som funktion av tiden efter en efterföljan- de spänningspuls.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen utgöres korrektionsfaktorn av den procentuella ändringen, som är lika med kvoten mellan den från cellen återvändande laddningens storlek efter en första spänningspuls minus storleken av den från cellen återvändande laddningen efter en efterföljande spänningspuls och storleken av den från cellen återvändande laddningen efter den första spänningspulsen. Den funktion av denna korrektionsfaktor, som multipliceras med laddnings- skillnaden för erhållande av det korrigerade värdet för syr- gaspartialtrycket, utgöres av korrektionsfaktorn plus ett.

Vid denna utföringsform bestämmas storleken av den laddning som avgives till cellen under en av spänningspulserna, genom integrering av strömvâgformen under varaktigheten av spännings- pulsen, medan storleken av den från cellen återvändande ladd- ningen efter spänningspulsen bestämmes genom integrering av strömvågformen från spänningspulsens slut under en tid som ör lika med tiden för den första integrationen.

I det följande skall uppfinningen beskrivas mera i detalj i anslutning till bifogad ritning, i vilken Fig. l schematiskt illustrerar en transkutan syregivare; Fig. 2 är ett diagram visande en polariserande puls, som alstras av elektronikdelen i den i Fig. l visade givaren; 10 15 20 25 SO 55 800663lr3 Fig, 5 är ett diagram illustrerande vågformen för strömmen genom den elektrokemiska cellen; Fig. 4 är ett blockschema för en anordning enligt upp- finningen för mätning av syrgaspartialtryck; och Fig. 5 är ett blockschema illustrerande en analog ut- formning av uppfinningen.

Fig. l illustrerar schematiskt en anordning för trans- kutan detektering av syrgaspartialtrycket i blodet hos en patient. En syregivare 10 placeras så, att dess membran ll är i kontakt med patientens hud 12. Nembranet ll tillåter syre, som avgives genom huden 12, att komma in i givarens kammare 13. Ett lämpligt membran består av hydroxypropyl metakrylat. Inuti givarens kammare 15 finnes en anod 14 och en katod 15, som är nedsänkta i en elektrolyt, exempelvis en buffrad lösning av kaliumklorid. En lämplig katod består av guld, medan en lämplig anod är tillverkad av en komposition av silver och silverklorid. Syregivaren 10 utgör sålunda en elektrokemisk cell. En typisk givare innefattar ocksâ, ehuru É det ej visas i ritningen, en uppvärmningsanordning och en termistor för mätning av temperaturen. Uppvärmningsanordningen värmer huden, så att syrepassagen genom huden förstärkes. [ En lämplig temperatur är cirka 4500.

Givaren 10 drives från en elektronisk styrenhet 16. Denna styrenhet 16 har väsentligen tre funktioner med avseende pà mätningen av det molekylära syrepartialtrycket. Den första funktionen är att reglera givarens temperatur på ett konstant värde med användning av en kombination av ett uppvärmningsmot- stånd och en termistor. Den andra funktionen är att över anoden 14 och katoden 15 ansluta kantvågsformade polariserande spännings- pulser Vp, sâsom.visat i Fig. 2. Den tredje funktionen är att avkänna strömflödet genom cellen lO såväl under som efter pola- riseringspulserna och att på grundval av detta strömflöde alstra ett korrigerat värde för syrgaspartialtrycket. Fig. 3 visar representativa vágformer för strömflödet som följd av poleri- seringspulserna Vp i Fig. 2.

Fig, 2 visar två representativa spänningspulser Vp, som har ett från noll avvikande värde endast mellan tidpunkterna 10 15 20 800663ë~3 O och tl resp t3 och t4. Dä en sådan spänningspuls angluteß över en elektrokemísk cell, som är anordnad att vara i kon- takt med molekylärt syre i en lösning, flyter en uppladd- ningsström I genom kretsen, vilken ström representerar den laddning som avgives till cellen. Vid tidpunkten tl, då spänningspulsen Vp har blivit noll, återger cellen laddning till den yttre kretsen, vilket ger upphov till den mellan tidpunkterna tl och tg visade urladdningsströmmen. Den till cellen medelst pulsen Vp a givna laddningen kan sålunda angivas medelst uttrycket ti I dt ; medan den från cellen âterförda laddningen, sedan Vp blivit noll, kan angivas med uttrycket '-'-' Nettoladdningen, som är proportionell mot syrgaspartial~ trycket i lösningen p02, är sålunda tl t2 p020¿JIdt-jIdt. o tl Såsom tidigare nämnts, är detta mätvärde utsatt för fel som följd av elektroddrift, exempelvis förorsakad av kontami- nering av elektroderna, som reducerar elektrodernas effektiva area. Denna drift kan detekteras genom jämförelse mellan de 10 15 20 800663lv3 urladdningsvågformer, dvs. strömvâgformer' som följdav av cellen återlämnade laddningen, som alstras av succesiva spänningspulser. Såsom tidigare nämnts, är urladdningsvåg- formerna väsentligen oberoende av värdet på p02. Vid frå - varo av elektroddrift skulle sålunda urladdningsvágformen från tl till t2 vara praktiskt taget identisk med urladd- ningsvågformen från t4 till t5, även om värdet för pO2 hade ändrats under tiden mellan de båda spänningspulserna. Om det föreligger en variation i urladdningsvågformerna mellan tl och t2 respektive t4 och t5, så har det följaktligen förelegat en elektroddrift. Enligt uppfinningen användes en korrektionsfaktor, som härledes ur variationen i urladdnings- vågformerna, för modifiering av mätvärdet för pO2. En lämplig variation mellan urladdningsvägformerna för härledning av en korrektionsfaktor är den procentuella ändringen i storleken av den laddning som återlämnas av cellen för succesiva spännings- pulser. En lämplig korrektionsfaktor C kan således angivas med uttrycket “Éz tå /irl dt - //f I dt ti J°4 C = *z I dt *i Hed denna korrektionsfaktor blir det korrigerade värdet för pO2 vid tidpunkten för strömpulsen P02 korr. <>< [flïat - tfwïat] f 1+cj 10 15 25 8006631+~3 Fig. 4 är ett blockschema för det totala elektroniska systemet enligt föreliggande uppfinning, som realiserar den ovan i samband med Fig. 2 och 3 diskuterade korrigeringa- tekniken.

Styrelektroniken innefattar fem moduler och två separa- ta spänningsmatningsenheter. En mikrodator, Texas Instruments 9900, innefattar en central processenhet 20 och ett ingångs- utgångs-gränssnitt 21 av konventionellt utförande. Den centrala proeessenheten 20 utgöres av en Texas Instruments 100/H-panel.

En alphanumerisk presentationsenhet 22 utgöres av en självav- sökande bildskärm med en maximal kapacitet om 64 tecken (4 rader om 16 tecken). Inmatningen till systemet åstadkommas medelst ett hexadecimalt tangentbord 23 med 16 tangenter.

En elektrodpanel 24 innehåller de analoga kretsarna, som tjänar som gränssnitt för givarens elektroder. I det visade exemplet kan tvâ givarelektroder anslutas, En konven- tionell oisolerad spänningskälla 25 användes för matning av samtliga elektronikenheter med undantag av elektrodpanelen 24. Elektrodpanelen 24 matas från en isolerad spänningskälla 26, som har en optisk isolering på samtliga digitala ledningar, för att det skall säkerställas, att patienten är isolerad från spänningskällan. Hela elektroniksystemet enligt Fig. 4 är konstruerat att överträffa gällande säkerhetsbestämmelser.

Elektrodpanelen 24 i Fig. 4 ansluter de kantvâgsformade pola- riseringsspänningspulserna till givarens anod och katod och detekterar vâgformerna för den genom givarkretsen flytande strömmen. Detta sker under styrning från den centrala process- enheten 20.

Mikrodatorn med den centrala processeneheten 20 lagrar det totala programmet för syrgasmätningssystemets funktion.

Flera konventionella subrutiner åstadkommer den önskade korrek- tionen för elektroddriften. För varje polariseringspuls samplar en samplingsrutin både strömvågformen för polariseringen och strömvàgformen för dipolariseringen eller urladdníngen och placerar etthundra digitaliserade värden i ett buffertminre.

På grundval av den i buffertminnet lagrade datan beräknar därefter en integrationssubrutin areorna under laddninys- eller polariseringsvågformen och under dipolariserings- eller u_- laddningsvágformen. Dessa areor representerar den nettoladd- 10 15 20 25 50 55 800663h~3 ning som överföres till den elektrokemiska cellen resp den nettoladdning som återlämnas från den elektrokemiska cellen under inverkan av en polariseringspuls. Skillnaden mellan dessa båda areor är proportionell mot det okorrigerade värdet för syrgaspartialtrycket. Detta mätvärde för pO2 tillsammans med arean under urladdningsvâgformen för den aktuella poleri- seringspulsen tillföres därefter en korrigeringssubrutin.

I denna subrutin finnes redan lagrad arean för urladdnings- vågformen från en tidigare polariseringspuls, vilken area tjänar som.en referens] Korrektionesalgoritmen åstadkommer två saker. För det första bestämmer den, huruvida arean under urladdningsvågformen för den aktuella pulsen avviker från den motsvarande arean för referenspulsen med mer än 10%.

Om så är fallet, indikeras detta för operatören på bild- skärmen 22. Om skillnaden är mindre än 10%, bildar denna procentuella ändring den önskade korrektionsfaktorn, eftersom varje ändring i urladdningsvågformens area är resultatet av elektroddrift, eftersom den från cellen âterlämnade laddningen är tillnärmelsevis oberoende av syrgaspartialtrycket. Det okorrigerade värdet för syrgaspartialtrycket multipliceras därefter med nämnda korrektionsfaktor plus ett, så att det korrigerade mätvärdet för syrgaspartialtrycket erhålles. Éhuru variationen hos storleken av den av cellen återlämnade ladd- ningen för succesiva pulser åstadkommer den enligt uppfinningen föredragna korrektionsfaktorn, skall det observeras, att även andra indikeringar om vågformens variation kan utnyttjas enligt uppfinningen. _ Ehuru det är att föredraga, att beräkningen av det korri- gerade värdet för syrgaspartialtrycket genomföras digitalt på ovan beskrivet sätt, kan uppfinningen även tillämpas med användning av konventionell analog teknik.

Fig. 5 visar en sådan analog utföringsform. Signalen från syrgaselektroden integreras först medelst en integrator 50, så att man erhåller det okorrigerade värdet för syrgas- partialtrycket; 10 20 25 800663423 10 PÛZ = där en polariserande spänningspuls anslutits till elektroderna under tidsíntervaller från to till tl, Én andra integrator 51 integrerar signalen från elektroden endast under den tids- period efter pulsen, tl till t2, då laddningen återlämnas från cellen till den yttre kretsen. Detta värde hâlles kvar i en sampel-håll-krets 32, För nästa polairseringspuls alstrar integratorn 31 värdet för den till den yttre kretsen frân cellen âterlämnade laddningen för denna-nästa puls.

Dessa båda värden, som representerar storleken av den till den yttre kretsen från cellen áterlämnade laddningen efter på varandra följande spänningspulser, subtraheras från varand- ra medelst en subtraktíonskrets 35. Den så erhållna skillnaden divideras därefter med det första, i kretsen 52 lagrade vär- det med hjälp av en divideringskrets 34. Utgângssignalen från divideringskretsen 54 är den i det föregående definierade korrektionsfaktorn C. Utgêngssignalen från divíderingskretsen 54 multipliceras med utgdngssienalen från integratorn 30 i en multipliceringskrets 34. Utgångssignalen från multiplicerings- kretsen 55 adderas därefter till utgångssignalen från inte- gratorn 30 medelst en additionskrets 56, så att det korrigerade värdet för syrgaspartialtrycket erhålles.

Avdfi;fikqåæmefmm$k,afiwwpümümængmraxmm- tinuerlig kompensering för elektroddriften vid bestämning av syrgaspartialtrycket med användning av nettoladdningstransport- tekniken.

Claims (8)

1. 8006634 '-3 10 Patentkrav _ l, Anordning för mätning av syrgaspartialtryck, inne- dfattande en elektrokemisk cell (10) men en anod (14) och en katod (15) nedsänkta i en elektrolyt, vilken cell är anordnad att vara i kontakt med det syre vars partialtryck skall bestämmas, organ (16) för anslutning av på varandra 'följande spänningspulser över cellen, och organ anordnade att för var och en av nämnda pulser bestämma skillnaden mellan storleken av den till cellen under pulsen avgivna laddningen och storleken av den från cellen efter pulsen âterlämnade laddningen, vilken skillnad anger ett okorrigerat värde på syrgaspartialtrycket, k ä n n e t e c k n a d av att den vidare innefattar organ anordnade att multplicera nämnda skillnad ~ med en funktion av en korrektionsfaktor, somnar härledd från variationen mellan en första kortvarig vågform representerande den från cellen återlämnade ladd- ningen som funktion av tiden efter en första spänningspuls och en andra kortvarig vågform representerande den från cellen återlämnade laddningen som funktion av tiden efter en efterföljande spänningspuls.

2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att korrektionsfaktorn innefattar den procentuella ändringen, som är lika med kvoten mellan storleken av den från cellen efter en första spänningspuls återlämnade laddningen minus storleken av den från cellen efter en efterföljande spännings- puls återlämnade laddningen och storleken av den av cellen efter den först nämnda spänningspulsen återlämnade laddningen. _ 5.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda funktion av korrektionsfaktorn utgöres av nämnda korrektionsfaktor plus ett.

4. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av ¶ att storleken av den till cellen under en spänningspuls av- givna laddningen bestämmas genom integrering av laddnings- strömmens vågform under spänningspulsens varaktighet, och att storleken av den från cellen efter en spänningspuls åter- ooossza-3 ll lämnade laddningen bestämmes genom integrering av urladd- ningströmmens vågform under en tid som är lika läng som spänningspulsens varaktighet.

5. Förfarande för bestämning av syrgaspartialtrycket i ett medium med användning av en elektrokemisk cell inne- fattande en anod och en katod nedsänkta i en elektrolyt och anordnad i kontakt med det syrgas innehållande mediet, var- vid på varandra följande spänningspulser anslutes över den _elektrokemiska cellen och man för varje sådan puls bestämmer skillnaden mellan storleken av den till cellen under en spän- ningspuls avgivna laddningen och storleken av den från cellen efter spänningspulsen àterlämnade laddningen, vilken skillnad cutgör ett mått på syrgaspartialtrycket, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda skillnad korrigeras för kompensering av drift hos den elektrokemiska cellen, genom att skillnaden multipliceras med en funktion av en korrektionsfakton som härledes från variationen mellan en första kortvarig vågform representerande den från cellen återlämnade laddningen som funktion av tiden efter en första spänningspuls och en andra kortvarig vàgform representerande den från cellen âterlämnade laddningen som en funktion av tiden efter en efterföljande spänningspuls.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a't av att som korrektionsfaktor användes den procentuella ändring som är lika med kvoten mellan storleken av den från cellen efter en.första spänningspuls återlämnade laddningen minus storleken av den från cellen efter en efterföljande spännings- puls återlämnade laddningen och storleken av den från cellen efter nämnda första spänningspuls àterlämnade laddningen.

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a't av att nämnda funktion av korrektionsfaktorn utgöres av korrek- tionsfaktorn plus ett.

8. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a't av att storleken av den till cellen under en spänningspuls avgivna laddningen bestämmas genom integrering av laddningsströmmens vägform under spänningspulsens varaktighet, och att storleken av den från cellen efter en spänningspuls återlämnade laddningen bestämmas genom integrering av urladdningsströmmens vågform _ under en tidsperiod som är lika lång som epänningspulsens varak- tighet.