DE2906201A1

DE2906201A1 - Einrichtung fuer transkutane elektrochemische bestimmung des partialdrucks des sauerstoffs im blut

Info

Publication number: DE2906201A1
Application number: DE19792906201
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Kimmich
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Honeywell BV
Priority date: 1978-02-20
Filing date: 1979-02-17
Publication date: 1979-08-23
Also published as: US4252123A; DE2906201C2; AU4433079A; GB2014739A; SE7901377L; JPS54123280A; FR2417773A1; IT1166640B; NL7801869A; CA1137169A; AU521361B2; GB2014739B; IT7920294A0

Description

Einrichtung für transkutane elektrochemische Bestimmung des Partialdrucks des Sauerstoffs im Blut

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für transkutane elektrochemische Bestimmung des Partialdrucks von Sauerstoff im Blut des Menschen oder des Tieres, mit einem Meßkopf mit einer mit Elektroden ausgerüsteten Meßzelle_r die eine an die Haut zu stellende, mit Hilfe eines elektrischen Heizelements erwärmbare Oberfläche besitzt«

Eine derartige Einrichtung ist aus der niederländischen Patentanmeldung 152 084 bekannt* Die MeßzellLe enthalt eine Meßelektrode, beispielsweise aus Platin* und eine Referenzelektrode, beispielsweise aus Silber/Silberchlorid. Diese Elektroden befinden sich in einem Elektrolyten, beispielsweise

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aus KCl-Lösung, das von der Außenwelt durch eine für Sauerstoff durchlässige Membrane getrennt ist. Sine derartige Heßzelle ist unter dem Namen Clarksches Normalelement bekannt. Bei der bekannten Einrichtung ist das Clarksche Normalelement weiterhin mit einem Heizelement versehen, mit dem die an die Haut zu stellende Oberfläche erwärmt werden kann. Der Zweck davon ist einerseits das Aufweiten peripherer Blutgefäße, so daß die Durchblutung erhöht wird und an Ort und Stelle das periphere Blutgefäßnetz faktisch mit arteriellem Blut gefüllt wird, und zum anderen die Beschleunigung der Sauerstoffdiffusion durch die Haut. Hierdurch wird eine bessere Korrelation zwischen dem arteriellen parifeilen Sauerstoffdruck und dem transkutan gemessenen Sauerstoffdruck erhalten, wie mit Versuchen nachgewiesen worden ist. Eine nähere Betrachtung der verschiedenen Faktoren, von denen der transkutan gemessene Sauerstoffdruck abhängig ist, lehrt jedoch^ daß diese Korrelation nur dann richtig ist, wenn diese Faktoren gegenseitig ihren Einfluß mehr oder weniger zufällig aufheben.

In arteriellem Blut besteht ein Gleichgewicht zwischen dem Prozentsatz des Hämoglobins, das oxydiert ist, und dem Partialdruck des Sauerstoffs. Wenn das Blut erwärmt wird, verschiebt sich dieses Gleichgewicht derart, daß der Partialdruck des Sauerstoffs ansteigt. Beim beschriebenen Meßverfahren ist der Partialdruck des Sauerstoffs in den peripheren Blutgefäßen also höher als in den Arterien. Bei der Diffusion durch die Haut hindurch benötigen die Hautzellen Sauerstoff, so daß der Sauerstoffdruck an der Oberhaut niedriger als in den peripheren Blutgefäßen ist. Schließlich verbraucht auch die Meßzelle eine gewisse Sauerstoff menge. Wenn sich alle diese Einflüsse gerade aufheben, ist der gemessene Partialdruck des Sauerstoffs gleich dem arteriellen Sauerstoffdruck.

Die Praxis hat gezeigt, daß diese Korrelation bei einer PHN 9041 - 4 -

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Hauttemperatur von 43°C noch mangelhaft ist und bei 44⁰C oft richtig. Eine höhere Temperatur verursacht Schmerzen und Verbrennungen der Haut. Auch können bei 44⁰C Reizungserscheinungen auftreten, wenn die Messung einige Stunden oder langer dauert.Deshalb ist es üblich, den Meßkopf nach jeweils 2 Stunden auf einen anderen Teil der Haut zu verschieben, wodurch eine zusätzliche Belastung für den Arzt oder den Pfleger entsteht und außerdem die Fehlerchancen vergrößert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die ohne Bedenken längere Zeit an einer Stelle verwendet werden kann und es außerdem ermöglicht, den Einfluß mindestens einer Anzahl der Faktoren, die die Korrelation zv/ischen dem gemessenen Sauerstoffdruck und dem reellen arteriellen Sauerstoffdruck beeinflussen, gesondert festzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Meßkopf mit mindestens drei Meßzellen ausgerüstet ist, die mit je einem eigenen Erwärmungselement versehen sind, daß die Elektroden jeder Meßzelle einen Teil einer gesonderten Meßschaltung bilden und daß die Erwärmungselemente mit einer Speiseschaltung verbunden sind, die die Erwärmungselemente periodisch einschaltet, mit einer Einschaltdauer T^ und mit einer Pausenzeit T₂ zwischen zwei Einschaltungen, wobei T^ und Tp für alle Erwärmungselemente gleich sind und die Einschaltung eines Erwärmungselementes um den Zeitraum T₁₊T₂

— später anfängt als die Erregung des vorangehenden

Erwärmungselements, wobei η die Anzahl der Erwärmungselemente ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzellen in einem Körper mit mangelhafter Wärmeleitung montiert sind,

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wobei die erwärmbare Fläche der Meßzellen nahezu in der gleichen Ebene liegt wie eine Fläche des Körpers, die von einer in dex/gleichen Ebene liegenden, auf der Haut anzulegenden unerwäraiten Oberfläche einer ringförmigen Meßzelle umgeben ist, die zusammen mit dem Körper in einem Gehäuse enthalten ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch die Haut mit einem ■ darauf angebrachten Meßkopf für die Messung des Partialdrucks des Sauerstoffs,

Fig. 2 ein Diagramm, das schematisch das Gleichgewicht zwischen dem Oxydationsgrad des Hämoglobins und dem Partial·- druck des Sauerstoffs darstellt,

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs des Partialdrucks von Sauerstoff zwischen einer Arterie und einem Meßkopf,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Meßkopfs für eine Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Unteransicht des in Fig. 4 dargestellten Meßkopfs,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung der Einrichtung nach Fig. 6, und

Fig. 8 eine Wiedergabe einer Meßkurve.

Zur Erläuterung der bei der transkutanen Messung des arteriellen Sauerstoffdrucks auftretenden Probleme ist in Fig. 1 sehr schematisch die Lage eines auf der Haut angebrachten Meßkopfs 1 dargestellt, der über ein Kabel 3 mit einer Meß- und Speiseschaltung (in Fig. 1 nicht dargestellt) verbunden ist. Über eine Schlagader (Arterie) 5 gelangt sauerstoffreiches Blut, dessen Partialdruck des Sauerstoffs man messen möchte, in ein Bett peripherer Gefässe 7, in dem Sauerstoff an das

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umgebende Gewebe 9 abgegeben wird. Das Blut fließt anschließend über eine Ader (Vene) 11 ab. Der an das Gewebe 9 abgegebene Sauerstoff diffundiert über eine Schicht lebender Zellen in eine Schicht toter Zellen 15 und erreicht schließlich den Meßkopf 1.

Da in den pheripheren Gefäßen 7 Sauerstoff an das Ge^^ebe abgegeben wird, ist der Partialdruck des Sauerstoffs in diesen Gefäßen im allgemeinen niedriger als der in der Arterie 5. Man kann jedoch erreichen, daß auch die peripheren Gefäße 7 mit arteriellem Blut gefüllt werden, indem das Gewebe 7 erwärmt wird, wodurch sich die peripheren Gefäße soweit aufweiten, daß der Abfall des Partialdrucks des Sauerstoffs im Blut infolge der schnellen Durchflutung vernachlässLgbar klein wird. Dabei tritt jedoch ein anderer Effekt auf, der anhand der Fig. 2 näher erläutert wird.

Im Blut besteht ein Gleichgewicht zwischen dem Partialdruck des Sauerstoffs P(O₂), der Konzentration oxydierten Hämo^- globins C(HbO) und der Konzentration des oxydierten Hämoglobins C(Hb). Der Prozentsatz des Hämoglobins, das oxydiert ist, wird mit Sättigung S(O₂) bezeichnet:

) - C(HbO) ν

Der Zusammenhang zwischen S(O₂) und P(O₂) ist in Fig. 2 bei Temperaturen von 37°C (ausgezogene Kurve) und 42°C (strichpunktierte Kurve) dargestellt. Für normales venöses Blut liegt das Gleichgewicht etwa bei dem mit V bezeichneten Punkt und für normales arterielles Blut ungefähr bei dem mit A bezeichneten Punkt. Aus der Figur ist klar, daß bei gleichbleibender Sättigung der Partialdruck des Sauerstoffs um einen Betrag AP₁ ansteigt, wenn das Blut erwärmt wird. Die Folge davon ist, daß der Partialdruck des Sauerstoffs im Gewebe 9 höher ist als wenn die peripheren Gefäße 7 mit

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arteriellem Blut von 37°G gefüllt wären. In Fig. 3 ist in horizontaler Richtung der ^rfeg der Arterie 5 zum Meßkopf 1 aufgetragen (nicht maßstabsgerecht) und in vertikaler Richtung der Sauerstoffdruck. Der arterielle Sauerstoffdruck ? (Op) wird \ile in obiger Beschreibung durch die Erwärmung des Bluts in den peripheren Gefäßen um einen Betrag&P,, erhöht. Im Corium 13 verbrauchen die lebenden Zellen Sauerstoff, wodurch eine Herabsetzung des Sauerstoffdrucks um einen.Betrag von & P₂ entsteht.

Der Sauerstoffdruck an der Stelle der Epidermis 15 ist also P (O₂)'+ /^P₁ ~Δ^Ρ2' ^{Es ist der Drucli: p} _mi(°2^' ^{der mi}'^fc einem idealen Meßkopf gemessen werden würde. Kin idealer Meßkopf ist ein Meßkopf, der selbst keinen Sauerstoff ver-. braucht und vollkommen leckfrei auf der Haut angebracht \tfird, so daß kein Luftsauerstoff zutreten kann. Dabei wird ebenfalls angenommen, daß kein Lecken seitwärts durch die Haut hindurch auftritt. ¥enn doch Luftsauerstoff zutritt, wird der Druck P_mi(O₂) nochmals um einen Betrag AP_mT erhöht und wenn der Meßkopf doch Sauerstoff verbraucht, wird dieser Druck noch einmal um einen Betrag AP„. herabgesetzt, und dadurch ist der gemessene Gesamtsauerstoffdruck gleich

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Bei der Verwendung bekannter Einrichtungen zum transkutanen Messen von P_a(0₂) geht man davon aus, daß

AP₁ - AP_{2 +} £P_ml-4P_mc = o (2)

Diese Annahme kann nachgewiesen werden, indem P„(0_Q) auch auf andere Weise gemessen wird, beispielsweise durch Blutprobennahme. In der Praxis hat es sich herausgestellt,- daß die Beziehung (2) in vielen Fällen IeL einer Hauttemperatur von 44⁰C gut erfüllt wird. Gewißheit darüber besteht jedoch niemals,und außerdem verursacht eine Temperatur von 44°C

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- 8 nach einiger Zeit eine Hautreizung.

Um diese beiden Nachteile zu vermeiden, ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit einem Meßkopf 1 nach Fig. 4 und 5 ausgerüstet. Sie enthält ein Metallgehäuse 17, in das ein Körper 19 aus thermisch isolierendem Material eingefaßt ±st_s der drei Meßzellen 21 enthält. Die Meßzellen 21 sind an sich bekannte Clarksche Normalelemente mit einem Erwärmungselement, beispielsweise gemäß der Beschreibung in der bereits erwähnten niederländischen Patentanmeldung 152 084 oder in der Veröffentlichung "Transcutaneous measurement of blood POV' von Renate Huch e.a. in J. Perinat. Med. 1 (1973), S. 183...191.

Die an die Haut zu legende Fläche 23 des Gehäuses 17 ist vorzugsweise mit einer Klebeschicht versehen, so daß ein guter Kontakt mit der Haut erreicht wird und nur geringes Sauerstoff lecken auftritt. Um den Sauerstoff, der dennoch beispielsweise durch die Haut hindurch hineinleckt, möglichst zu beseitigen, ist eine ringförmige Meßzelle 25 vom Typ des Clarkschen Normalelements im Gehäuse 17 angebracht, deren an die Haut anzulegende Fläche in der gleichen Ebene wie eine Fläche des Körpers 19 und die an die Haut zu legende (erwärmte) Fläche der Meßzellen 21 liegt. Die ringförmige Meßzelle 25 ist nicht mit einem Erwärmungselement ausgerüstet. Sie verbraucht einen wesentlichen Teil des hineinleckenden Sauerstoffs.

Die Meßzellen und Erwärmungselemente sind über (nicht dargestellte) Anschlußdrähte und das Kebel 3 mit einer Meß- und Speiseschaltung verbunden, die in Fig. 6 im Blockschaltbild dargestellt ist. Jede der Meßzellen 21 und 25 enthält eine Anode 27, die beispielsweise aus Ag/AgCl besteht, und eine Kathode 29, beispielsweise aus Pt. Diese Elektroden befinden sich in einem Raum, der mit einem Elektrolyten gefüllt ist, beispielsweise mit einer Lösung von KCl. Dieser Raum ist von der Außenwelt durch eine Membrane 31 getrennt,

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die für Oo durchlässig -ist und beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen "besteht. Die Elektroden 27 und 29 sind mit einer Spannungsquelle 33 in einen Kreis aufgenommen, in dem ein vom Partialdruclc des Sauerstoffs an der Stelle der Membrane 31 abhängiger elektrischer Strom fließt. Bei den für die eigentliche Messung dienenden Meßzellen 21 wird dieser Strom mit Hilfe eines MeßwiderStandes 35 gemessen, über den eine diesem Strom proportionale Spannung entsteht, die den Eingängen eines Verstärkers 37 zugeführt wird. Die Ausgänge der drei Verstärker 37 sind mit den Eingängen eines aufzeichnenden Meßinstruments 39 verbunden.

Die drei Meßzellen 21 sind weiterhin, wie bereits erwähnt wurde, mit je einem Erwärmungselement 41 versehen, beispielsweise mit einer Widerstandswicklung. Diese Snvärmungselemente sind mit einer Speiseschaltung verbunden, die durch eine Spannungsquelle 43 und durch drei von einem Steuerorgan 45 gesteuerte Schalter 47, 49 und 51 gebildet wird. Wenn der Schalter 47 geschlossen ist, ist das erste (in Fig. 6 das obere) Erwärmungselement 41, wenn der Schalter 49 geschlossen ist, das zweite, und wenn der Schalter 51 geschlossen ist,, das dritte im Betrieb. Die Schalter 47, 49 und 51 können beispielsweise Relais oder Halbleiterschalter sein. Das Steuerorgan 45 kann einen mechanischen oder elektronischen Zeitgeber enthalten, der nach einem vorgegebenen Plan die drei Schalter abwechselnd öffnet und schließt. Ein Beispiel eines derartigen Plans ist in Fig. 7 dargestellt. Eine &3a der drei Kurven in dieser Figur stellt den Zeitverlauf des Zustands eines der Schalter dar, wobei die Bezugsziffer j, mit der der Schalter in Fig. 6 bezeichnet ist, in Klammern rechts neben der betreffenden Kurve angegeben ist. Wenn eine Kurve den mit "O" bezeichneten Pegel hat, ist der betreffende Schalter geöffnet„ und wenn die Kurve den mit "1" bezeichneten Pegel hat„ ist er geschlossen.

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Es sei angenommen, daß zum Zeitpunkt t = O der Meßkopf auf der Haut angelegt wird und die Aufzeichnung mit Hilfe des Meßinstruments 39 anfängt. Eine der drei von diesem Meßinstrument erzeugten Kurven ist in Fig. 8 dargestellt. Diese Kurve gibt das Meßergebnis der ersten Meßzelle 21 (die obere in Fig. 6) als Funktion der Zeit wieder.

Aus der Fig. 8 ist ersichtlich, daß die Meßzelle zum Zeitpunkt t = 0 einen Partialdruck des Sauerstoffs von 16O mm Hg angibt. Dies entspricht dem Sauerstoffdruck im Freien, was dadurch erklärt wird, daß beim Anbringen des Meßkopfs eine Luftmenge zwischen dem Meßkopf und der Haut eingefangen ist»

Durch den Sauerstoffverbrauch der Meßzellen sinkt der gemessene Sauerstoffdruck P (Op) allmählich auf einen konstanten Wert P_n^(Op) ^ak» ^.er niedriger ist als der Wert, der normalerweise für venöses Blut gefunden wird. Letztgenannter Wert beträgt, wie in Fig. 2 ersichtlich, ungefähr 40 mm Hg, was ungefähr der Wert ist, den man erwarten würde, wenn die Haut nicht erwärmt wird. Der Unterschied wird verursacht durch den Sauerstoff verbrauch im Corium (A?o) u¹¹^ i-ⁿ ^^er Meßzelle ( A^p _mc)» vermindert um die Sauerstoff druckerhöhung durch hlneinleckende Luft (A^p _m]_)i insofern sie nicht durch die ringförmige Meßzelle 25 beseitigt wird. Daraus erfolgt mit guter Näherung:

*^P2 ⁺ *P_mc - ^P_ml = 40 - P₁₁₁₃(O₂) (3).

Nach 20 Minuten werden, wie aus Fig. 7 ersichtlich, alle Schalter 47, 49 und 51 geschlossen. 15 Minuten lang wird anschließend im Bereich der drei Meßzellen 21 die Haut erwärmt. In diesem Zeitraum steigt der gemessene Partialdruck des Sauerstoffs sowohl durch die Ausdehnung der peripheren Gefäße 7, die sich dadurch mit arteriellem Blut füllen, als auch durch die Verschiebung der Sättigungskurve an (siehe Fig. 2).

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Zum Zeitpunkt t = 35 Minuten werden alle Schalter wieder geöffnet, wonach sie periodisch derart geöffnet und geschlossen werden, daß jedes Srwärmungselement jeweils T,, Minuten mit einer Wartezeit von T₂ Minuten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Erregungsperioden erregt ist. Die Erregung eines jeden der Erwärmungselemente fängt T₁ + Tp

Minuten nach der Erregung des vorangehenden Erwärmungselementes an, wobei η die Anzahl der Erwärmungselemente ist» Im beschriebenen Beispiel ist η = 3, T>, = 1 Minute und T₂ = 9 Minuten.

Anhand der Fig» 8 läßt sich feststellen,, wie der gemessene Partialdruck des Sauerstoffs je Meßzelle in jedem Erwärmungsund Abkühlungszeitraum verläuft. Nach dem Öffnen des Schalters 47 sinkt P_m(0₂) allmählich auf einen nahezu konstanten Wert P ,(O₂) dadurch ab, daß die peripheren Gefäße 7 ziemlich schnell mit frischem venösem Blut normaler Temperatur gefüllt werden. Da das umgebende Gewebe 9 noch längere Zeit seine hohe Temperatur beibehält, bleibt die Ausdehnung der peripheren Gefäße aufrechterhalten.

Wenn die Erwärmung wieder eingeschaltet wird (t = 44 Minuten), wird auch das Blut in den peripheren Gefäßen wiederum erwärmt, so daß sich die Sättigungskurve verschiebt und ein höherer Partialdruck des Sauerstoffs P_m2(0₂) gemessen wird. Es folgt daraus, daß mit guter Näherung gilt;

O₂) - P₀₁₁(O₂) (4).

₁ ist also ein Hinweis auf die Temperaturerhöhung im Bereich der peripheren Blutgefäße, Die Gleichung (1) war für erwärmtes Blut abgeleitet, so daß der darin einzusetzende Wert für P_m(0₂) gleich F₁₁₁₂(O₂) ist. Indem jetzt die Gleichungen (1) (3) und (4) miteinander kombiniert werden, findet mani

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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß dem Wert °_m1(0₂) je Heßzelle lange fähr 4 Hinuten zur Verfügung stehen. Durch die phasenverschoben periodische Erregung der drei Erwärmungselemente erreicht man also, daß stets zumindest eine der drei Heßzellen den Wert P^(O₉) angibt, so daß der Partialdruck des Sauerstoffs im Blut ununterbrochen gemessen x^ird. Da jedes Erwärmungselement jede 10 Minuten nur eine Minute erregt ist, tritt keine Hautreizung auf.

Selbstverständlich ist es möglich, die Meßzellenanzahl 21 mit Erwärmungselementen 41 nach Bedarf zu erweitern. Auch kann die Erwärmung auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch. Hochfrequenzerwärmung oder durch Direkterwärmung in der als elektrischer Widerstand geschalteten ringförmigen Kathode 29. Nach Bedarf kann die Hauttemperatur gemessen und der Strom durch die Erwärmungselemente geregelt werden. Auch kann die Schaltung nach Fig. 6 so eingerichtet werden, daß die Erwärmungselemente, auch wenn sie nicht erregt sind, noch von einem geringen Strom durchflossen werden, um Wärmeverluste des Meßkopfes auszugleichen«

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N.V. Philips^rGloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland PATENTANSPRÜCHE:

Λ J Einrichtung für transkutane elektrochemische Bestimmung des Partialdrucks des Sauerstoffs im Blut des Menschen oder des Tieres, mit einem Meßkopf mit einer mit Elektroden ausgerüsteten Meßzelle, die eine auf der Haut anzulegende, mit Hilfe eines elektrischen Er\irärmungselements erwärmbare Oberfläche hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (1) mit mindestens drei Meßzellen (21) ausgerüstet ist, die mit je einem eigenen Erwärmungselement (41) versehen sind, daß die Elektroden (27, 29) Jeder Meßzelle einen Teil einer gesonderten Meßschaltung (33, 35_r 37) bilden und daß die Erwärmungselemente mit einer Speiseschaltung (43, 45, 47, 49, 51) verbunden sind, die die Erwärmungselemente periodisch einschaltet, mit einer Einschaltdauer T₁ und mit einer Pausenzeit zwischen zwei Einschaltungen, wobei Tv, und T₂ für alle Erwärmungselemente gleich sind und die Einschaltung eines Er-

T -ι- Τ wärmungselementes um den Zeitraum 1 2 später anfängt

η als die Erregung des vorangehenden Erwärmungselementes, wobei η die Anzahl der Erwärmungselemente ist«
2. Einrichtung nach Anspruch 1_t dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzellen (21) in einem Körper (19) mit mangelhafter Wärmeleitung montiert sind_r wobei die erwärmbare Fläche der Meßzellen nahezu in der gleichen Ebene liegt wie eine Fläche des Körpers (19), die von einer in der gleichen Ebene liegenden, auf der Haut anzulegenden unerwärmteix Oberfläche einer ringförmigen Meßzelle (25) umgeben ist, die zusammen mit dem Körper (19) in einem Gehäuse (17) enthalten ist.

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