DE2906201C2

DE2906201C2 - Einrichtung für transkutane elektrochemische Bestimmung des Partialdrucks des Sauerstoffs im Blut

Info

Publication number: DE2906201C2
Application number: DE2906201A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Nijmegen Kimmich
Original assignee: Honeywell BV
Current assignee: Honeywell BV
Priority date: 1978-02-20
Filing date: 1979-02-17
Publication date: 1983-01-13
Also published as: AU521361B2; DE2906201A1; AU4433079A; IT7920294A0; IT1166640B; CA1137169A; NL7801869A; SE7901377L; GB2014739B; JPS54123280A; GB2014739A; US4252123A; FR2417773A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für transkuta ne elektrochemische Bestimmung des Partialdrucks vo: Sauerstoff im Blut des Menschen oder des Tieres, mi: einem Meßkopf mit einer mit Elektroden ausgerüsteten Sauerstoffmeßzelle, die eine an die Haut zu stellende, mit Hilfe eines elektrischen Heizelements erwärmbare Oberfläche besitzt.

Eine derartige Einrichtung ist aus der niederländi sehen Patentanmeldung 1 52 084 und ebenso aus der DE-OS 23 05 049 bekannt. Die Sauerstoffmeßzeile enthält eine Meßelektrode, beispielsweise aus Platin, und eine Referenzelektrode, beispielsweise aus Silber Silberchlorid. Diese Elektroden befinden sich in einen; Elektrolyten, beispielsweise aus KCl-Lösung, das von der Außenwelt durch eine für Sauerstoff durchlässige Membrane getrennt ist. Eine oerartige Meßzelle ist unter dem Namen Clarksches Normalelement bekannt. Bei der bekannten Einrichtung ist das Clarksche Normalelement weiterhin mit einem Heizelement versehen, mil 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 partiellen Sauerstoffdruck und dem traniskutan 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 Blui erwärmt wird, verschiebt sich dieses Gleichgewicht derart, daß der Partialdruck des Sauerstoffs ansteigt. Beim beschriebenen Meßverfahren ist der Partialdruck des Sauerstoffs in den peripheren 3lutgefäßen 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 tJlutgefä-Ben ist Schließlich verbraucht auch die Meßzelle eine gewisse Sauerstoffmenge. Wenn sich alle diese Einflüsse gcidJe aufheben, ist der gemessene Partiaidruck des Sauerstoffs gleich dem arteriellen Sauerstoffdruck.

Die Praxis hat gezeigt, daß diese Korrelation bei einer 2ϊ Hauttemperatur von 43° C noch mangelhaft ist und bei 44°C oft richtig. Eine höhere Temperatur verursacht Schmerzen und Verbrennungen der Hai.t. Auch können bei 44°C Reizungserscheinungen auftreten, wenn die Messung einige Stunden oder länge! 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 vergroftef werden.

Der Erfindung heg', die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung de^r eingangs erwähnten Art anzugeben, die ohne Bedenken längere Zeit an einer Stelle verwendet werden kann und es außeidem ermöglicht, den Einfluß mindestens einer Anzahl der Faktoren, die die ♦ο Korrelation zwischen dem gemessene. Sauerstoffdriick und dem reellen arteriellen Sauerstoffdruck beeinflussen, gesondert festzustellen

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Meßkopf mit mindestens drei Sauerstoffmeßzellen ausgerüstet ist. die mit je einem eignen F.rwärrnungsele ment versehen sind, daß die Elektroden jeder Sauerstoffmeß/elle einen Teil einer gesonderten Meß schaltung bilde·; und daß die Erwärmungselemente mit einer Speiscschaltui'g verbunden sind, die die Erwä^r v< mungselemente periodisch einschaltet, mit einer Ein schaltdauer T und mit einer Pausenden 7'· /wischen zwei Einschaltungen, wobei 7Ί und Ti fur alle Erwärmungselemente gleich sind und die Einschaltung eines Erwärmungselementes um den Zeitraum

— -später anfänet als die Erregung des vorangehen

den Erwärmungselements. wobei η die Anzahl der Erwärmungselemente ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsge mäßen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffmeßzellen in einem Körper mit mangelhafter Wärmeleitung montiert sind, wobei die crwärmbarc Fläche der Sauerstoffmeßzellen nahezu in der gleichen Ebene liegt wie eine Fläche des Körpers, die von einer in

μ der gleichen Ebene liegenden, auf der Haut anzulegenden uncrwärmten Oberfläche einer ringförmigen Sauerstoffmeßzelle umgeben ist, die zusammen mit dem Körper in einem Gehäuse enthalten ist.

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

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

F i g. 2 ein Diagramm, das schematisch das Gleichgewicht zwischen dem Oxydationsgrad des Hämoglobins und dem Partialdruck 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 Ausführungsbeispiei eines Meßkopfs für eine Einrichtung nach der Erfindung,

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

F i g. 6 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfintiungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung der Einrichtung nach F i g. 6 und F i g. 8 eine Wiedergabe einer Meßkut ve.

Zur Erläuterung der bei der transkutanen Messung des arteriellen Sauerstoffdrucks auftretenden Probleme ist in F i g. 1 sehr schematisch die Lage eines auf der mit arteriellem Blut von 37°C gefüllt wären. In F i g. 3 ist in horizontaler Richtung der Weg der A-terie 5 zum Meßkopf 1 aufgetragen (nicht maßstabsgerecht) und in vertikaler Richtung der Sauerstoffdruck. Der arterielle Sauerstoffdruck P_a (O₂) wird wie in obiger Beschreibung durch die Erwärmung des Bluts in den peripheren Gefäßen um einen Betrag ΔΡ\ erhöht. Im Corium 13 verbrauchen die lebenden Zellen Sauerstoff, wodurch eine Herabsetzung des Sauerstoffdrucks um einen Betrag von Δ ft entsteht.

Der Sauerstoffdruck an der Stelle der Epidermis 15 ist also

P₁(O₂) +AP_x-AP₁.

Es ist der Druck Pm₁(O₂), der mit einem idealen Meßkopf gemessen werden würde. Ein idealer Meßkopf ist ein Meßkopf, der selbst keinen Sauerstoff verbraucht und vollkommen leckfrei auf der Haut angebracht wird, so daß kein Luftsauerstoff zutreten kann. Dabei wird ebenfalls angenommen, daß kein L<Hcen seitwärts durch die Haut hindurch auftritt Wenn »loch Luftsauerstoff zutritt, wird der Druck P_ml (O₂) nochmals um einen Betrag ΔΡπ,ι erhöht und wenn der Meßkopf doch Sauerstoff verbraucht, wird dieser Druck noch einmal

Haut angebrachten Meßkopfs 1 dargestellt, der über ein 25 um einen Betrag AP_mc herabgesetzt, und dadurch ist der Kabel 3 mit einer Meß- und Speiseschaltung (in Fig. 1 gemessene Gesamtsauerstoffdruck gleich

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 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 13 in eine Schicht toter Zellen 15 und erreicht schließlich den Meßkopf 1.

Da in den peripheren Gefäßen 7 Sauerstoff an das Gewebe 9 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 perrheren Gefäße 7 mit arteriellem Blut gefüllt werden, indem das Gewebe 7 erwärmt wird, wodurch sich die peripheren Gefäße so weit aufweiten, daß der Abfall des Partialdrucks des Sauerstoffs im Blut infolge der schnellen Durchflutung vernachlässigbar klein wird. Dabei tritt jedoch ein anderer Effekt auf, der anhand der F' g. 2 näher erläutert wird.

Im Blut besteht ein Gleichgewicht zwischen dem Partialdruck des Sauerstoffs P(O₂). der Konzentration oxydierten Hämoglobins C(HbO) und der Konzentration des oxydierten Hämofc'-ibins C(Hb). Der Prozentsatz des Hämoglobins, das oxydieri ist. wird mit Sättigung 5(Oj) bezeichnet:

S(O₂) =

C(HbO)

C(HbO)+ C(Hb)

x IUO

Der Zusammenhang zwischen S(Oi) und P(O₂) ist in Fi g 2 bei Temperaturen von 37 C (ausgezogene Kurve) ind 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. d;*ß bei gleichbleibender Sättigung der Partialdruck des Sauerstoffs um einen Beirag AP\ ansteigt, wenn das Blut erwärmt wird. Die Folge davon ist. daß der Radialdruck des Sauerstoffs im Gewebe 9 hoher ivt als '.vcnn die peripheren Gefäße 7 Pn, (O₂) = P_a (O₂) + Δ Ρ, - Δ P₂ + Δ P_n,,- Δ P_n*

Bei der Verwendung bekannter Einrichtungen zum transkutanen Messen von P₁ (O₂) geht man davon aus, daß

AP]-AP₂ + APmI-APmC = O (2)

Diese Annahme kann nachgewiesen werden, indem Pi(O₂) auch auf andere Weise gemessen wird, beispielsweise durch Blutprobennahme. In der Praxis hat es sich herausgestellt, daß die Beziehung (2) in vielen Fällen bei einer Hauttemperatur von 44°C put erfüllt wird. Gewißheit darüber besteht jedoch niemals, und außerdem verursacht eine Temperatur von 44° C nach einige»· Zeit eine Hautreizung.

Um diese beiden Nachteile zu vermeiden, ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit einem Meßkopf 1 nach Fig.4 und 5 ausgerüstet. Sie enthalt ein Metallgehäuse 17, in das ein Körper 19 aus thermisch isolierendem Material eingefaßt ist, der drei Sauerstoffmeßzellen 21 enthält. Die Meßzellen 21 sind an sich bekannte Clarksche Normalelemente mit einem Erwärmungselement, beispielsweise gemäß der Beschreibung in der bereits erwähnten niederländischen Patentanmeldung I 52 084 oder in der Veröffentlichung »Transcutaneous measurement of blood PO2« von Renate Huch e. a. in Journal Perinatal Medicine. I (1973),S. 183.. 191. Du an die Haut /u legende Fläche 23 des Gehäuses 17 ist vorzugsweise mit einer Klebeschicht versehen, s.i daß em guter Kontakt mit der Haut erreicht wird und nur geringes Sauerstofflecken auftritt. Um den Sauerstoff, der dennoch beispielsweise durch die Haut hindurch hineinleckt, möglichst zu beseitigen, ist eine

M) ringförmige Meßzelle 25 vom Typ des Clarkschen Normälelements im Gehäuse 17 angebracht, deren an die Haut anzulegende Fläche in der gleichen F.bcne wie eine Fläche des Körpers 19 und die an die Haut zu legende (erwärmte) Fläche der Sauerstoffmeßzellen 21

ft5 liegt. Die imvrfiirmige Sauerstoffmeßzelle 25 ist ,iic*t mit einem Erwärmungselement ausgerüstet. Sie verbraucht einen wesentlichen Teil des hincinlcckcndcn Sauerstoffs.

Die .Satierstoffmeßzellen und Erwarmungsdemente sind über (nicht dargestellte) Vnschlußdrahte und das Kabel 3 nut einer MeU- und Speiseschaltung verbiimlen, die in F i g. 6 im Blockschaltbild dargestellt ist. jede der Sauerstoffmeßzellen 21 und 25 cnthäl' eine Anode 27. die beispielsweise aus Ag/AgC'l besteht, und eine Kathode 29. beispielsweise aus Pt. Di.'se 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, die für O: durchlässig ist und beispielsweise aus Polytetrafluorethylen besteht. Die Elektroden 27 und 29 sind mit einer Spannungsquelle 33 in einen Kreis aufgenommen, in dem ein vom Partialdruck des Sauerstoffs an der Stelle der Membrane 31 abhängiger elektrischer Strom fließt. Bei den für die eigentliche Messung dienenden Sauerstoffmeßzellen 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 Sauerstoffmeßzellen 21 sind weiterhin, wie bereits erwähnt wurde, mit je einem Erwärmungselement 41 versehen, beispielsweise mit einer Widerstandswicklung. Diese Erwärrnungselemente sind mit einer SpeiseschaHung 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 dci 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 schließ:. Ein Beispiel eines derartigen Plans ist in F ι g. 7 dargestellt. Eine jede der drei Ku^rvcn in dieser Figur stellt den Zeitveriauf des Zustanus eines der Schalter dar. wobei die Bezugszifier. mit der der Schalter in F-"i t: ο bezeichnet is;, in Klammern rechts neben der betreffenden Kurve angegeben ist. Wenn eine Kurve den mit »0« bezeichneten Pegel hat. ist der betreffende Sentker geöffnet. u-H wenn die Kurve der, mn »I" bezeichneten Pegel hai. ist er geschlossen.

Es se; angenommen,

/um Zeitpunkt f = 0 de:

MeßKopf au; der Hau; angelegt wird und die Aufzeichnung mit Hilfe des Meßinstruments 39 anfängt. Eine der drei voⁿ diesem Meßinstrument erzeugten Kurven ist in F I s. 8 dargestellt. Diese Kurve gibt das Meßergebnis der ersten Meßzelle 21 (die obere ir· F i g. 6) als Funktion der Zeit wieder.

Aus der Fig. 8 ist ersichtlich, daß die Melizeüe zum Zeitpunkt ?=0 einen. Partialdruck des Sauerstoffs von 160 mm Hg angibt. Dies entspricht dem Sauerstoffdruck im Freien, was dadurch erklärt wird, daß bein'. Anbringen des Meßkopfs eine Luftmenge zwischen dem Meßkopf jnd der Haut eingefangen isL

Durch den Sauerstoffverbrauch der Meßzellen sinkt der gemessene Sauerstoffdruck P₁₇₁(O₂) allmählich auf einen konstanten Wert P^₃ (O₂) ab. der niedriger ist ais 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 mar. erwarten würde, wenn die Haut nicht erwärmt wirct. Der Unterschied wird verursacht durch den Sauerstoffverbrauch im C'ornim (JP₂) und in der Meßzelle (.1 P,,,,-). vermindert um die Sauerstoffdruckerhöhiing durch hineinkvkende Luft (AP_n,!). insofern sie nicht durch die ringförmige Meßzelle 25 beseitigt wird. Daraus erfolgt mit guter Näherung:

Nach 20 Minuten weiden, wie ,ms 1 e. 7 ersichtlich. alle Schalter 47, 49 und 51 »ischln-Aen ! ■ Minuten lang wird anschließend im Bereich der drei Meil/eilen 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 Sättigungskurv«: an (siehe Fi g. 2).

Zum Zeitpunkt f = 35 Minuten werden alle Schalter wieder geöffnet, wonach sie periodisch derart geöffnet und geschlossen werden, daß jedes Erwärmungselentent jeweils Ti Minuten mit einer Wartezeit von Tj Minuten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Erregungsperioden erregt ist. Die Erregung eines jeden der

Erwärmungselemente fängt —■ Minuten nach der

Erregung des vorangehenden Erwärmung:selementes an, wobei η die Anzahl der Erwärmungselerriente ist. Im beschriebenen Beispiel ist n=3, Ti = 1 Minute und Tj = 9 Minuter.

AnhaiH der Fig. 8 läßt sich feststellen, wie der gemessene Partialdruck des Sauerstoffs je Meßzelle in

₃n jedem F.rwärmungs- und Abkühlungszeitraum verläuft. Nach dem Öffnen des Schalters 47 sinkt Pm[O₂) allmählich auf einen nahezu konstanten Wert P_m, (O:) dadurch ab. daß die peripheren Gefäße 7 ziemlich schnell mit frischem venösem Blut normaler Tempern-

j5 tür 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 (i ₌ 4-l Minuten), wird auch das Blut in den peripheren

Gefäßen wiederum erwärmt, so daß sich d c Sättigungskurve verschiebt und ein höherer Puniaidruck des Sauerstoffs P_n,: (Oj) gemessen wird. Es foigt daraus, daß mit guter Näherung gilt:

Δ P, = P^₂(O₂) -Ρ* .

ΔΡ< ist also ein Hinweis auf die Temperaturerhöhung im Bereich der peripheren Blutgefäße. Die Gleichung (1) war für erwärmtes Blut abgeleitet, so daß der darir. einzusetzende Wert fur P_m(O;) gleich F_n2 (O:) ist. Indem jetzt die Gleichungen (!). (3) und (4) miteinander kombiniert werden, findet man:

)= P-, (O₂)^40-

Aus F i g. 8 ist ersichtlich, daß dem Wert P_m ·, (O₂) je Meßzelle 21 ungefähr 4 Minuten zur Verfügung stehen.

Durch die phasenverschobene periodische Erregung der drei Erwärmungselemente 41 erreicht man also, daß stets zumindest eine aer drei Meßzellen den Wert Pn; (O2) angibt, so daß der Partialdruck des Sauerstoffs im Blut ununterbrochen gemessen wird Da jedes Erwärmungselement jede 10 Minuten nur eine Minute erregt ist, tritt keine Hautreizung au;.

Selbstverständlich ist es möglich, die Meßzeilenanzahl 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 llauttemperatiir gemessen und der Strom durch clic- l:rwarmungsclemenle geregelt werden. Auch kann die Schaltung nach Γ i g. b so eingenclvet werden, daß die f.rwärmungsck'-mente. auch wenn sie nicht erregt sind, noch von einem geringen Strom durchflossen werden, um Warmevcrliiste des Meßkopfes auszugleichen

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung für transkutane elektrochemische Bestimmung des Partialdrucks des Sauerstoffs im Blut des Menschen oder des Tieres, mit einem Meßkopf .nit einer mit Elektroden ausgerüsteten Sauerstoffmeßzelle, die eine auf der Haut anzulegende, mit Hilfe eines elektrischen Erwärmungselements erwärmbare Oberfläche hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Me3kopf (1) mit mindestens drei Sauerstoffmeßzellen (21) ausgerüstet ist, die mit je einem eigenen Erwärmungselement (41) versehen sind, daß die Elektroden (27,29) jeder Sauerstoffmeßzelle einen Teil einer gesonderten Meßschaltung (33, 35, 37) bilden und daß die Erwärmungselemente mit einer Speiseschaltung (43, 45, 47,49, 51) verbunden sind, die die Erwärmungselemente periodisch einschaltet, mit einer Einschaltdauer 71 und mit einer Pausenzeit Ti zwischen zwei Einschaltungen, wobei 7Ί und Ti für alle Erwärmungselemiftte gleich sind und die Einschaltung eines Erwärmungselernenies um den Zeitraum

— -später anfängt als die Erregung des vorange-

henden Erwärmungselememes. wobei η die Anzahl der Erwärmungselemente ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffmeßzellen (21) in einem Körper (19) mit mangelhafter Wärmeleitung montiert sind, wobei die erwärmbare Fläche der Sauerstoffmeßzellen nahezu in der gleichen Ebene liegt wie ein Fläche des Körpers (19). die von einer in der gleichen Ebene liegenden, auf der Haut anzulegender, unerwärmien Oberfläche einer ringförmigen Sauerstoffmeßzefle {?*>) umgeben ist. die zusammen mu d<*m Körper (19; in einem Gehäuse (17) enthalten ist.