DE69730744T2

DE69730744T2 - Kassette zur tonometrischen eichung

Info

Publication number: DE69730744T2
Application number: DE69730744T
Authority: DE
Inventors: G. Thomas HACKER; J. David FRANTA
Original assignee: Terumo Cardiovascular Systems Corp
Current assignee: Terumo Cardiovascular Systems Corp
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: WO1998037800A1; EP0971621A1; ATE275866T1; US5997818A; JP2001513674A; DE69730744D1; JP3769026B2; EP0971621B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein eine Eichküvette oder -kassette, die zum Eichen von Sensoren eines Blutparametermeßsystems geeignet ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Verschiedene Eigenschaften oder Parameter des Blutes werden während bestimmter Operationen häufig in Echtzeit überwacht. Beispielsweise überwachen der Chirurg oder andere Mitglieder des Operationsteams während einer offenen Herzoperation häufig den pH des Blutes des Patienten sowie die Konzentration bestimmter Blutgase, z. B. Kohlendioxid und Sauerstoff. In vielen Fällen werden die Parameter des Blutes des Patienten nicht nur überwacht, während die Operation läuft, sondern auch in der Zeitperiode vor und nach der Operation.
Die Messung von Blutparametern erfolgt häufig unter Verwendung eines Extrakorporalkreislaufs, der Längen einer flexiblen Schlauchleitung mit Übergängen aufweist, die in Fluidkommunikation mit dem Gefäßsystem des Patienten sind. In vielen Extrakorporalkreisläufen sind ein oder mehrere Sensoren, die zur Bestimmung von Blutparametern geeignet sind, nahe dem Übergang angeordnet und mit einer Verarbeitungseinheit verbunden. Die Verarbeitungseinheit ist normalerweise mit einer Anzeigevorrichtung, z. B. ein Monitor, verbunden, so daß das Operationsteam bei Bedarf die gewünschten Parameter kontrollieren kann. Als Wahlmöglichkeit ist die Verarbeitungseinheit mit einer Aufzeichnungsvorrichtung, z. B. einem Drucker, verbunden, um ein Protokoll der Parameter über eine Zeitperiode bereitzustellen.
Optische Sensoren werden häufig zur Erfassung von Blutparametern in Echtzeit verwendet. Beispielsweise beschreiben das US-Patent Re. 31 897 von Lubbers et al. und das US-Patent 5 403 746 von Bentsen et al. Fluoreszenzsensoren, die auf Licht entsprechend einem bestimmten Sauerstoffpartialdruck, einem Kohlendioxidpartialdruck und einem pH des Blutes reagieren. Sensoren, die nach den Prinzipien der Lichtabsorption arbeiten, sind beispielsweise im US-Patent 4 041 932 von Fostick beschrieben.
Extrakorporalkreisläufe mit Sensoren zur Bestimmung von Blutparametern können auf verschiedene Art und Weise angeordnet sein, und die Art und Weise, die zur Verwendung in einem bestimmten Fall gewählt wird, hängt häufig von den Vorlieben des Operationsteams ab. In bestimmten Fällen sind die Sensoren in einem Gehäuse angeordnet, das entlang einer Schlauchleitungslänge mit einem relativ kleinen Durchmesser angeordnet ist, die an nur einem Ende mit der Blutversorgung des Patienten verbunden sind, und es wird eine Vorrichtung, z. B. eine Spritze, verwendet, um eine Blutprobe nach den Sensoren zu ziehen. Beispiele für solche Kreisläufe sind im US-Patent 4 989 606 von Gehrich et al. beschrieben.
Ein weiterer Typ eines Extrakorporalkreislaufs hat Sensoren, die entlang einer Schlauchleitung angeordnet sind, die Teil eines Arterien- oder Venenübergangs sind, der mit einem Oxygenator verbunden ist. Die Sensoren sind bei diesem Kreislauftyp häufig mit einem Element verbunden, das als Durchflußzelle bekannt ist, die auf gegenüberliegenden Seiten ein Anschlußstück zum Verkuppeln mit der Kreislaufschlauchleitung hat. Durchflußzellen sind beispielsweise im US-Patent 4 640 820 von Cooper beschrieben.
Insbesondere offenbart US-A-4 640 820 eine Kassette zur tonometrischen Eichung (oder zur Verwendung für diese) mit: einem Gehäuse mit einer Fluidkammer mit einer Längsachse, die sich in einer Richtung erstreckt, wobei die Kammer aus einem ersten Abschnitt mit einem Gaseinlaßanschluß; einem zweiten Abschnitt mit einer Gasauslaßanschluß und einen Mittelabschnitt, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt befindet; und einem Sensor besteht, der mit dem Gehäu se nahe dem Mittelabschnitt der Kammer zur Erfassung des Partialdrucks des Gases in der Kammer verbunden ist.
Eine ähnliche Kassette ist in WO 96/22 730 offenbart. Um beste Ergebnisse zu erzielen, sollten die optischen Sensoren von Blutparametermeßsystemen geeicht werden, bevor sie zur Verwendung angeordnet werden. Eine Eichtechnik ist im US-Patent 4 640 820 beschrieben und betrifft das Anbringen des Trägers für die Sensoren an einem Eichgehäuse, das eine Eichflüssigkeitsmenge enthält. Man läßt dann Eichgas durch die Eichflüssigkeit perlen, um das Analysegerät zu eichen. Eine ähnliche Technik ist im US-Patent 4 830 013 von Maxwall beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Kassette zur tonometrischen Eichung. Die Kassette weist ein Gehäuse mit einer Fluidkammer mit einer Längsachse auf, die sich in einer senkrechten Richtung erstreckt. Die Kammer weist einen unteren Abschnitt mit einem Gaseinlaßanschluß, einen oberen Abschnitt mit einem Gasauslaßanschluß und einen Mittelabschnitt auf, der sich zwischen dem unteren Abschnitt und dem oberen Abschnitt befindet. Die Kassette weist auch mindestens einen Sensor auf, der mit dem Gehäuse nahe dem Mittelabschnitt der Kammer verbunden ist, zum Erfassen des Partialdrucks des Gases in der Kammer. Die Kammer weist einen Expansionsbereich auf, der sich zwischen dem Mittelabschnitt und dem oberen Abschnitt befindet. Der Expansionsbereich hat eine Fläche, die größer ist als die Fläche des Mittelabschnitts in Bezugsebenen senkrecht zur Längsachse, zur Förderung der Aufspaltung von Gasblasen, die durch das Fluid hindurchtreten.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Mittelabschnitt Wandteile mit einer hydrophilen Oberfläche auf, zur Förderung der Bewegung der Gasblasen an den Wandteilen vorbei.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein Anschlußstück nichtlösbar mit dem Gehäuse verkuppelt. Das Anschlußstück ist zwischen einer ersten Position zum Schließen des Gasauslaßanschlusses und einer zweiten Position zum Entlüften des Gasauslaßanschlusses beweglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine langgestreckte Verteilerröhre mit dem Gaseinlaßanschluß verbunden, zum Einlassen von Gas in die Kammer. Die Verteilerröhre erstreckt sich in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse der Kammer.
Die erfindungsgemäße Kassette in den verschiedenen Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, erleichtert die Eichung des Sensors oder der Sensoren des Analysegeräts. Beispielsweise reduziert der Expansionsbereich die Wahrscheinlichkeit, daß das Eichfluid während der Eichung aus der Kammer entweicht, und die hydrophile Oberfläche reduziert die Wahrscheinlichkeit, daß sich Blasen vereinigen. Die langgestreckte Verteilerröhre, die sich in einer Richtung parallel zur Längsachse der Kammer erstreckt, fördert den Durchtritt des Gases in relativ kleinen, diskreten Gasblasen. Im Ergebnis des oben Beschriebenen wird die Eichzeit der Sensoren deutlich reduziert.
Weitere Einzelheiten zur Erfindung sind in den Merkmalen der Ansprüche definiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Eich- und Fluidparametermeßkassette zusammen mit einer Fluidparametermeßvorrichtung und zeigt ein Beispiel dafür, wie die Kassette und die Meßvorrichtung zueinander ausgerichtet sind, bevor sie miteinander verkuppelt werden;
2 ist eine vergrößerte, in Längsrichtung quergeschnittene Ansicht der in 1 gezeigten Kassette allein;
3 ist eine Ansicht ähnlich wie 2, außer daß 3 entlang einer anderen Bezugsebene geschnitten ist;
4 ist eine teilweise geschnittene, vergrößerte Seitenansicht der in 2 und 3 gezeigten Kassette mit Blick auf eine Seite der Kassette, die der Meßvorrichtung zugewandt ist, wenn die Kassette und die Meßvorrichtung gemäß 1 miteinander verkuppelt werden;
5 ist eine vergrößerte Seitenschnittansicht der Kassette und eines Teils der Meßvorrichtung gemäß 1, allerdings miteinander verkuppelt dargestellt, und zeigt zusätzlich Verbinder und Schlauchleitung zum Verkuppeln der Kassette mit einem Fluidkreislauf, z. B. mit einem Herz-Lungen-Maschinenkreislauf;
6 ist eine Ansicht ähnlich wie 5, außer daß die Meßvorrichtung nicht dargestellt ist und zusätzliche Komponenten mit der Kassette zwecks Eichung der Sensoren der Kassette verbunden worden sind;
7 ist eine perspektivische Explosionsansicht der in 1 gezeigten Kassette allein, aber von einem anderen Blickpunkt aus gesehen, und stellt einen zweistückigen Aufbau der Kassette exemplarisch dar;
8 ist eine vergrößerte Seitenschnittansicht der in 1 dargestellten Meßvorrichtung allein, außer daß optische Fasern in der Vorrichtung nicht dargestellt worden sind;
9 ist eine perspektivische Explosionsansicht der in 1 gezeigten Meßvorrichtung;
10 ist eine vergrößerte perspektivische Explosionsansicht der Meßvorrichtung gemäß 1, außer daß ein Gehäuse der Meßvorrichtung entfernt worden ist;
11 ist eine vergrößerte Endansicht eines Teils der Meßvorrichtung gemäß 1 mit Blick in einer Richtung parallel zu einer Längsachse des Vorrichtungsgehäuses und zeigt u. a. eine Faseranschlußblockanordnung;
12 ist eine vergrößerte Unteransicht der in 11 gezeigten Faseranschlußblockanordnung;
13 ist eine vergrößerte Seitenschnittansicht eines Abschnitts der in 11 gezeigten Faseranschlußblockanordnung;
14 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Einsatzplatte, die Teil der in 11 gezeigten Faseranschlußblockanordnung ist;
15 ist eine schematische Darstellung, die u. a. die verschiedenen Wege von optischen Faserbündeln der in 1 gezeigten Meßvorrichtung zeigt;
16 ist eine vergrößerte perspektivische, teilweise explosionsartige Ansicht eines Teils einer Optikanordnung der Meßvorrichtung gemäß 1;
16a ist eine vergrößerte Seitenschnittansicht einer Linse der in 16 gezeigten Optikanordnung;
17 ist eine vergrößerte Schnittansicht, geschnitten entlang einer Längsachse einer optischen Halteschale der in 16 gezeigten Optikanordnung;
17a, 17b und 17c sind vergrößerte Ansichten verschiedener Abschnitte der in 17 gezeigten optischen Halteschale;
18 ist eine Draufsicht der optischen Halteschale, die in 17 gezeigt ist;
19 ist eine Schnittansicht der in 16 und 17 gezeigten Halteschale, geschnitten entlang einer Bezugsebene senkrecht zur Längsachse der Halteschale;
19a ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der in 19 gezeigten Halterung;
20 ist eine vergrößerte Draufsicht einer weiteren optischen Halterung der in 16 gezeigten Optikanordnung;
21 ist eine Schnittansicht, geschnitten entlang einer Längsachse der in 20 gezeigten optischen Halterung;
22 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer Elektrooptik-Koppelplatte der in 1 gezeigten Meßvorrichtung;
23 ist ein schematisches Blockschaltbild einer elektrischen Anordnung der Vorrichtung gemäß 1 sowie ein Teil einer Überwachungseinrichtung;
24 ist ein schematisches Blockschaltbild der Überwachungseinrichtung und zeigt außerdem eine Verbindung zu der Vorrichtung gemäß 1 zusammen mit einer Verbindung zu anderen Vorrichtungen;
25 ist eine schematische Darstellung eines Herz-Lungen-Maschinenkreislaufs, der die Kassette und die Vorrichtung gemäß 1 verwendet;
26 ist eine Ansicht ähnlich wie 1, aber in einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
27 ist eine Ansicht ähnlich wie 25, aber in einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
28 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Körpers einer Blutparametermeßkassette, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist;
29 ist eine Ansicht ähnlich wie 28, nur mit Blick in einer anderen Richtung auf den Körper;
30 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines exemplarischen Kassettengehäuses zur lösbaren Verbindung mit dem in 28 und 29 gezeigten Kassettenkörper;
31 ist eine vergrößerte geschnittene Endansicht des Kassettengehäuses gemäß 30, das als am Kassettenkörper gemäß 28 und 29 befestigt dargestellt ist, und stellt zusätzlich eine Kupplung der Blutparametermeßvorrichtung gemäß 1 dar, die mit der Kassette verkuppelt ist;
32 ist eine vergrößerte perspektivische, teilweise explosionsartige Ansicht eines weiteren Kassettengehäuses, das bei Bedarf an dem in 28 und 29 gezeigten Kassettenkörper befestigt werden kann, um dem Durchgang des Blutes einen etwas größeren Querschnitt zu bieten;
33 ist eine Ansicht ähnlich wie 32, außer daß sie in einer anderen Richtung zum Kassettengehäuse dargestellt ist und einen anderen Teil des Gehäuses in Explosionsform darstellt.
34 ist eine Ansicht ähnlich wie 31, außer daß sie das Kassettengehäuse gemäß 32 und 33 anstelle des Kassettengehäuses gemäß 30 zeigt;
35 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Versandkappe zur Verwendung mit dem Kassettengehäuse gemäß 32 und 33;
36 ist eine Ansicht ähnlich wie 35, nur mit Blick in einer anderen Richtung auf die Kappe;
37 ist eine Ansicht ähnlich wie 34, außer daß sie ein weiteres Kassettengehäuse zeigt, das mit dem Kassettenkörper entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verbunden ist; und
38 ist eine Ansicht ähnlich wie 34, außer daß sie ein anderes Kassettengehäuse zeigt, das mit dem Kassettenkörper entsprechend noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verkuppelt ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein System 10 zum Messen einer oder mehrerer Eigenschaften oder Parameter eines Fluids, z. B. Blut, ist in 1 dargestellt. Das System 10 weist allgemein eine Kassette 12, die das Fluid aufnimmt, zusammen mit einer Meßvorrichtung 14 zum Messen von Parametern des Fluids in der Kassette 12 auf.
Die Kassette 12 ist in 2 bis 6 ausführlicher dargestellt und weist ein langgestrecktes Gehäuse 16 mit Wandteilen auf, die eine langgestreckte innere Durchflußfluidkammer 18 bilden, die sich entlang der Längsachse des Gehäuses 16 erstreckt. Wie in 5 und 6 dargestellt, weist die Fluidkammer 18 auf: einen ersten Abschnitt 20 mit einem ersten oder "Einlaßanschluß" zum Einlassen von Fluid in die Kammer 18, einen zweiten Abschnitt 22 mit einem zweiten oder "Auslaßanschluß" zum Auslassen des Fluids aus der Fluidkammer 18 und einen mittleren oder Mittelabschnitt 24, der sich zwischen den Abschnitten 20, 22 befindet. (Obwohl sich die nachfolgende Beschreibung auf ein Fluid bezieht, das durch den ersten Abschnitt 20 in die Kammer 18 strömt und durch den zweiten Abschnitt 22 aus der Kammer 18 austritt, versteht es sich, daß das Fluid auch bei Bedarf in einer entgegengesetzten Richtung durch die Kammer 18 strömen kann, so daß das Fluid durch die zweite Öffnung in die Kammer 18 eintritt und durch die erste Öffnung austritt.)
Die Fluidkammer 18 weist auch einen kegelstumpfförmigen Expansionsbereich oder -abschnitt 25 auf, der sich zwischen dem Mittelabschnitt 24 und dem zweiten Abschnitt 22 befindet. Der Expansionsabschnitt 25 hat eine freie Fläche, die größer ist als die freie Fläche des Mittelabschnitts 24 in Bezugsebenen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 16 und die größer wird, wenn sie sich dem zweiten Abschnitt 22 nähert. Die Abschnitte 20, 22, 24 und 25 stehen miteinander in Verbindung und haben kreisförmige Querschnitte in Bezugsebenen senkrecht zur Längsachse der Kassette 16. Vorzugsweise weisen zumindest die Wandteile, die den Mittelabschnitt 24 bilden, eine hydrophile Oberfläche auf, und besonders bevorzugt weisen die Wandteile, die alle Abschnitte 20, 22, 24 und 25 bilden, eine hydrophile Oberfläche auf. Als Wahlmöglichkeit weist die hydrophile Oberfläche eine Beschichtung aus Heparin auf.
Eine Außenseite des Gehäuses 16 weist einen mittleren Teil mit einer im allgemeinen ovalen Aussparung 26 auf. Mindestens ein Sensor zur Bestimmung eines oder mehrerer Parameter des Fluids in der Kammer 18 wird vom Gehäuse 16 getragen. In der gezeigten Ausführungsform befinden sich eine Serie von vier Sensoren zwischen der Aussparung 26 und dem Mittelabschnitt 24 der Fluidkammer 18, und die Sensoren sind in vier Hohlräumen angeordnet, die in einer ausgerichteten und beabstandeten Beziehung entlang der Längsachse des Gehäuses 16 angeordnet sind. Wie in 4 dargestellt, sind die Sensoren u. a. ein Ionen-(Kalium-)Sensor 28, ein pH-Sensor 30 und ein Kohlendioxidsensor 32 und ein Sauerstoffsensor 34, die in die Hohlräumen 27, 29, 31 bzw. 33 aufgenommen sind.
Bei Bedarf können zusätzliche Sensoren verwendet werden, wie nachstehend beschrieben. Sensoren, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar sind, weisen vorzugsweise eine mehrschichtige Anordnung auf, die haftend am Kassettengehäuse 16 befestigt sein kann.
Der Ionensensor 28 weist vorzugsweise die folgenden Schichten auf: (i) eine Trägermembran, (ii) einen Haftkleber (PSA), der auf die Trägermembran aufgebracht ist, (iii) ein Erfassungselement mit einer Ionenerfassungsverbindung, die an ein Substrat gebunden ist, wobei das Substrat auf der Membran (z. B. mittels eines nichtstörenden Klebers) befestigt ist, und (iv) eine äußerste deckfähige bzw. trübende Deckschicht auf der freiliegenden Oberfläche des Substrats.
Geeignete Haftkleber sind u. a. Silikonkleber und Polyurethankleber und andere, die in der Lage sind, eine Membran (nachstehend beschrieben) mit der Kassette zu verbinden. Vorzugsweise sind die Kleber im wesentlichen transparent für Wellenlängen des Lichts, die in erfindungsgemäßen Erfassungskassetten verwendet werden, und chemisch in Bezug auf geeignete Ionensensoren nichtstörend. Geeignete Silikonkleber sind u. a. PSA-518^TM (General Electric Co., Schenectady, NY), die im Beispiel 2 des US-Patents 5 508 509 beschrieben sind. Geeignete Polyurethankleber sind u. a. FLEXOBOND 431^TM (Bacon Co., Irvi ne, CA), der im Beispiel 3 des US-Patents 5 591 400 beschrieben ist.
Eine Trennfolie kann nützlich sein, wenn die Ionensensoren hergestellt werden, um die freiliegende Oberfläche der Haftschicht zu schützen. Diese Trennfolien können alle Trennfolien sein, die allgemein zu diesem Zweck in der Industrie verwendet werden, und werden entsprechend dem Kleber gewählt, von dem sie abzulösen sind. Beispiele für geeignete Trennfolien sind u. a. Poly(ethylenterephthalat) (PET), das als Wahlmöglichkeit zum leichteren Ablösen vom Kleber beschichtet sein kann, z. B. mit Silikon oder einem Fluorpolymer. Eine geeignete Trennfolie ist Scotch Pack 1022^TM (3 M Company, St. Paul, MN), ein PET-Film, der mit Perfluorpolyether beschichtet ist und der im US-Patent 5 508 509, Beispiel 2 beschrieben ist.
Die Trägermembran hat eine Stützfunktion (z. B. Steifigkeit und Handhabbarkeit) für die mehrschichtigen Anordnungen. Vorzugsweise ist die Trägermembran transparent und im wesentlichen undurchlässig oder viel weniger durchlässig als das Erfassungssubstrat für die Lösung, in der ein Zielion, z. B. Blut oder eine Eichlösung, vorhanden ist. Die Membran ermöglicht es vorzugsweise, daß das Signal oder die Signale, vorzugsweise die optischen Signale, vom Erfassungselement und Substrat durch diese hindurchgelangen. Besonders geeignete Materialien zum Aufbau dieser Trägermembran sind u. a. Polymermaterialien, z. B. Polyester, Polycarbonate, Polysulfone, einschließlich, jedoch ohne auf folgende beschränkt zu sein: Polyethersulfone und Polyphenylsulfone, Polyvinylidinfluorid, Polymethylpentene und dgl. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform für einen Ionensensor 28 ist die Trägermembran Polycarbonat.
Geeignete Ionensensoren, die als Kaliumsensor 28 verwendet werden können, sind in den US-Patenten 5 474 743 (Trend et al.), 5 176 882 (Gray et al.), 5 136 033 und 5 162 525 (Masilamani et al.); im US-Patent 5 958 782; und in der US-Patentanmeldung, Registrierungs-Nr. 52630USA7A beschrieben (zum gleichen Datum angemeldet und auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen).
Bevorzugte Sensoren 28 weisen eine fluoreszierende ionophore Verbindung ("den Ionophor") auf, die eine komplexbildende Komponente zum Binden eines Ions und eine fluoreszierende Komponente enthält. Die Verbindung hat eine Absorptionsmaximum-Wellenlänge von mindestens etwa 350 nm. Geeignete fluoreszierende Komponenten weisen vorzugsweise nahe beieinander liegende angeregte nπ* und ππ*-Zustände auf. Geeignete fluoreszierende Komponenten haben, wenn sie mit einer entsprechenden komplexbildenden Komponente gekoppelt sind, vorzugsweise die Fähigkeit zum ionenabhängigen Puckering aus der Ebene heraus. Außerdem ist die Energie des ππ*-Zustands geeigneter fluoreszierender Komponenten vorzugsweise ausreichend hoch, daß eine ionenabhängige Mischung die strahlungslose Kopplung mit dem Grundzustand dominiert. Besonders bevorzugte fluoreszierende Komponenten sind u. a. Cumarinkomponenten, obwohl andere aromatische Carbonyle oder Nitroaromaten oder N-heterocyclische Komponenten verwendet werden können. Geeignete ionenkomplexbildende Komponenten sind u. a. cyclische „Käfig" -Komponenten, die ein Ion binden können. Vorzugweise kann der Käfig ein Ion selektiv binden. Bevorzugte ionenkomplexbildende Komponenten sind u. a. Kryptanden- und Kronenetherkomponenten, wobei Kryptandenkomponenten besonders bevorzugt sind.
Ionen, die mit dem Ionophor erfaßt werden können, sind u. a. beispielsweise Ag⁺, Ba²⁺, Ca²⁺ Ce⁺, Cd²⁺, Fr⁺, Hg²⁺, K⁺, Li⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Pb²⁺, Ru⁺, Sr²⁺, Ti⁺ und Zn²⁺. Bei Bedarf kann das Ionophor in Verbindung mit einer Ionenselektionsmembran verwendet werden. Bevorzugte Sensoren weisen Ionophore auf, die K⁺, Na⁺ und Ca⁺² erfassen.
Geeignete fluoreszierende ionophore Verbindungen weisen Verbindungen mit der folgenden allgemeinen Formel (Formel "A") auf:
wobei gilt:
T ist O oder N unter folgender Bedingung: Wenn T gleich O ist, dann ist q gleich 0 und n gleich 0 bis 2, und wenn T gleich N ist, dann ist q gleich 1 und m und n sind unabhängig voneinander gleich 0 oder 1;
jedes R² ist unabhängig voneinander eine sterisch nichteingreifende Gruppe, die Komponenten, wie etwa Wasserstoff, Halogen aufweist, eine hydrocarbylhaltige Gruppe, eine heteroacyclische Gruppe oder eine Gruppe mit der Formel (CH₂X)_aE, wobei X O, NH oder eine Einfachbindung ist, E eine funktionelle Gruppe ist, die aktiven Wasserstoff aufweist und a eine ganze Zahl von 1 bis 100 ist;
R³ ist vorzugsweise eine nichtelektronenziehende Gruppe, die nichtelektronenziehende Komponenten aufweist, z. B. Wasserstoff, eine hydrocarbylhaltige Gruppe, eine heteroacyclische Gruppe, eine heterocyclische Gruppe oder eine Gruppe mit der Formel (CH₂X)_bE, wobei X und E wie oben definiert sind und b eine ganze Zahl von 0 bis 100 ist;
R¹ ist eine elektronenziehende oder polarisierbare Gruppe, die Komponenten aufweist, wie etwa Carboxyl, Carboxamid, Sulfonylaryl, Ester, Ketoalkylester, heterocyclische Komponenten und aromatische Gruppen (vorzugsweise an einer oder mehreren Stellen substituiert), besonders bevorzugte R¹-Gruppen weisen substituierte heterocyclische Komponenten mit der allgemeinen Formel (Formel "C") auf:
wobei Y und Y' unabhängig voneinander O, S, NH_x oder CH_y sind, wobei x gleich 0 oder 1 ist und y gleich 1 oder 2 ist, unter der Bedingung, daß mindestens eines von Y oder Y' O, S oder NH_x sein muß, wobei jede R⁴-Gruppe unabhängig voneinander Wasserstoff, Halogen, eine hydrocarbylhaltige Gruppe, eine heteroacyclische Gruppe, eine heterocyclische Gruppe oder eine Gruppe mit der Formel (CH₂X)_cE ist, wobei X und E wie oben definiert sind und c eine ganze Zahl von 0 bis 100 ist, oder beide R⁴-Gruppen zusammen mit den Kohlenstoffatomen, an die sie gebunden sind, einen 5- oder 6-gliedrigen Ring bilden, an den als Wahlmöglichkeit eine oder mehrere weitere R⁴-Gruppen gebunden sein können; und
Z ist O oder NR⁵, wobei R⁵ Wasserstoff oder eine hydrocarbylhaltige Gruppe ist, besonders bevorzugt ist R⁵ H oder eine C₁- bis C₄-Alkylgruppe und am meisten bevorzugt ist R⁵ gleich H.
Im allgemeinen haben Verbindungen der Formel A eine Anregungswellenlänge von mindestens etwa 350 nm und eine Emissionswellenlänge vorzugsweise von nicht mehr als etwa 500 nm. Bevorzugte Verbindungen (in denen beispielsweise R¹ eine heterocyclische Komponente mit der allgemeinen Formel der Formel "C" ist) haben eine Anregungswellenlänge von mindestens etwa 380 nm und eine Emissionswellenlänge von nicht mehr als etwa 500 nm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Substituentengruppen und ihre Position am Cumarinring so gewählt worden, daß das Anregungs- (d. h. Absorptions-)Maximum des erfindungsgemäßen Ionophors bei einer Wellenlänge zentriert ist, die größer als 380 nm ist. Dadurch kann der erfindungsgemäße Ionophor mit Festkörperlichtquellen verwendet werden, z. B. mit blauen LEDs und Lasern. Die Anregungswellenlänge und die Emissionswellenlänge dieser Verbindungen sind vorzugsweise mindestens etwa 10 nm voneinander getrennt, wodurch diese Verbindungen für auf Fluoreszenz beruhenden Kationenkonzentrationsmeßtechniken geeignet sind. Substituentengruppen und ihre Positionen sind auch vorzugsweise so gewählt, daß die Emissionswellenlänge unter 500 nm gehalten wird, so daß das Ansprechverhalten des Ionophors für diese Klasse von Indikatoren erhalten bleibt. Schließlich sind Substituentengruppen und ihre Positionen vorzugsweise so gewählt, daß die Möglichkeit für eine kovalente Bindung an Substrate gegeben ist. Vorzugsweise wird das Substrat, an das der Indikator gebunden wird, so gewählt, daß ein gleichmäßiges und reproduzierbares Verhalten des Ionophors unterstützt wird und die Wirkung einer physiologischen pH-Änderung auf das Verhalten des Ionophors minimiert wird. Geeignete Haftvermittler für kovalente Bindung sind im US-Patent 5 053 520 beschrieben. Homobifunktionelle und/oder heterobifunktionelle Haftvermittler sind in den Weltpatenten WO 96/07 268 und WO 96/10 747 beschrieben.
Vorzugsweise ist der Ionophor kovalent an ein geeignetes Substrat gebunden, das an der Trägermembran befestigt sein kann, wie nachstehend beschrieben. Das Substrat ist vorzugsweise ein Polymermaterial, das wasserquellend und für die gewünschten Ionenarten durchlässig ist und vorzugsweise in dem zu überwachenden Medium unlöslich ist. Besonders geeignete Substratpolymere sind u. a. beispielsweise ionendurchlässige Zellulosematerialien, hohes Molekulargewicht aufweisender oder vernetzter Polyvinylalkohol (PVA), Dextran, vernetztes Dextran, Polyurethane, quaternisierte Polystyrole, sulfonierte Polystyrole, Polyacrylamide, Polyhydroxylalkylacrylate, Polyvinylpyrrolidone, hydrophile Polyamide, Polyester und Gemische daraus. In einer besonders geeigneten Ausführungsform ist das Substrat ein Zelluloseerzeugnis, insbesondere eine ionendurchlässige vernetzte Zellulose. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform weist das Substrat eine regenerierte Zellulosemembran (CUPROPHAN^TM, Enka AG, Ohderstrasse, Deutschland) auf, die mit einem Epoxid vernetzt ist, z. B. mit Butanediol-Diglycidylether, das weiter mit einem Diamin reagiert, um Aminfunktionalität zu erreichen, die vom Zellulosepolymer abhängt, wie im US-Patent 5 591 400, Beispiel 4 beschrieben.
Der oben beschriebene Ionophor wird vorzugsweise mittels einer beliebigen geeigneten Reaktionstechnik, die von der chemischen Funktionalität des Ionophors abhängen kann, kovalent an das aminfunktionelle Zellulosesubstrat gebunden.
Das ionophorfunktionalisierte Zellulosesubstrat kann wahlweise haftend mittels eines beliebigen nichtstörenden Klebers an die oben beschriebene Trägermembran gebunden werden. Vorzugsweise ist der Kleber im wesentlichen transparent für Licht, das bei der Anregung des Ionophors verwendet wird, und für Licht, das von dort emittiert wird. Ein solcher geeigneter Kleber ist der Urethankleber FLEXOBOND 431^TM (Bacon Co., Irvine, VA).
Als Alternative kann das funktionalisierte Substrat mit der Membran thermisch verschmolzen werden, vorausgesetzt, die Bedingungen, die für die thermische Verbindung notwendig sind, sind nicht nachteilig für das Funktionieren des Ionophors, des Sensors und der Trägermembran.
Die äußerste Schicht der mehrschichtigen Erfassungsanordnung, d. h. die Schicht in unmittelbarem Kontakt mit dem zu überwachenden Fluid, weist vorzugsweise eine deckfähige Schicht auf, die den Ionophor in der Erfassungsanordnung optisch trennt. Das Deckmittel kann aufgebracht werden, bevor die Ionophorsubstratkomponente auf die Trägermembran aufgebracht wird, wie in den US-Patenten 5 081 041 und 5 081 042 beschrieben, oder nachdem die Erfassungskomponente auf dem Substrat befestigt ist. Es kann direkt am Erfassungselement befestigt werden, oder es kann vom Erfassungselement getrennt sein. In bevorzugten Ausführungsformen wird es aufgebracht, nachdem die Erfassungskomponente auf der Trägermembran befestigt worden ist.
Die Deckschicht ist vorzugsweise ein Material, das für den gewünschten Analyt durchlässig ist, z. B. ein Polymermaterial, wie oben beschrieben, das ein Deckmittel, z. B. Rußschwarz, oder ein auf Kohlenstoff beruhendes Deckmittel, Eisentrioxid, metallische Phthalocyanine und dgl. enthält. Solche Deckmittel sind vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßig im Polymer in einer Menge verteilt, die effektiv ist, um den gewünschten Grad der Deckung zu ermöglichen, um die gewünschte optische Trennung zu erreichen. Ein besonders geeignetes Deckmittel ist Rußschwarz. Die Deckschicht kann auch eine Farbbeschichtung auf dem Erfassungselement sein, die unter Verwendung vieler verschiedener Techniken aufgebracht wird, z. B. durch eine Tintenstrahltechnik oder eine Farbbeschichtungstechnik. Die Deckschicht kann auch eine schwarze Membran sein, die auf die Kassette, die das Erfassungselement hält, geheftet oder thermisch aufgebracht wird. Beispielsweise kann sie eine schwarze DURAPORE^TM-Membran sein (vertrieben von Millipore als weiße Membran) die dann mit schwarzer Farbe behandelt und mit der Kassette heiß verklebt wird, wie in den US-Patenten 5 508 509 und 5 591 400 beschrieben. Eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform weist Rußschwarz auf, das in einer Matrix aus epoxidvernetztem Dextran dispergiert ist, wie im US-Patent 4 919 891 beschrieben.
Eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform des Sensors 28 weist eine Erfassungsschicht auf, die 6,7-[2.2.2]-Cryptando-3[2''-(5''-carboxy)furyl]cumarin aufweist, die kovalent an eine vernetzte Amin-funktionelle Cellulosemembran (CUPROPHAN^TM, Enka AG, Ohderstraße, Deutschland) gebunden ist, wobei die Erfassungsschicht mittels des Urethanklebstoffs FLEXOBOND 430^TM auf einer Polycarbonatträgermembran haftet und die Trägermembran mit einem CW14^TM-Haftklebstoff auf einer Trennlage versehen ist.
Geeignete pH-Sensoren 30 sind im US-Abänderungspatent Re 31 879 (Lubbers), in den US-Patenten 4 798 738 (Yafuso), 4 824 789 (Yafuso), 4 886 338 (Yafuso), 4 999 306 (Yafuso), 5 081 041 (Yafuso), 5 081 042 (Yafuso), 5 127 077 (Iyer), 5 132 057 (Tomisaka), 5 403 746 (Bentsen), 5 508 509 (Yafuso) und 5 591 400 (Dektar et al.) beschrieben.
Der pH-Sensor 30 weist vorzugsweise die folgenden Schichten auf: (i) eine Trägermembran, (ii) einen Haftkleber (PSA), der auf die Trägermembran aufgebracht ist, (iii) ein Erfassungselement mit einer pH-Erfassungskomponente, die mit einem Substrat verbunden ist, wobei das Substrat an der Membran befestigt ist (z. B. durch einen nichtstörenden Kleber) und (iv) eine äußerste deckfähige Deckschicht auf der freiliegenden Fläche des Substrats. Mit Ausnahme des pH-Sensors sind diese Schichten und der mehrschichtige Aufbau im wesentlichen so beschaffen, wie oben für den Kaliumionensensor 28 beschrieben.
Geeignete pH-Erfassungskomponenten sind u. a. viele bekannte pH-Indikatoren und/oder funktionalisierte Derivate solcher Indikatoren. Zu den geeigneten pH-Erfassungskomponenten gehören Hydroxypyrentrisulfonsäure ("HPTS") und Derivate, z. B. deren Salze, Phenolphthalein, Fluorescein, Phenolrot, Cresolrot, Pararosanilin, Magentarot, Xylenolblau, Bromkresolpurpur, Bromphenolblau, Bromthymolblau, Metakresolpurpur, Thymolblau, Bromphenolblau, Bromthymolblau, Tetrabromphenolblau, Bromchlorphenolblau, Bromkresolgrün, Chlorphenolrot, o-Kresolphthalein, Thymolphthalein, Metanilgelb, Diphenylamin, N,N-Dimethylanilin, Indigoblau, Alizarin, Alizaringelb GG, Alizaringelb R, Kongorot, Methylrot, Methylviolett 6B, 2,5-Dinitrophenol und/oder die verschiedenen funktionalisierten Derivate der oben genannten Arten. Erfassungskomponenten für andere Ionenarten können aus organischen Arten hergestellt werden, die Fluorescein, Diiodfluorescein, Dichlorfluorescein, Phenosafranin, Rose Bengal, Cosin-I-Bläulich (engl. Cosin I bluish), Cosin-Gelblich (engl. Cosin yellowish), Magneson, Tartrazin, Eriochromschwarz T, Cumarin, Alizarin und andere enthalten. Die bevorzugte pH-Erfassungskomponente ist Hydroxypyrenetrisulfonsäure (HPTS), Derivate der Hydroxypyrentrisulfonsäure und Gemische daraus.
Zusätzliche geeignete Indikatorkomponenten zur erfindungsgemäßen Verwendung sind u. a.: 9-Amino-6-chlor-2-methoxyacridin; 2',7'-Bis-(2-carboxyethyl)-5-(und-6)-carboxyfluorescein; 2',7'-Bis-(2-carboxyethyl}-5-(und-6)-carboxyfluorescein-acetoxymethylester; 2',7'-Bis-(2-carboxyethyl}-5-(und-6}-carboxyfluorescein-acetoxymethylester; 5-(und-6)-Carboxy-2',7'-dichlorfluorescein; 5-(und-6)-Carboxy-2',7'-dichlorfluoresceindiacetat; 5-(und-6)-Carboxy-4',5'-dimethylfluorescein; 5-(und-6)-Carboxy-4',5'-dimethylfluoresceindiacetat; 5-Carboxyfluorescein; 6-Carboxyfluorescein; 5-(und-6)-Carboxyfluorescein; 5-Carboxyfluoresceindiacetat; 6-Carboxyfluoresceindiacetat; 5-Carboxyfluoresceindiacetatacetoxymethylester; 5-(und-6)-Carboxyfluoresceindiacetat; 5- (und-6)-Carboxynaphthofluorescein; 5-(und-6)-Carboxynaphthofluoresceindiacetat; 5-(und-6)-CarboxySNAFL^®-1-succinimidylester {5'(und 6')-Succinimidylester-3,10-dihydroxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on}; 5-{und-6)-CarboxySNAFL^®-2-succinimidylester {5'(und 6')-Succinimidylester-9-chlor-3,10-dihydroxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)isobenzofuran]-3'-on}; CarboxySNAFL^®-1{5'(und 6')-carboxy-3,10-dihydroxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on}; CarboxySNAFL^®-1-diacetat{5'(und 6')-carboxy-3,10-diacetoxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran1-3'-on}; Carboxy-SNAFL^®-2 {5'(und 6')-carboxy-9-chlor-3,10-dihydroxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on}; Carboxy-SNAFL^®-2-diacetat {5'(und 6')-carboxy-9-chlor-3,10-diacetoxyspiro[7H-benzo[c]xanthene-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on}; CarboxySNARF^®-1 {5'(und 6')-carboxy-10-dimethylamino-3-hydroxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on}; CarboxySNARF^®-1-AM-acetat {3-acetoxy-5'-acetoxymethoxycarbonyl-10-dimethylamino-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran-3'-on}; CarboxySNARF^®-2{5'(und 6'}-carboxy-10-diethylamino-3-hydroxy-spiro[7H-benzo[c}xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran}-3'-on}; CarboxySNARF^®-2-AM-acetat {3-acetoxy-5'-acetoxymethoxycarbonyl-10-diethylamin-3-hydroxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran)-3'-on}; CarboxySNARF^®-6 {5' (und 6')-carboxy-10-diethylamino-3-hydroxy-spiro[7H-benzo[c}xanthene-7,1'(3'H)-isobenzofuran)-3'-on}; CarboxySNARF^®-X {5'(und 6')-carboxy-3-hydroxy-tetrahydrochinolizino[1,9-hi]spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on}; 5- Chlormethylfluoresceindiacetat; 4-Chlormethyl-7-hydroxycumarin; Cl-NERF {4-[2-chlor-6-(ethylamino}-7-methyl-3-oxo-3H-xanthen-9-yl]-1,3-benzoldicarbonsäure}; Dextran, BCECF, 10000 Mol.-Gew., anionisch {Dextran, 2',7'-bis(2-carboxyethyl)-5(und 6}-carboxyfluorescein, anionisch}; Dextran, BCECF, 40000 Mol.-Gew., anionisch {Dextran, BCECF, 70000 Mol.-Gew., anionisch; Dextran, Cl-NERF, 10000 Mol.-Gew., anionisch; Dextran, Cl-NERF, 70000 Mol.-Gew., anionisch; Dextran, Cl-NERF, 10000 Mol.-Gew., anionisch, Lysin fixierbar; Dextran, DM-NERF, 10000 MW, anionisch {Dextran, 4-[2,7-Dimethyl-6-(ethylamino)-3-oxo-3H-xanthen-9-yl]-1,3-benzol-dicarbonsäure, anionisch}; Dextran, DM-NERF, 70000 Mol.-Gew., anionisch; Dextran, DM-NERF, 10000 Mol.-Gew., anionisch, mit Lysin fixierbar; Dextran, 7-Hydroxycumarin, 10000 Mol.-Gew., neutral; Dextran, 7-Hydroxycumarin, 70000 Mol.-Gew., neutral; Dextran, b-Methylumbelliferon, 10000 Mol.-Gew., neutral; Dextran, b-Methylumbelliferon, 70000 Mol.-Gew., neutral; Dextran, SNAFL^®-2, 10000 Mol.-Gew., anionisch {Dextran, 9-Chlor-3,10-dihydroxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]3'-on, anionisch}; Dextran, SNAFL^®-2, 70000 Mol.-Gew., anionisch {Dextran, 10-Dimethylamino-3-hydroxyspiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on, anionisch}; Dextran, SNARF^®-1, 10000 Mol.-Gew., anionisch; Dextran, SNARF^®-1, 70000 Mol.-Gew., anionisch; 1,4-Dihydroxyphthalonitril; DM-NERF {4-[2,7-Dimethyl-6-ethylamino)-3-oxo-3H-xanthen-9-yl]1,3-benzoldicarbonsäure}; Fluoresceindiacetat; 8-Hydroxypyren-1,3,6-trisulfonsäure, Trinatriumsalz; Naphthofluorescein; Naphthofluoresceindiacetat; SNAFL^®-1{3,10-dihydroxy-spiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on}; und SNAFL^®-1, Diacetat{3,10-diacetoxyspiro[7H-benzo[c]xanthen-7,1'(3'H)-isobenzofuran]-3'-on}.
In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist ein HPTS-Indikator kovalent an ein aminfunctionelles CUPROPHAN^TM-Substrat gebunden, das mittels Polyurethankleber FLEXOBOND 431^TM mit einer Polycarbonat-Trägermembran verbunden ist. Das Erfassungssubstrat ist mit einer epoxidharzvernetzten Dextran-Matrix mit dispergiertem Rußschwarz verbunden.
Geeignete Kohlendioxidsensoren 32 sind im US-Abänderungspatent Re 31 879 (Lubbers), in den US- Patenten 4 557 900 (Heitzmann), 4 824 789 (Yafuso), 4 849 172 (Yafuso), 4 867 919 (Yafuso), 4 919 891 (Yafuso), 5 127 077 (Iyer), 5 175 016 (Yafuso), 5 272 088 (Morlotti), 5 403 746 (Bentsen), 5 453 248 (Olstein) und 5 508 509 (Yafuso) beschrieben.
Der Kohlendioxidsensor 32 kann auch die Form einer mehrschichtigen Anordnung haben. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform weist die Erfassungssubstratschicht des Sensors 32 eine hydrophobe Matrix auf, in der eine Vielzahl von hydrophilen Partikeln oder Perlen dispergiert sind, die einen Kohlenstofferfassungsindikator tragen. Der Indikator kann an oder in den Perlen geeignet angebracht sein.
Da die Perlen hydrophil sind, sind sie geeignet, eine wäßrige Lösung des Indikators aufzunehmen und festzuhalten. "Hydrophil" bezeichnet ein Material, z. B. eine Polymersubstanz, das einen großen Wasseranteil (z. B. mehr als 20% seines Gewichts) in seiner Struktur festhalten kann, aber sich nicht in Wasser löst. Hydrophile Materialien, die als Perlen in Kohlendioxidsensoren geeignet sind, sind u. a. Glasperlen oder Hydrogele, Polyacrylamid, vernetztes Dextran, Agarose, Poly(hydroxyalkylmethacrylat), sulfoniertes Polystyrol und dgl. Ein gegenwärtig bevorzugtes hydrophiles Perlenmaterial ist das vernetzte Dextran SEPHADEX 75G^TM (Pharmacia Biotech, Inc., Piscataway, NJ).
Bei der Erfassung von Kohlendioxidkonzentrationen, gibt es folgende Beispiele für Absorbanzindikatoren, die verwendet werden können: Chlorphenylrot, Bromcresolpurpur, Nitrophenol, Bromthymolblau, Pentachlorom, Phenolrot und dgl. Geeignete Fluoreszenzindikatoren für Kohlendioxid sind u. a. die unten aufgeführten Sensoren, die zur pH-Erfassung geeignet sind, Beta- Methylumbelliferon, Fluoreszein und dgl. Ein besonders geeigneter Kohlendioxidsensor ist Hydroxypyren-3,6,8-trisulfonsäure, die hier als HPTS bezeichnet wird, oder Hydroxypyrentrisulfonsäure und Derivate, z. B. Salze der HPTS. Die besonders bevorzugte Erfassungskomponente, insbesondere zum Erfassen der Kohlendioxidkonzentration im Blut, ist aus HPTS, Derivaten der HPTS und Gemischen daraus gewählt. Die Alkali- und Erdalkalimetallsalze der HPTS sind geeignete HPTS-Derivate.
Das hydrophobe Matrixmaterial, in dem die Perlen dispergiert sind, die einen geeigneten Indikator tragen, ist vorzugsweise für Anregungs- und Emissionswellenlängen transparent, die in erfindungsgemäßen Erfassungskassetten verwendbar sind, und ist ansonsten für Kohlendioxid, den Absorbanz- oder Fluoreszenzindikator und die Perlen inert. Die hydrophobe Matrix dient dazu, den Indikator zu isolieren, während das Kohlendioxid hindurchdiffundieren kann. Geeignete hydrophobe Mat rixmaterialen sind zahlreiche Silicone, z. B. Siliconelastomer, bei Raumtemperatur vulkanisierbarer (RTV) Siliconkautschuk, durch Wärme vulkanisierbarer Siliconkautschuk, Polydimethylsiloxan, Poly(vinylsiloxan), Silicon-Polycarbonatcopolymer und dgl. sowie perfluorinierte (Polyether)-Urethane. Besonders bevorzugte Siliconmatrixmaterialien sind u. a. Dimethylsiloxan PS 443^TM mit endständiger Vinylgruppe und Polydimethylsiloxan PE1055TM, beide vertrieben von Petrarch Systems, Inc.
In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform, weist der Kohlendioxidsensor 32 eine Erfassungsschicht mit einem HPTS-Erfassungsfarbstoff auf den vernetzten Dextranperlen SEPHADEX 75G^TM in einer Siliconmatrix auf, die auf einer Polycarbonat-Trägermembran haftet und mit einer deckfähigen Schicht mit in einer Siliconmatrix despergiertem Eisenoxidpigment überzogen ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann eine Lösung eines geeigneten Indikatorfarbstoffs in einem wäßrigen Puffer ausgebildet werden, und die Lösung kann mit einem flüssigen Vorläufer der hydrophoben Polymermatrix emulgiert werden. Nach der Polymerisation des Vorläufers ist der emulgierte Indikator im wesentlichen gleichmäßig in der gesamten Polymermatrix dispergiert. Die oben beschriebenen Indikatorfarbstoffe und Siliconpolymers können in der Ausführungsform verwendet werden.
Geeignete Sauerstoffsensoren 34 sind in den US-Patenten 4 557 900 (Heitzmann), 4 849 172 (Yafuso), 4 867 919 (Yafuso), 4 919 891 (Yafuso), 5 043 285 (Surgi), 5 127 077 (Iyer), 5 296 381 (Yafuso), 5 409 666 (Nagel et al.), 5 453 248 (Olstein), 5 462 879 (Bentsen), 5 462 880 (Kane), 5 480 723 (Klainer), 5 498 549 (Nagel et al.) und 5 508 509 (Yafuso) und in der europäischen Patentanmeldung EP 585 212 beschrieben.
Der Sauerstoffsensor 34 kann die Form einer mehrschichtigen Erfassungsanordnung haben. Insbesondere kann der Aufbau des Sauerstoffsensors 34 dem Kohlenstoffdioxidsensor 32 insofern sehr ähnlich sein, daß die Erfassungsschicht einen Erfassungsfarbstoff oder einen Indikator in einer gasdurchlässigen (z. B. Silicon-)Matrix aufweist, und die Deckschicht kann ein Pigment in einer Siliconmatrix aufweisen. Die gasdurchlässigen Matrixmaterialien, die im Sauerstoffsensor 34 verwendbar sind, können vorzugsweise die gleichen sein wie die oben beschriebenen.
Geeignete Sauerstofferfassungsindikatoren umfassen Fluoreszenzindikatoren mit einer oder mehreren polynuklearen aromatischen Verbindungen, Derivate von polynuklearen aromatischen Verbindungen und dgl. Beispiele für solche polynuklearen aromatischen Verbindungen sind u. a. Decacyclen, Benzo-ghiperylen und Coronen. Sauerstoffindikatoren können ein Gemisch aus tertiären Butylderivaten solcher polynuklearer aromatischer Verbindungen aufweisen. Solche Indikatoren sind ausführlicher in Yafuso, et al., US-Patent 4,849,172 beschrieben.
Zusätzliche geeignete Sauerstoffindikatoren weisen auf: Komplexe von Ruthenium(II), Osmium(II), Iridium(III), Rhodium, Rhenium, und Chrom(III) mit 2,2'-Bipyridin, 1,10-Phenanthrolin, 4,7-Diphenyl-1,10-phenanthrolin, 4,7-Dimethyl-1,10-phenanthrolin, 4,7-disulfoniertes Diphenyl-1,10-phenanthrolin, 2,2'-Bi-2-thiazolin, 2,2'-Bithiazol, 5-Brom-1,10-phenanthrolin und 5-Chlor-1,10-phenthrolin und Komplexe von Co(II), Cu(II), Pt(II), Pd(II) und Zn(II) mit Porphyrin, Etioporphyrin, Tetraphenylporphorin, Tetrafluorphenylporphirin, Tetrabenzporphirin, Tetrafluorbenzporphirin, Tetrachlorbenzporphirin, Mesoporphirin-IX-diester, Protoporphirin-IX-dimethylester, und Octaethylporphorin. Rutheniumkomplexe sind unter den Metallkomplexen bevorzugt.
Die Sauerstoffindikatoren können an die Polymermaterialien oder Matrixmaterialien kovalent gebunden sein, die in der Erfassungsverbindung enthalten sind. Eine solche kovalente Bindung wird vorzugsweise durch Bereitstellung einer Sauerstoffindikatorkomponente mit einer reaktionsfähigen Gruppe erreicht, die mit einer reaktionsfähigen Gruppe reagiert, vorzugsweise mit einer anderen reaktionsfähigen Gruppe, die in einer der Komponenten des Vorläufers des Polymermatrixmaterials vorhanden ist. Während der Ausbildung des Polymermatrixmaterials reagieren also die oben genannten reaktionsfähigen Gruppen, um den Sauerstoffindikator an das Matrixmaterial kovalent zu binden. Besonders geeignete Sauerstoffindikatorkom ponenten sind u. a. die oben genannten polycyclischen aromatischen Verbindungen, die so deriviert sind, daß sie eine reaktionsfähige Gruppe enthalten, z. B. eine reaktionsfähige Gruppe mit einer funktionellen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Ungesättigtheit. Vinylderivate solcher Verbindungen sind besonders bevorzugt.
Als Alternative kann der Sauerstoffsensor ein Erfassungselement, eine Anregungseinrichtung und eine Detektionseinrichtung aufweisen, wobei die Erfassungseinrichtung eine oder mehrere, vorzugsweise eine oder zwei Monomerindikatorkomponenten aufweist, die sich vorzugsweise in einem Matrixmaterial, bevorzugt in einem festen Matrixmaterial befinden und besonders bevorzugt kovalent an dieses gebunden sind. Jede dieser Monomerindikatorkomponenten ist in der Lage, ein erstes emittiertes Signal mit einer gegebenen Wellenlänge als Antwort auf die Einwirkung eines ersten Anregungssignals bereitzustellen. Ferner ist dieses Erfassungselement in der Lage, ein zweites emittiertes Signal (infolge der Emission durch den Komplex im angeregten Zustand) bereitzustellen, vorzugsweise mit einer längeren Wellenlänge als das erste emittierte Signal oder die Signale, als Antwort auf ein zweites Anregungssignal.
In einer besonders geeigneten Ausführungsform reagiert die Indikatorkomponente empfindlich auf die Sauerstoffkonzentration in einem Fluid und weist eine oder mehrere polynukleare aromatische Verbindungen und/oder eine oder mehrere Derivate davon auf. Die polynukleare aromatische Verbindung ist vorzugsweise ein fluoreszierender oder absorbierender, besonders bevorzugt fluoreszierender optischer Indikator der polynuklearen aromatischen Klasse. Die polynukleare aromatische Verbindung, von der die Indikatorkomponente abgeleitet ist, ist mit größerer Bevorzugung aus der Gruppe gewählt, die aus Perylen, Decacyclen, Benzoperylen (z. B. Benzo[ghi]perylen), Coronen, Pyren, Porphycin, Porphyrin, Chlor, Phthalocyanin und Derivaten und Gemischen daraus besteht. Da Perylen und Derivate des Perylens eine relativ verminderte Empfindlichkeit für Sauerstoff haben, werden andere polynukleare aromatische Verbindungen, z. B. die hier aufgeführten, vorzugsweise verwendet, wenn der Analyt Sauerstoff ist. Wenn eine Eximerkomponente verwen det werden soll, wird die Monomerindikatorkomponente vorzugsweise aus einer polynuklearen aromatischen Verbindung, Derivaten der gleichen einen polynuklearen aromatischen Verbindung oder Gemische daraus gewählt. Ausgezeichnete Ergebnisse werden erreicht, wenn die polynukleare aromatische Verbindung Benzo[ghi]perylen ist.
Bei Bedarf kann die polynukleare aromatische Grundverbindung mit einer oder mehreren anderen Gruppen abgeleitet werden, z. B. mit nichtfunktionellen Substituentengruppen, z. B. Alkylgruppen, vorausgesetzt, eine solche Ableitung behindert nicht wesentlich die Erzeugung des zu emittierenden Signals durch den Komplex im angeregten Zustand. Solche Derivate sind in Nagel et al., US-Patent 5 409 666 beschrieben. Beispielsweise soll die Monomerindikatorkomponente eines Erfassungselements, das durch kovalente Bindung von Vinylbenzo[ghi]perylen an ein Additionshärtungssilikonpolymer gebunden ist, ein Derivat von Benzo[ghi]perylen sein.
Monomerkomponenten, die im Sensor 34 verwendbar sind, können beispielsweise aufweisen: zwei oder mehr gleiche Monomer-Indikatorkomponenten, zwei oder mehr unterschiedliche Monomerindikatorkomponenten oder eine oder mehrere, vorzugsweise eine Monomerindikatorkomponente und eine oder mehrere, vorzugsweise eine Monomer-Nichtindikatorkomponente. Vorzugsweise haben solche Monomerkomponenten keine wesentliche ungünstige Auswirkung auf das Erfassungselement, das Sensorsystem, den Analyt oder das Medium, dem das Erfassungselement ausgesetzt ist.
Beispiele von Monomerkomponenten, die mehrere bevorzugte Sauerstofferfassungskomponenten erzeugen, sind u. a.: (1) polynukleare aromatische Monomerkomponenten; (2) aliphatische oder aromatische, Amin-haltige oder aromatische Ether-haltige Monomerkomponenten; und (3) aromatische Nitrilmonomerkomponenten. Besonders bevorzugte Exciplexkomponenten weisen mindestens eine Monomerkomponente, die aus einer Gruppe (1) gewählt ist, und mindestens eine Monomerkomponente auf, die aus einer Gruppe (2) gewählt ist. Als Alternative weist eine weitere besonders bevorzugte Komponente mindestens eine Monomerkomponente, die aus einer Gruppe (3) gewählt ist, und mindestens eine Monomerkomponente auf, die entweder aus Gruppe (1) oder (2) gewählt ist.
Beispiele für geeignete aromatische Monomerkomponenten (Gruppe 1) sind u. a. Biphenyl, Naphthalin, Phenanthren, p-Terphenyl, Chrysen, Benzpyren, Pyren, Dibenzanthren, Benzanthren, Anthracen, Perylen, Benzperylen, Fluoranthen, Coronen, Chinolin, Phenylchinolin, Benzchinolin, Chinoxalin, Dibenzchinoxalin, Benzchinoxalin, Phthalimid, Pyridin, Phenazin, Dibenzphenzin, Acridin, Benzacridin and Derivate dieser Verbindungen. Beispiele für geeignete aliphatische oder Aminhaltige oder aromatische Ether-haltige Monomerkomponenten (Gruppe 2) sind u. a. Tetramethyl-p-phenylendiamin, Dimethoxydimethylanilin, Methoxydimethylanilin, Diethylanilin, Diphenylmethylamin, Triethylamin, Indol, Dimethyltoluidin, Tri-p-anisylamin, Ditolylmethylamin, Tritolylamin, Triphenylamin, Ethylcarbazol, Trimethoxybenzol, Tetramethoxybenzol und Derivate dieser Verbindungen. Beispiele für aromatische Nitrilakzeptor-Monomerkomponenten (Gruppe 3) sind u. a. Benzonitril, Cyanonaphthalin, Dicyanobenzol und Derivate dieser Verbindungen.
Jedes dieser Monomerkomponentenpaare kann an ein Matrixmaterial, z. B. Silikon, angebunden und/oder kovalent gebunden werden.
In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform weist der Sauerstoffsensor 34 eine Erfassungsschicht mit Vinylbenzo[ghi]perylen auf, das an eine Silikonmatrix kovalent gebunden ist, die vernetztes Polyalkyl(aryl)hydrosiloxan aufweist, das auf einer Polycarbonatträgermembran haftet und mit einer Silikonmatrix aus dispergiertem Rußschwarz überzogen ist.
In einer gegenwärtig besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor 28 als mehrschichtiges Laminat vorgesehen, das an der Kassette 12 im Hohlraum 27 befestigt ist. Der Ionensensor 28 und der pH-Sensor 30 sind vorzugsweise nahe dem ersten "Einlaßabschnitt" 20 der Fluidkammer 18 so angeordnet, daß sie während der Eichung in der unteren Hälfte der Kassette positioniert sind. Dadurch wird sichergestellt, daß die Sensoren 28 und 30 während der Eichung der Flüssigkeit ausgesetzt sind. Die Sensoren 32 und 34 reagieren weniger empfindlich auf das notwendige Eintauchen in die Flüssigkeit während der Eichung.
Als Alternative kann die Kassette 12 Sensoren für Kalium, Natrium, Calcium und Glukose aufweisen, wobei diese Sensoren im wesentlichen die gleiche Chemie verwenden, wie oben beschrieben. Beispielsweise kann die Kalium-, Natrium- und Calciumionendetektion geeignete ionophore Cumarocryptanden nach der Formel A verwenden, wobei die Größe des Cryptandenkäfigs für jedes Ion spezifisch ist. Ein geeigneter Glukosesensor kann irgendeinen der Sauerstoffsensoren aufweisen, die oben beschrieben sind, und die durch das Vorhandensein der Enzymglukoseoxidase modifiziert sind. Die Glukosedetektion kann auf dem Mangel an Sauerstoff während der enzymatischen Oxidation der Glukose beruhen, wie beispielsweise im US-Patent 5 518 694 beschrieben. Bei kleineren Modifikationen des unten beschriebenen optischen Systems kann die Meßvorrichtung 14 so angepaßt werden, daß sie diese anderen Sensoren aufnehmen kann. In bestimmten Anwendungen, z. B. bei der kardiovaskulären Blutparameterüberwachung, kann es vorteilhaft sein, beide Typen von Meßvorrichtungen zu verwenden.
Andere Sensoren, die in der Kassette 12 verwendet werden können, können beispielsweise einen auf Fluoreszenz beruhenden Temperatursensor aufweisen, z. B. einen, der durch Immobilisierung eines Ruthenium-Indikators hergestellt werden kann, z. B. Ruthenium(II)(diphenylphenanthrolin)₃(dimethylsilylpropansulfonat)₂, in einer sauerstoffundurchlässigen Matrix, z. B. Poly(methylmethacrylat).
Ein Loch im Gehäuse 16 befindet sich zwischen dem pH-Sensor 30 und dem Kohlendioxidsensor 32. Eine Thermistoraufnahmevertiefung 36 ist am Gehäuse 16 angebracht und erstreckt sich über dem Loch. Die Vertiefung 36 hat eine hutförmige Konfiguration mit einem Rand, der durch einen Kleber mit Wandteilen des Gehäuses 16 verbunden ist, die dem Mittelabschnitt 24 der Fluidkammer 18 gegenüberliegen. Ein geeigneter Kleber ist ein Acrylurethankleber, z. B. der Kleber der Marke "UV Cure" von Loctite Corporation. Die Vertiefung 36 weist vorzugsweise ein korrosionsbeständiges Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die einem Metall entspricht, z. B. Titan mit einer Dicke von 0,004 Zoll (0,1 mm) auf. Wie beispielsweise in 5 und 6 dargestellt, ragt die Vertiefung 36 in den Mittelabschnitt 24 der Fluidkammer 18, um einen engen Wärmekontakt mit dem dortigen Fluid herzustellen.
Das Gehäuse 16 weist auch einen im allgemeinen ovalen Rand 40 auf, der die Aussparung 26 umgibt und sich in einer Richtung weg von der Längsachse des Gehäuses 16 nach außen erstreckt. Wie man mit Bezug auf 4 anerkennen wird, stimmen die Hauptachsen der ovalen Aussparung 26 und des umgebenden Randes 40 überein und erstrecken sich durch die Mitte der Sensoren 28, 30, 32, 34 und der Vertiefung 36 und sind auch parallel mit den Längsachsen des Gehäuses 16 und der Fluidkammer 18.
Ein halbzylindrischer Ausrichtungskeil 42 ist einstückig mit einer Innenwand des Randes 40 verbunden. Vorzugsweise ist der Ausrichtungskeil 42 so ausgerichtet, daß eine Bezugsebene, die senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 16 ist und sich mit gleichbleibendem Abstand zwischen dem Sensor 32 und dem Sensor 34 erstreckt, den Keil 32 entlang seiner mittleren diametralen Ebene halbiert.
Die Kassette 12 weist ferner eine erste, männliche Kupplung 44 zum lösbaren Verbinden des Gehäuses 16 mit der Meßvorrichtung 14 auf. Die Kupplung 44 hat eine konvexe, im allgemeinen U-förmige Konfiguration in Richtungen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 16, wie in 2 und 3 dargestellt. Die Kupplung 44 weist einen bereits erwähnten Mittelteil des Gehäuses 16 und gegenüberliegende Schenkelabschnitte 46 auf, die sich vom Gehäuse 16 in einer Richtung weg von der Richtung der Auswärtserstreckung des Randes 40 nach außen erstrecken. Jeder Schenkelabschnitt 46 weist ein Paar Stützteile mit flachen, koplanaren Außenflächen 47 auf (siehe beispielsweise 2, 3 und 7; in 4 weggelassen), die parallel zur Außenseite des jeweiligen Schenkelabschnitts 46 sind. Vorzugsweise konvergieren die Außenflächen 47 der gegenüberliegenden Schenkelabschnitte 46, während sie sich dem Gehäuse 16 nähern, und erstrecken sich entlang jeweiliger Bezugsebenen, die in einem Winkel im Bereich von etwa 28 Grad bis etwa 32 Grad relativ zueinander ausgerichtet sind. Beson ders bevorzugt erstrecken sich die Außenflächen 47 entlang jeweiliger Bezugsebenen, die in einem Winkel von etwa 30 Grad relativ zueinander ausgerichtet sind.
Ein Flansch 48 ist einstückig mit dem äußeren Ende jedes Schenkelabschnitts 46 verbunden. Die Flansche 48 liegen in einer gemeinsamen Bezugsebene, die parallel zur Längsachse des Gehäuses 16 ist. Die Schenkelabschnitte 46 sind etwas flexibel und können unter Fingerdruckeinwirkung geringfügig zueinander bewegt werden, haben aber auch einen ausreichenden Memory-Effekt, um schnell und wiederholt in ihre ursprüngliche, normale Ausrichtung zurückzukehren, wie in den Zeichnungen dargestellt, wenn der Fingerdruck nachläßt.
Ein äußerer, mittlerer Endbereich jedes Schenkelabschnitts 46 ist einstückig mit einer keilförmigen Nase 50 verbunden, die zwischen den Stützteilen liegt. Die Nasen 50 erstrecken sich voneinander weg und von den jeweiligen Schenkelabschnitten 46 entlang jeweiliger Bezugsebenen nach außen, die in einem Winkel von etwa 80 Grad relativ zueinander ausgerichtet sind. Zusätzlich erstreckt sich eine distale Kante jeder Nase 50 in einer Bezugsebene, die in einem Winkel von 25 Grad zur Richtung der Ausdehnung der Flansche 48 ausgerichtet ist. Äußerste Kanten der Nasen 50 sind nach außen relativ zu angrenzenden Bereichen jeweiliger Schenkelabschnitte 46 beabstandet und liegen in einer gemeinsamen Bezugsebene, die zwischen der Längsachse des Gehäuses 16 und der oben erwähnten Bezugsebene ist, die die Flansche 48 enthält.
Vorzugsweise weist das Gehäuse 16 ein relativ durchsichtiges Kunststoffmaterial, z. B. Polycarbonat in medizinischer Qualität, auf und ist aus zwei oder mehr anfänglich getrennten Stücken, die spritzgegossen und dann zusammengefügt werden, konstruiert. Ein Beispiel eines geeigneten zweistückigen Aufbaus ist in 7 gezeigt. In 7 weist ein Stück des Gehäuses 16 die Aussparung 26 und den Rand 40 auf und trägt die vier Sensoren 28, 30, 32, 34, und das zweite Stück weist die Schenkelabschnitte 47, den Einlaß- und den Auslaßanschluß und weitere Elemente auf, wie dargestellt. Die Stücke können miteinander durch Ultraschallschweißen, Quellschweißen oder Verleimen verbunden werden. Natürlich sind wei tere Aufbaumöglichkeiten (z. B. ein integrierter, einstückiger Aufbau oder ein dreistückiger Aufbau) ebenfalls möglich.
Wie in 1 und 4 bis 6 dargestellt, hat das Gehäuse 16 einen ersten Außengewindeteil, der den Einlaßanschluß des ersten Abschnitts 20 umgibt. Der erste Gewindeteil ist vorzugsweise so aufgebaut, daß er sich ineinandergreifend mit einem Luer-Verbinder mit Innengewinde verbinden läßt, z. B. dem positiven Luer-Verbinder 52, der in 5 gezeigt ist, wenn die Kassette 12 zum Messen von Parametern des Fluids verwendet wird, das durch die Kammer 18 fließt. Der Verbinder 52 hat einen gerippten Abschnitt zur Bildung einer Preßsitzkupplung mit einem Teil einer flexiblen Schlauchleitung 54, die das Fluid zur Kammer 18 leitet.
Ein zweiter Außengewindeteil umgibt den Auslaßanschluß des zweiten Fluidkammerabschnitts 22. Wie in 5 gezeigt, hat ein Anschlußstück 56 einen Innengewindeteil, der ineinandergreifend den zweiten Gewindeteil aufnimmt. Das Anschlußstück 56 weist als Wahlmöglichkeit einen sich nach hinten erstreckenden Bund mit einer sich radial nach innen erstreckenden Rippe 58 auf. Das Gehäuse 16 hat eine umlaufende, sich radial nach außen erstreckende Rippe 60 angrenzend an den zweiten Gewindeteil, die als Anschlag fungiert und eine mechanische Behinderung für die Rippe 58 darstellt, um das Lösen des Anschlußstücks 56 unter normalen Umständen immer dann zu verhindern, wenn das Anschlußstück 56 teilweise aus dem Gehäuse 16 herausgeschraubt wird.
Das Anschlußstück 56 weist außerdem einen weiteren Innengewindeteil auf, der so aufgebaut ist, daß er ineinandergreifend einen negativen Luer-Verbinder 62 (5) aufnimmt, wenn die Kassette 12 mit der Meßvorrichtung 14 zum Messen von Parametern des Fluids verwendet wird, das durch die Kammer 18 strömt. Ein Teil einer flexiblen Schlauchleitung 64 ist in Preßsitzbeziehung mit einem gerippten Teil des Verbinders 62 verbunden, um den Fluidstrom zu lenken, der aus der Kammer 18 austritt.
6 ist eine exemplarische Darstellung der Kassette 12 während der Eichung der Sensoren 28, 30, 32 und 34. Während der Eichung ersetzt eine Gasfilteranordnung 66 den Verbinder 52, der in 5 dargestellt ist und der einen Innengewindeteil hat, der ineinandergreifend den Gewindeteil aufnimmt, der den Einlaßanschluß des ersten Fluidkammerabschnitts 20 umgibt. Ein entgegengesetztes Ende der Gasfilteranordnung 66 hat eine Gaseinlaßöffnung 68, die mit einem Verbinder versehen ist, der ein partielles Schraubgewinde aufweist. Dieser Verbinder ist geeignet, mit einem Schlauchverbinder (nicht dargestellt) verkuppelt zu werden, und die Schlauchleitung wird wiederum mit einer Eichgasquelle verbunden.
Die Gasfilteranordnung 66 hat einen vergrößerten, zylindrischen mittleren Gehäuseteil, der einen scheibenförmigen Teil einer Filtermembran 70 enthält. Vorzugsweise besteht die Membran 70 aus einem hydrophoben Material (z. B. Polytetrafluorethylen), das durch Autoklavierung sterilisiert wird, oder einem Material (z. B. ein modifiziertes Acrylmaterial), das durch Strahlung sterilisiert wird. Ein geeignetes modifiziertes Acrylmaterial ist die Membran der Marke VERSAPORE "H" von Gelman Sciences. Ein Netzwerk von verschachtelten, konzentrischen kreisförmigen Kanälen und kreuzenden radialen Kanälen ist überall in den Wänden vorgesehen, die beiden Seiten der Membran 70 gegenüberliegen, um den Durchgang des Eichgases durch weitgehend alle verschiedenen Bereiche der Membran 70 zu fördern.
Die Gasfilteranordnung 66 weist auch einen Auslaß auf, der einen Teil einer Verteilerröhre 72 aufnimmt. Ein Beispiel einer geeigneten Röhre 72 ist eine Röhre, die aus Polyetheresterketon besteht und einen Innendurchmesser von 0,003 Zoll (0,075 mm) und einen Außendurchmesser von 0,012 Zoll (0,3 mm) hat, vertrieben von Zeus Products. Ein Zapfen 74 umgibt die Verteilerröhre 72 und hält die Verteilerröhre 72 am Auslaß der Filteranordnung 66 dichtend fest. Beispiele für ein geeignetes Material für den Zapfen 74 sind u. a. Polycarbonat, wenn die Kassette 12 durch Strahlung sterilisiert werden soll, und Acrylharz, wenn die Kassette 12 durch Autoklavierung sterilisiert werden soll.
Wenn die Kassette 12 zum Versand an den Endanwender verpackt ist, ist sie vorzugsweise mit der Filteranordnung 66 sowie mit einer Kappe 78 (6) und einer Eichfluidmenge 80 versehen, die in der Fluidkammer 18 aufgenommen ist. Zum Versand ist die Kappe 78 fest und dichtend in den Auslaßteil des Anschlußstücks 56 eingeschraubt, und das Anschlußstück 56 ist fest gegen das Gehäuse 16 angezogen (wie in seiner Ausrichtung gezeigt, die in 5 dargestellt ist), um eine Fluiddichtung zwischen dem Anschlußstück 56 und dem Gehäuse 16 herzustellen. Obwohl in den Zeichnungen nicht so dargestellt, ist eine Versandkappe sicher mit dem äußeren Ende der Filteranordnung 66 verkuppelt, um weitgehend zu verhindern, daß während des Transports und der ersten Handhabung Schadstoffe in die Einlaßöffnung 68 eintreten.
Während der Eichung ist die Kassette 12 in einer aufrechten, vorzugsweise vertikalen Position ausgerichtet, wie in 6 gezeigt, und das Anschlußstück 56 ist durch Drehung des Anschlußstücks 56 relativ zum Gehäuse 16 in einem Bogen um die Längsachse des letzteren teilweise herausgeschraubt. Während dieser Bewegung wird das Anschlußstück 56 aus der ersten Position, die einen Gasauslaßanschluß verschließt, in eine zweite Position zum Öffnen oder Entlüften des Gasauslaßanschlusses bewegt. Die Rippen 58, 60 verhindern eine unbeabsichtigte Trennung des Anschlußstücks 56 vom Gehäuse 16. Die Lockerung des Anschlußstücks 56 relativ zum Gehäuse 16 ermöglicht es, daß Gas aus dem zweiten Fluidkammerabschnitt 22 durch den Gasauslaßanschluß in die Atmosphäre strömt, wie durch die Pfeile in 6 dargestellt. Als Wahlmöglichkeit ist die äußere Umfangswand der Rippe 60 mit einem oder mehreren Kanälen 59 versehen (siehe 1 und 7), die sich in einer Richtung parallel zur Längsachse des Gehäuses 16 erstrecken, um das Austreten des Gases aus dem oberen Auslaßanschluß der Fluidkammer 18 zu erleichtern.
Die Menge des Eichfluids 80 wird vorzugsweise so gewählt, daß sich der Füllstand des Fluids 80 in der Kammer 18 während der Eichung über einen unteren Teil des Expansionszonenabschnitts 25 erstreckt, wie in 6 dargestellt. Ein solcher Füllstand verringert die Wahrscheinlichkeit, daß ein Abschnitt des Eichfluids 80 durch den obere Auslaßanschluß austreten kann, und stellt dennoch sicher, daß das Fluid 80 vollständig die Sensoren 28, 30, 32 und 34 bedeckt. Vorteil hafterweise fördert die kegelstumpfförmige Konfiguration des Expansionszonenabschnitts 25 die Aufspaltung von Eichgasblasen, die durch das Fluid 80 hindurchtreten, um die Wahrscheinlichkeit des Austretens des Fluids 80 aus der Kammer 18 weiter zu verringern. Außerdem fördert die hydrophile Oberfläche an den Wandteilen des Kammerabschnitts 24 den glatten Durchtritt der Eichgasblasen vorbei an den Sensoren 28, 30, 32, 34. Als Wahlmöglichkeit kann ein schaumbremsendes Mittel zusätzlich zu der hydrophilen Oberfläche oder anstelle von dieser verwendet werden.
Die Eichschritte sind nachstehend ausführlicher beschrieben. Wenn die Eichung beendet ist, wird die Filteranordnung 66 vom Gehäuse 16 entfernt und durch den Verbinder 52 ersetzt, der in 5 dargestellt ist. Außerdem wird das Anschlußstück 56 in seiner Ausrichtung festgezogen, wie in 5 gezeigt, um die gegen Fluidaustritt beständige Dichtung zwischen dem Anschlußstück 56 und dem Gehäuse 16 herzustellen. Die Kappe 78, die in 6 gezeigt ist, wird auch entfernt und durch den Verbinder 62 ersetzt (5), und das äußere Ende des Verbinders 62 wird mit dem Teil der Schlauchleitung 64 verkuppelt. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, ermöglichen die Teile der Schlauchleitung 54, 64 den Fluidstrom (z. B. Blut) in und aus der Kammer 18 zum Messen von Parametern des Fluids.
Die Meßvorrichtung 14, die in 1 und 5 gezeigt ist, ist außerdem ausführlicher in 8 bis 20 dargestellt. Die Vorrichtung 14 weist ein zweiteiliges langgestrecktes Gehäuse 200 auf, das in 9 so dargestellt ist, wie es vor der Montage aussieht. Die beiden Teile könnten durch innere Widerhakenverbinder (z. B. eine Einrastmontage) oder durch Schrauben zusammengehalten werden. Vorzugsweise besteht das Gehäuse 200 aus einem schlagfesten Kunststoffmaterial, z. B. eine Mischung aus Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol-("ABS"-)Polymer und hat eine glatte äußere Oberfläche zur Erleichterung der Desinfektion. Als Wahlmöglichkeit ist die innere Oberfläche des Gehäuses 200 mit einem elektromagnetisch kompatiblen Abschirmmaterial versehen.
Die Meßvorrichtung 14 weist eine zweite, innen liegende Kupplung 202 auf, die als Wahlmöglichkeit aus einem metallischen Material besteht, z. B. aus anodisiertem Aluminium. Die Kupplung 202 hat eine konkave Aussparung mit einer im allgemeinen U-förmigen Konfiguration in den Richtungen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 200. Die Aussparung weist zwei flache, gegenüberliegende Seitenwandteile 204 auf, die durch einen mittleren Ausbuchtungsabschnitt 206 miteinander verbunden sind (siehe beispielsweise 1). Vorzugsweise konvergieren die gegenüberliegenden Seitenwandteile 204, während sie sich dem Ausbuchtungsteil 206 nähern, und erstrecken sich entlang jeweiliger Bezugsebenen, die in einem Winkel im Bereich von etwa 28 Grad bis etwa 32 Grad zueinander ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt erstrecken sich die Seitenwandteile 204 entlang jeweiliger Bezugsebenen, die in einem Winkel von etwa 30 Grad zueinander ausgerichtet sind. Ein Außenkantenabschnitt jedes Seitenwandteils 204 hat eine langgestreckte Nut 208, die sich in einer Richtung parallel zur Längsachse des Gehäuses 200 erstreckt.
Die Meßvorrichtung 14 weist eine Faseranschlußblockanordnung 210 auf (siehe beispielsweise 9). Die Faserblockanordnung 210 weist eine Faserblockeinsatzplatte 212 und eine Faserblockendplatte 214 auf, die durch ein Paar Maschinenschrauben zusammengefügt sind, wie in 10 dargestellt. Vorzugsweise besteht die Einsatzplatte 212 aus Polycarbonat und die Endplatte 214 aus Aluminium.
Die Unterseite der Einsatzplatte 212 ist am Oberteil der Kupplung 202 durch vier Maschinenschrauben fest angeordnet, die in 10 dargestellt sind. Die Unterseite der Einsatzplatte 212 weist einen im allgemeinen ovalen Vorsprung 216 (siehe beispielsweise 12) mit einer Hauptachse auf, die parallel zur Längsachse des Gehäuses 200 ist. Der Vorsprung 216 weist eine halbzylindrische Keilnut 218 mit einem Durchmesser auf, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Kassettenkeils 42. Vorzugsweise ist die Keilnut 218 so ausgerichtet, daß eine Bezugsebene, die die Keilnut 218 entlang der mittleren diametralen Ebene halbiert, auch senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 200 ausgerichtet ist.
Der Vorsprung 216 hat eine Seitenwand, die ineinandergreifend aufgenommen wird und sich durch eine ovale Öffnung erstreckt, die im Ausbuchtungsteil 206 der Kupplung 202 mittig angeordnet ist. Die äußere Seitenwand des Vorsprungs 216 hat in der Unteransicht eine ovale Konfiguration, die mit der ovalen Konfiguration der inneren Seitenwand des Randes 40 der Kassette 12 formkomplementär ist (siehe beispielsweise 4).
5 stellt die Kassette 12 und einen Abschnitt der Meßvorrichtung 14 dar, wenn diese miteinander verkuppelt sind. Wenn die Meßvorrichtung 14 mit der Kassette 12 verbunden ist, sind die Nasen 50 der Kassette 12 in jeweilige Nuten 208 der Meßvorrichtung 14 aufgenommen. Ferner berühren die äußeren Oberflächen 47 der Kassettenstützteile flächig die jeweiligen flachen, sich gegenüberliegenden Oberflächen der Seitenwandteile der Meßvorrichtung 204. Wie man anerkennen wird, stellen die erste Kupplung 44, die mit dem Kassettengehäuse 16 verbunden ist, und die zweite Kupplung 202, die mit dem Gehäuse 200 verbunden ist, gemeinsam einen Verbinder zum lösbaren Verbinden der Kassette 12 mit der Meßvorrichtung 14 dar.
Während des Einfügens der Kassette 12 in die Meßvorrichtung 14 wird das Gehäuse 16 in einer Richtung zum Vorsprung 216 hin geschoben, und während dieser Schubbewegung fungieren die äußeren Flächen der keilförmigen Nasen 50 als Nocken, die die Schenkelabschnitte 46 nach innen und gegeneinander biegen, bis die Außenkante jeder Nase 50 an die jeweilige Nut 208 angrenzt. Wenn die Außenkanten der Nasen 50 an die Nuten 208 angrenzen, bewirkt die eigene Schrägstellung der Schenkelabschnitte 46, daß sich die letzteren spreizen und einrastend in ihre normale Konfiguration zurückkehren, so daß die Außenkanten der Nasen 50 in die Nuten 208 aufgenommen werden und somit die Kassette 12 mit der Meßvorrichtung 14 verkuppeln.
Der Vorsprung 216 hat einen äußeren Endabschnitt, der ineinandergreifend und eng anliegend in die Aussparung 26 paßt, wenn die Meßvorrichtung 14 und die Kassette 12 miteinander verbunden sind. Wenn die Meßvorrichtung 14 und die Kassette 12 miteinander verbunden sind, paßt der Keil 42 der Kasset te 12 in die entsprechende Keilnut 218 der Meßvorrichtung 14. Vorteilhafterweise verhindert der Keil 42 im wesentlichen das Verkupplung der Kassette 12 mit der Meßvorrichtung 14, wenn versucht wird, die Kassette 12 mit der Meßvorrichtung 14 umgekehrt zu verkuppeln (d. h. in einer Weise, wo die Kassette 12 um 180 Grad verdreht um eine vertikale Bezugsachse ausgerichtet ist, bezogen auf ihre Ausrichtung, die in 5 gezeigt ist).
Die Kassette 12 wird von der Meßvorrichtung 14 gelöst, indem die Schenkelabschnitte 46 zusammengedrückt werden und die Kassette 12 von der Vorrichtung 14 weg bewegt wird, bis die Nasen 50 die Nuten 208 freigeben. Obwohl in den Zeichnungen nicht so dargestellt, sind Außenseiten der Kupplung 202 vorzugsweise jeweils mit einer fingerspitzengroßen Aussparung versehen, um das Anfassen der äußeren Kante der Kassettenflansche 48 während des Lösens der Kassette 12 aus der Meßvorrichtung 14 durch den Anwender zu erleichtern. Die Aussparungen tragen auch dazu bei, die Finger des Anwenders in eine Position zum Eingreifen in die Mitte des Flansches 48 an einer Stelle nahe den Nasen 50 zu führen.
Die Faseranschlußblockanordnung 210 weist eine aufrecht stehende Polycarbonatröhre 220 auf, die mit der Einsatzplatte 212 quellverschweißt ist und eine Thermistoranordnung aufnimmt. Wie in 5 und 10 gezeigt, weist die Thermistoranordnung einen Thermistorträger 222 mit einem mittigen inneren Durchgang und einem eingeschnürten unteren Endteil auf. Ein Thermistor 224 ist teilweise in einem Hohlraum des unteren Endteils des Thermistorträgers 222 angeordnet und hat ein Paar Leitungen, die sich durch den Durchgang erstrecken. Ein Beispiel eines geeigneten Thermistors ist das Teil Nr. SC30BF103A-L8 von Thermometrics.
Eine Kappe 226 (siehe 5), die aus einem Material wie beispielsweise nichtrostendem Stahl besteht, deckt den Thermistor 224 ab und ist durch Vergußmasse mit der umgebenden Seitenwand des unteren Endteils des Trägers 222 fest angeordnet. Die Kappe 226 hat eine Wärmeleitfähigkeit, die relativ zur Wärmeleitfähigkeit des angrenzenden Kunststoffmaterials hoch ist. Die Vergußmasse (z. B. Nr. H20 von Epo-tek) füllt im wesentlichen den Raum zwischen der inneren Oberfläche der Kappe 226 und der äußeren Oberfläche des Thermistors 224 aus und fördert den Wärmeübergang zwischen der Kappe 226 und dem Thermistor 224.
Der Träger 222 ist in einen inneren, im allgemeinen zylindrischen Durchgang der Röhre 220 aufgenommen, und ein O-Ring 228, der sich in einer Umfangsnut des Trägers 222 befindet, stellt eine fluidfeste Dichtung dar. Der Träger 222 wird im Durchgang der Röhre 220 von einer Halteschale 230 mit einem oberen Gewindeteil gehalten, der in einen passenden Gewindeteil der Röhre 220 eingeschraubt ist.
Der Durchgang der Röhre 220 geht nahe seinem unteren Ende zu einem etwas kleineren Durchmesser über und stellt eine ringförmige Schulter 232 dar, die in 5 dargestellt ist. Der Träger 222 weist eine obere, umlaufende zylindrische Rippe 234 mit einem Außendurchmesser auf, der größer ist als der Innendurchmesser des Röhrendurchgangs in den Bereichen unter der Schulter 232. Außerdem erstreckt sich eine Spiraldruckfeder 236 (siehe auch 10) zwischen dem unteren Ende der Halteschale 230 und einer nach oberen weisenden ringförmigen Wand der Rippe 234 und liegt an dieser an. Die Feder 236 spannt unter Nachgeben den Träger 222 in einer Abwärtsrichtung vor, die in 5 zu sehen ist, so daß die Rippe 234 an der Schulter 232 ruht, wenn die Meßvorrichtung 14 nicht mit der Kassette 12 verkuppelt ist.
Wenn die Kassette 12 und die Meßvorrichtung 14 nicht miteinander verkuppelt sind, ragt das untere Ende der Thermistorkappe 226 unter den Boden der Platte 212 um eine Strecke hervor, die größer ist als die Tiefe der Vertiefung 36 der Kassette 12 relativ zur oberen Fläche der Aussparung 26, wenn man es in 5 betrachtet. Wenn die Kassette 12 mit der Meßvorrichtung 14 verkuppelt ist, berührt folglich die Kappe 226 den Boden der Vertiefung 36 und drückt den Träger 222 in einer nach oben gerichteten Richtung gegen die Vorspannung der Feder 236. Wenn die Kupplung 44 und die Kupplung 202 miteinander verbunden sind, neigt die Feder 236 dazu, den Boden der Kappe 226 in einer Position des engen Kontakts mit dem Boden der Vertiefung 36 festzuhalten, um die effektive Kontaktfläche zwischen der Kappe 226 und der Vertiefung 36 zu erhöhen und den Wärmewiderstand zu reduzieren. Die innere Konfiguration der Vertiefung 36 ist vorzugsweise komplementär und insbesondere genau komplementär mit der äußeren Konfiguration der Kappe 226, um den Wärmedurchgang entlang einer Strecke von dem Fluid zum Mittelabschnitt 24 der Kammer 18 über eine Verbindung zwischen der Vertiefung 36 und der Kappe 226 und letztlich zum Thermistor 224 zu verbessern.
Mit Bezug auf 12 weist die Einsatzplatte 212 vier Löcher 238, 240, 242 und 244 auf, die sich durch den Vorsprung 216 erstrecken und voneinander beabstandet entlang der Hauptachse des ovalen Vorsprungs 216 angeordnet sind. Außerdem weist die Bodenplatte drei Löcher 246, 248, 250 auf, die vom Vorsprung 216 beabstandet sind und sich durch eine erhöhte Plattform 252 erstrecken (siehe 10 und 13), die sich auf einem oberen, äußeren Endteil der Einsatzplatte 212 befindet. Wie in 13 gezeigt, ist eine Scheibe 254, die aus einem optischen Referenzmaterial besteht, im Loch 248 angeordnet und an einer Schulter des Lochs 248 durch eine Feststellschraube 256 befestigt, die in ein unteres Gewindeteil des Lochs 248 eingeschraubt ist. Die optische Referenzscheibe 254 weist vorzugsweise ein fluoreszierenden Material auf (z. B. 0,002 Gew.-% fluoreszierendes Material in Polycarbonat). Ein geeignetes fluoreszierendes Material ist ein fluoreszierender Farbstoff mit einer hohen Quantenausbeute, z. B. das Material der Marke "MACROLUX 10GN" von Bayer.
Die Löcher 246, 250 sind identisch mit dem Loch 248 und jedes nimmt eine Feststellschraube ähnlich der Feststellschraube 256 und eine optische Referenzscheibe 254a, 254b (die nur in 15 bezeichnet sind) auf. Die optische Referenzscheibe 254a im Loch 246 ist identisch mit der optischen Referenzscheibe 254. Die optische Referenzscheibe 254b im Loch 250 gleicht der optischen Referenzscheibe 254, weist jedoch vorzugsweise 0,0035 Gew.-% eines fluoreszierenden Materials auf, das in Polycarbonat gelöst ist.
Die Endplatte 214 der Faseranschlußblockanordnung 210 hat neun Löcher 258–274, die in 14 bezeichnet sind. Die Löcher 258–274 sind in einer Anordnung von drei Reihen ange ordnet, mit drei Löchern in jeder Reihe. Die Löcher 258–274 sowie die Löcher 238–250 sind jeweils so beschaffen, daß sie eine Faserhülse aufnehmen, die ein Ende eines Bündels von optischen Fasern umgibt. Eine exemplarische Faserhülse ist mit dem Bezugszeichen 276 in 13 bezeichnet. Ein Beispiel eines geeigneten Materials für die Faserhülsen, die in die Löcher 246–250 aufgenommen sind, ist Messing oder nichtrostender Stahl, ein Beispiel eines geeigneten Materials für die Faserhülsen, die in die Löcher 238–244 aufgenommen sind, ist nichtrostender Stahl, und ein Beispiel eines geeigneten Materials für die Faserhülsen, die in die Löcher 258–274 aufgenommen sind, ist Messing oder Aluminium. Als Wahlmöglichkeit weist die Plattform der Bodenplatte drei kleine Gewindeöffnungen auf (siehe 10 und 13), wobei jedes sich mit einem der Löcher 246, 248, 250 schneidet. Diese kleinen Öffnungen sind jeweils so beschaffen, daß sie durch Gewindeeingriff eine kleine Feststellschraube (nicht dargestellt) aufnehmen, die die Faserhülse im benachbarten Loch 246, 248, 250 an der Plattform befestigen, um die Montage zu erleichtern.
Die Faseranschlußblockanordnung 210 weist eine Anzahl von Bündeln optischer Fasern auf. Die optischen Faserbündel sind in allen Ansichten weggelassen, außer daß ein exemplarisches Netzwerk (nicht genau dargestellt) von Bündeln in 9 zum Zwecke der Erläuterung dargestellt ist. Eine schematische Übersicht der verschiedenen optischen Faserbündel ist in 15 dargestellt und zeigt die wirklichen, bevorzugten verschiedenen Wege der optischen Faserbündel zwischen den Löchern 238–250 und den Löchern 258–274.
Ausführlicher und mit Bezug auf 15 weist die Faseranschlußblockanordnung 210 auf: ein erstes Bündel optischer Fasern 280, das sich zwischen dem Loch 240 und dem Loch 260 erstreckt, ein zweites Bündel optischer Fasern 281, das sich zwischen dem Loch 240 und dem Loch 270 erstreckt, ein drittes Bündel optischer Fasern 282, das sich zwischen dem Loch 246 und 270 erstreckt, ein viertes Bündel optischer Fasern 283, das sich zwischen dem Loch 242 und dem Loch 270 erstreckt, ein fünftes Bündel optischer Fasern 284, das sich zwischen dem Loch 242 und dem Loch 258 erstreckt, ein sechstes Bündel opti scher Fasern 285, das sich zwischen dem Loch 246 und dem Loch 264 erstreckt, ein siebentes Bündel optischer Fasern 286, das sich zwischen dem Loch 244 und dem Loch 262 erstreckt, ein achtes Bündel optischer Fasern 287, das sich zwischen dem Loch 244 und dem Loch 274 erstreckt, ein neuntes Bündel optischer Fasern 288, das sich zwischen dem Loch 250 und dem Loch 274 erstreckt, ein zehntes Bündel optischer Fasern 289, das sich zwischen dem Loch 250 und dem Loch 266 erstreckt, ein elftes Bündel optischer Fasern 290, das sich zwischen dem Loch 248 und dem Loch 226 erstreckt, ein zwölftes Bündel optischer Fasern 291, das sich zwischen dem Loch 248 und dem Loch 272 erstreckt, ein dreizehntes Bündel optischer Fasern 292, das sich zwischen dem Loch 238 und dem Loch 272 erstreckt und ein vierzehntes Bündel optischer Fasern 293, das sich zwischen dem Loch 238 und dem Loch 268 erstreckt.
Eine geeignete optische Faser für jedes der verschiedenen Bündel 280–293 ist eine Faser mit einem nominalen Außendurchmesser von 0,0022 Zoll (56 μm), mit Kernglas von Schott LF5 oder F2, Mantelglas von Schott 8250 Corning 7056 oder 7052 und einer Manteldicke von 0,00008 bis 0,00012 Zoll (2–3 μm). Obwohl nicht unbedingt erforderlich, sind alle optischen Fasern in den verschiedenen Bündeln 280–293 vorzugsweise identisch. Natürlich können sich andere Typen von Fasern und andere Anzahlen von Fasern in jedem der Bündel 280–293 von der oben gegebenen Beschreibung unterscheiden.
Vorzugsweise wird ein optischer Kleber, z. B. der optische Epoxidkleber Nr. 301 oder 301-2 der Marke "Epo-tek", verwendet, um gebündelte Enden der Fasern in den Faserhülsen (z. B. Faserhülse 276) fest anzuordnen, um optische Aperturen zu bieten. Die Bündel 280–293 sind vorzugsweise mit einem nichtfluoreszierenden, optisch undurchlässigen, steifen Kunststoff- oder Gummimaterial beschichtet. Enden einiger der Bündel 280–293 sind miteinander vermischt, um sich verzweigende Teile darzustellen, so daß die optischen Fasern, die in einer Faserhülse aufgenommen werden, zu verschiedenen Faserhülsen an entgegengesetzten Enden der Fasern führen, wie schematisch in 15 dargestellt. Außerdem sind die optischen Fasern in jeder optischen Apertur beliebig verteilt (das heißt, die Fasern jeder optischen Apertur sind auch in den Fällen, wo die Fasern durch sich verzweigende Teile führen, räumlich gut gemischt). Beispielsweise sind die Fasern der optischen Apertur im Loch 240 derartig zufällig verteilt, daß kein kreisförmiger Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,020 Zoll (0,5 mm) oder größer vorhanden ist, der weniger als drei Fasern hat, die von einem der Bündel 280, 281 abgehen.
Ein Beispiel einer geeigneten Anzahl optischer Fasern für den mittleren Bereich jedes Bündels 280–293 ist in Tabelle I nachstehend angeführt. (Für den hier vorliegenden Zweck bedeutet "mittlerer Bereich" Mittelteil des Bündels entlang seiner Länge an einer Stelle zwischen seinem Ende und beliebigen sich verzweigenden Teilen.) Tabelle II bezeichnet die Sollanzahl der optischen Fasern und den Gesamtdurchmesser der optischen Apertur (der Fasern aufweisen kann, die von einem oder mehr als einem Bündel ausgehen) in den Faserhülsen, die in jedem der Löcher 238–250 und 258–274 angeordnet sind. Die Werte in den Tabellen I und II beruhen auf optischen Fasern mit einem Außendurchmesser von 56 μm, wie oben erwähnt, und einer Packungsdichte von 70% (d. h. Querschnitt, der von den Fasern eingenommen wird, geteilt durch den gesamten kreisförmigen Querschnitt der optischen Apertur). Da alle optischen Fasern während der Montage schwer zu zählen sind, kann der Hersteller statt dessen bevorzugen, den Durchmesser eines Bündels zu messen, um durch Schätzung die Anzahl der optischen Fasern im Bündel schnell zu bestimmen.
Die Meßvorrichtung 14 hat auch eine Optikanordnung 300, die den Block 302 sowie neun Optik-Unteranordnungen 304–312 aufweist (die nur in 16 bezeichnet sind). Der Block 302 hat neun zylindrische Hohlräume, die in drei Reihen mit drei Hohlräumen in jeder Reihe symmetrisch angeordnet sind, und eine der Optik-Unteranordnungen 304–312 ist in jedem Hohlraum aufgenommen. Vorzugsweise besteht der Block 302 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit wie ein Metall. Ein Beispiel eines geeigneten Materials ist Aluminium. Der Block 302 könnte auch aus einem keramischen Material mit einer entsprechenden Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Die Optik-Unteranordnungen, die mit 310, 311 und 312 bezeichnet sind, sind optische Anregungsoptik-Unteranordnungen, und die Unteranordnung 312 ist in einer Explosionsansicht in 16 exemplarisch dargestellt. Die Unteranordnung 312 weist eine erste optische Halteschale 314 und eine zweite optische Halteschale 316 auf, die mit der ersten Halteschale 314 identisch ist. Wenn die Halteschalen 314, 316 miteinander so verbunden sind, wie in 10 gezeigt, stellen die Innenwandteile der Halteschalen 314, 316 gemeinsam eine langge streckte Kammer 318 mit einer relativ zylindrischen Gesamtkonfiguration mit einer zentralen Längsbezugsachse 320 dar.
Die erste Halteschale 314 ist allein in 17 bis 19 dargestellt. Die Halteschale 314 hat Innenwandteile, die einen ersten Kammerabschnitt 322 (17 und 18), einen zweiten Kammerabschnitt 324, einen dritten Kammerabschnitt 326 und einen vierten Kammerabschnitt 328 bilden. Wenn die Halteschalen 314, 316 miteinander so verbunden sind, wie in 10 gezeigt, stellen die ersten Kammerabschnitte 322 der Halteschalen 314, 316 einen im allgemeinen zylindrischen Lichteinlaßanschluß mit einer Form dar, die dazu dient, eine lichtemittierende Diode einzuhüllen (wie nachstehend ausführlicher beschrieben), die zweiten Kammerabschnitte 324 stellen eine im allgemeinen zylindrische Nebenkammer zum Aufnehmen eines optischen Filters dar, die dritten Kammerabschnitte 326 stellen eine Nebenkammer zum Aufnehmen einer optischen Linse dar, und die vierten Kammerabschnitte 328 stellen einen im allgemeinen zylindrischen Lichtauslaßanschluß dar. Eine kleine zylindrische Öffnung erstreckt sich zwischen dem Lichteinlaßanschluß mit der Lichtfilter-Nebenkammer und verbindet diese, und eine zweite, kleine zylindrische Öffnung erstreckt sich zwischen der Lichtfilter-Nebenkammer und der Linsen-Nebenkammer und verbindet diese.
Die Wandteile der Halteschale 314, die die Kammerabschnitte 324, 326 bilden, sind jeweils mit einer ersten Gruppe von einer oder mehreren Rippen 330 verbunden. In der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform weist die erste Gruppe zwei voneinander beabstandete Rippen 330 auf, die sich in einer Richtung parallel zur Mittelachse 320 erstrecken. Jede der Rippen 330 (siehe beispielsweise 18) erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge der jeweiligen Kammerabschnitte 324, 326 und hat einen äußersten verformbaren Spitzenabschnitt 332, der in 19a ausführlicher gezeigt ist. Der verformbare Spitzenabschnitt 332 kann elastomer sein (d. h., er kann von selbst in seine ursprüngliche Form zurückkehren, nachdem die Kraft, die die Deformation verursacht hat, nicht mehr vorhanden ist) oder nichtelastomer sein.
Die Halteschale 314 weist auch eine zweite Gruppe von einer oder mehreren Rippen 334 auf. In der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform besteht die zweite Rippengruppe 334 aus einer einzelnen Rippe, die entlang eines radialen Wandteils des dritten Kammerabschnitts 326 angeordnet ist, direkt angrenzend an den vierten Kammerabschnitt 328. Die Rippe 334 hat die Gesamtkonfiguration eines Dreiecks in Seitenansicht, wie in 17 und 17a dargestellt, und hat auch einen äußersten verformbaren (elastomeren oder nichtelastomeren) Spitzenabschnitt 336, der in 17a und 17b vergrößert dargestellt ist.
Der zweite Kammerabschnitt 324 und der dritte Kammerabschnitt 326 weisen außerdem eine dritte Gruppe von einer oder mehreren Rippen 338 auf, die sich in Bezugsebenen senkrecht zur Mittelachse 320 erstrecken. Sechs Rippen 338 sind in der in 17 bis 19 dargestellten Ausführungsform gezeigt. Vier der Rippen 338 befinden sich im zweiten Kammerabschnitt 324 und sind derartig gegenüber angeordnet, daß sich ein Paar Rippen 338 in einer ersten gemeinsamen Bezugsebene senkrecht zur Mittelachse 320 erstreckt und sich das andere Paar Rippen 338 in einer zweiten Bezugsebene senkrecht zur Mittelachse 320 erstreckt. Die beiden verbleibenden Rippen 338 befinden sich im dritten Kammerabschnitt 326 und erstrecken sich in einer weiteren gemeinsamen Bezugsebene, die senkrecht zur Mittelachse 320 ist. Eine exemplarische Rippe 338 ist vergrößert in 17c dargestellt, und jede Rippe 338 weist einen äußersten verformbaren Spitzenabschnitt 340 auf, der entweder elastomer oder nichtelastomer sein kann.
Die Halteschale 314 hat einen symmetrischen, diametralen Wandteil mit einem Paar Zapfen 342 und einem Paar passenden Löchern 344. Ein Zapfen 342 und ein Loch 344 haben parallele mittige Bezugsachsen, die sich in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Mittelachse 320 erstrecken. Ebenso haben der andere Zapfen 342 und das andere Loch 344 jeweilige mittige Bezugsachsen, die sich in einer gemeinsamen Ebene erstrecken, die senkrecht zur Mittelachse 320 ist, aber von der oben erwähnten Bezugsebene beabstandet ist, die die Mittelachse des anderen Zapfens 342 und Lochs 344 aufweist.
Die Wandteile, die den dritten Kammerabschnitt 326 bilden, weisen außerdem ein ringförmiges, abgeschrägtes Wandteil 346 auf, das sich halbkreisförmig um die Mittelachse 320 erstreckt. Die Linsen-Nebenkammer hat folglich eine Gesamtkonfiguration, die einen im allgemeinen zylindrischen Abschnitt und einen ausgerichteten kegelstumpfförmigen Abschnitt mit gemeinsamen Mittelachsen einschließt, die die auf einer Linie mit der Mittelachse 320 liegen. Da die Halteschale 316 mit der Halteschale 314 identisch ist, kann auf eine ausführliche Beschreibung der Halteschale 316 hier verzichtet werden.
Wenn die Halteschalen 314, 316 miteinander so verbunden sind, wie in 18 gezeigt, sind die Zapfen 342 der Halteschale 314 in die Löcher 344 der Halteschale 316 aufgenommen, und die Zapfen 342 der Halteschale 316 sind in die Löcher 344 der Halteschale 314 aufgenommen. Vorzugsweise ist zumindest ein zusammengehöriges Paar der Zapfen 342 und Löchern 344 näher an einem Ende der Unteranordnung 312 als an dem anderen Ende. Wenn man versucht, die Halteschalen 314, 316 so miteinander zu verbinden, daß die ersten Kammerabschnitte 322 nicht einander gegenüberliegen und sich statt dessen an entgegengesetzten Enden befinden, sind folglich die Enden der Halteschalen 314, 316 nicht ausgerichtet und zeigen demjenigen, der die Vorrichtung zusammenfügt deutlich sichtbar an, daß die Halteschalen 314, 316 noch nicht richtig zueinander ausgerichtet worden sind.
Eine plankonvexe Linse 348 (siehe 16 und 16a) ist in die dritten Kammerabschnitte 326 aufgenommen und weist einen zylindrischen Abschnitt mit einer äußeren zylindrischen Umfangswand 350 und einen konvexen, kuppelförmigen Abschnitt mit einer Außenwand 352 mit einer Konfiguration einer partiellen Kugel auf. Die mittige diametrale Achse des kuppelförmigen Abschnitts und die Mittelachse des zylindrischen Abschnitts liegen entlang einer gemeinsamen Bezugsachse, die als optische Achse der Linse 348 bekannt ist. Ein Beispiel einer geeigneten Linse hat eine Brennweite von 6 mm und einen Durchmesser von 6 mm, z. B. das Teil Nr. 45078 von Edmund Scientific. Vorzugsweise ist die Ausrichtung des abgeschrägten Wandteils 346 der dritten Kammerabschnitte 326 (relativ zur Mittelachse 320) re lativ ähnlich der Ausrichtung des verbundenen Bereichs der Außenwand 352 (relativ zur Mittelachse des kuppelförmigen Abschnitts), und zwar in Bereichen, wo die Teile 346 die Außenwand 352 berühren, während die Halteschalen 314, 316 zusammengefügt sind.
Während der Montage und sowie die Halteschalen 314, 316 um die Linsen 348 geschlossen werden, kommt die zylindrische Wand 350 in Preßsitzkontakt mit den Rippen 330, 334, 338. Sowie sich die Halteschalen 314, 316 einer vollständig geschlossenen und miteinander verbundenen Ausrichtung nähern, werden die Spitzenabschnitte 332, 336, 340 in der Linsen-Nebenkammer zusammengedrückt und verformen sich, während jeweilige Kräfte in bestimmten Richtungen auf die Linse 348 wirken. Insbesondere wenn die Halteschalen 314, 316 geschlossen werden, üben die Spitzenabschnitte 332, 340 der ersten und dritten Gruppe der Rippen 330, 338 eine Kraft auf die Linse 348 in einer radialen, nach innen geneigten Richtung zur Mittelachse 320 aus, während die Spitzenabschnitte 336 der zweiten Gruppe der Rippen 334 eine Kraft auf die Linse 348 ausübt, die Vektorkomponenten aufweist, die sich in radial nach innen verlaufenden Richtungen zur Mittelachse 320 erstrecken, und die Vektorkomponenten aufweist, die sich parallel zur Mittelachse 320 in Richtungen zu den abgeschrägten Wandteilen 346 erstrecken.
Die Ausrichtung der Rippen 330, 334, 338, die sich in den dritten Kammerabschnitten 326 befinden, ist so gewählt, daß die Linse 348 in eine derartig konzentrische Beziehung gebracht wird, daß die optische Achse der Linse 348 parallel mit der Mittelachse 320 und vorzugsweise genau in einer Linie mit dieser ausgerichtet ist. Da die Halteschalen 314, 316 eng aneinanderliegen, wird die optische Achse der Linse 348 bei Bedarf durch die Rippen 330, 334, 338 verschoben und in eine Position versetzt, die mit der mittigen Bezugsachse 320 übereinstimmt. Die Rippen 334 drücken die kuppelförmige Außenwand 352 in eine Position des engen Kontakts mit den abgeschrägten Wandteilen 346. Die Rippen 334 üben außerdem eine Kraft auf die Linse 348 aus, die so groß ist, daß die Linse 348 an den Wandteilen 346 gedreht wird und die hintere, flache Fläche des zylindrischen Linsenabschnitts in nächster Nähe zum Lichtaus laßanschluß 328 in eine solche Ausrichtung verschoben wird, daß die hintere Seite genau senkrecht zur Mittelachse 320 ist, wenn die Halteschalen 314, 316 geschlossen sind. Die Rippen 330, 338 haben die Funktion, die Linse 348 in einer seitlichen Richtung zu verschieben, wenn die Halteschalen 314, 316 geschlossen werden, so daß die optische Achse der Linse 346 in einer Linie mit der Mittelachse 320 ist.
Wenn die Halteschalen 314, 316 geschlossen sind, zeigen die verformbaren Spitzenabschnitte 332, 336, 340 Kaltfließvermögen, um sich an die Konfiguration der Linse 348 (und an irgendwelche Oberflächenunregelmäßigkeiten) anzupassen und die Linse 348 an Ort und Stelle fest anzuordnen. Solche verformbaren Spitzenabschnitte 332, 336, 340 (zusammen mit anderen Bereichen der Kunststoff-Halteschalen 314, 316) haben außerdem die Tendenz, die Linse 348 vor Beschädigung zu schützen, wenn die Optikanordnung 300 oder die Meßvorrichtung 14 einer Stoßeinwirkung oder Vibration ausgesetzt ist.
Die zweiten Kammerabschnitte 324 der Halteschalen 314, 316 sind geeignet, ein optisches Filter 354 aufzunehmen. Das Filter 354, das in 16 exemplarisch gezeigt ist, hat eine zylindrische Konfiguration mit einer Mittelachse. Wenn die Halteschalen 314, 316 in eine geschlossene, miteinander verbundene Ausrichtung gebracht werden, werden die Spitzenabschnitte 332 der Rippen 330, die sich in den zweiten Kammerabschnitten 324 befinden, und die Spitzenabschnitte 340 der Rippen 338, die sich in den zweiten Kammerabschnitten 324 befinden, zusammengedrückt und deformiert und drücken das Filter 354 in eine solche Ausrichtung, daß die Mittelachse des Filters in einer Linie mit der Mittelachse 320 der Unteranordnung 312 ist. Wenn die Halteschalen 314, 316 vollständig geschlossen sind, greifen die Rippen 330, 338 eng in die zylindrische Seitenwand des Filters 354 ein und halten dieses sicher an Ort und Stelle.
Wenn die Halteschalen 314, 316 geschlossen sind, bilden sie eine glatte zylindrische Außenfläche mit einem Durchmesser, der vorzugsweise sehr ähnlich oder identisch mit dem Innendurchmesser des Lochs des Blocks 302 ist, der die Unteranordnung 312 aufnimmt. Besonders bevorzugt ist, daß die zylind rische Außenfläche, die die Halteschalen 314, 316 bieten, wenn sie zusammengefügt sind, geringfügig größer sind als das Loch im Block 302, das die Nebenanordnung 312 aufnimmt, um einen leichten Preßsitz zwischen dem Block 302 und der Unteranordnung 312 zu bewirken. Wenn die Unteranordnung 312 in das Loch aufgenommen ist, bleiben die Halteschalen 314, 316 zusammengefügt, ohne daß Kleber, Befestigungselemente oder dgl. notwendig wären. Als Alternative könnte jedoch ein Kleber oder ein mechanisches Befestigungselement vorgesehen sein, um die Halteschalen 314, 316 im Block zu halten.
Jede der Halteschalen 314, 316 ist vorzugsweise einstückig geformt und besteht aus einem relativ weichen, verformbaren Kunststoffmaterial, z. B. ABS-Polymer oder einem Gemisch aus ABS-Polymer und Polycarbonat. Ein Beispiel eines geeigneten ABS-Polymers ist Nr. 8540H von TAITALAC. Vorzugsweise hat das Material einen begrenzten Kaltfluß und ist dennoch ausreichend elastisch, um die optische Komponente an Ort und Stelle sicher zu halten.
Wahlweise bestehen die Spitzenabschnitte 332, 336, 340 oder als Alternative die gesamten Rippen 330, 334, 338 aus einem Kunststoffmaterial, das einen höheren Elastizitätsmodul hat als der Elastizitätsmodul des Kunststoffmaterials des Restes der Halteschalen 314, 316. Verbundspritzen (insert moulding) könnte beispielsweise verwendet werden, um Spitzenabschnitte 332, 336, 340 herzustellen, die aus einem Material bestehen, das sich von dem Rest des Materials der Halteschalen 314, 316 unterscheidet. In jedem Fall wird das Material der Spitzenabschnitte 332, 336, 340 und/oder der gesamten Rippen 330, 334, 338 so gewählt, daß jeder der Spitzenabschnitte 332, 336, 340 genau passend eingreift und eine auf die Linse 348 und/oder das Filter 354 ausgeübte Kraft beibehält, auch nachdem wiederholte Zyklen von Temperaturschwankungen stattgefunden haben. Vorzugsweise bestehen die Halteschalen 314, 316 aus einem Material, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Blocks 302, um dazu beizutragen, sicherzustellen, daß die Temperatur der Linse 348 und der Filter 354 der verschiedenen Unteranordnungen 304–312 auch während der Perioden von Temperaturschwankungen des Blocks 302 im wesentlichen identisch ist.
Die Anregungsoptik-Unteranordnungen 310, 311 sind identisch mit der Anregungsoptik-Unteranordnung 312 mit Ausnahme der optischen Filter. Insbesondere hat das optische Filter 354 der Unteranordnung 312 einen Gesamtdurchmesser von 0,25 Zoll (6 mm) und eine Länge von 0,145 Zoll bis 0,175 Zoll (3,6 bis 4,4 mm) und einen Bandpaß mit einer Mittenwellenlänge von 398 nm und läßt 50% des Durchlaßmaximums bei Wellenlängen von 385 nm und 410 nm durch. Das optische Filter für die Unteranordnung 311 ist identisch mit dem Filter 354, außer daß das optische Filter für die Unteranordnung 311 einen Bandpaß mit einer Mittenwellenlänge von 413 nm hat und 50% des Durchlaßmaximums bei Wellenlängen von 400 nm und 425 nm durchläßt. Das optische Filter für die Unteranordnung 310 ist identisch mit dem Filter 354, außer daß das optische Filter für die Unteranordnung 310 einen Bandpaß mit einer Mittenwellenlänge von 475 nm hat und 50% des Durchlaßmaximums bei Wellenlängen von 460 nm und 490 nm durchläßt. Weitere Aspekte der Unteranordnungen 310, 311 sind identisch mit der Unteranordnung 312, und daher erübrigt sich eine ausführliche Beschreibung der Unteranordnungen 310, 311.
Die Optik-Unteranordnungen 304–309 sind Emissionsoptik-Unteranordnungen und unterscheiden sich von den Anregungsoptik-Unteranordnungen 310–312, wie man durch Bezugnahme auf die Unteranordnung 304 anerkennen wird, die in einer Explosionsansicht in 16 gezeigt ist. Die Unteranordnung 304 weist zwei Halteschalen 314a, 316a auf, die den Halteschalen 314, 316 im wesentlichen gleichen, mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Unterschiede. Die Halteschale 314a ist in 20 und 21 allein dargestellt. Die Halteschalen 314a, 316a sind identisch, und daher reicht eine ausführliche Beschreibung der Halteschale 314a auch für eine Beschreibung der Halteschale 316a. Die Halteschale 314a hat Innenwandteile, die einen ersten Kammerabschnitt 322a, einen zweiten Kammerabschnitt 324a, einen dritten Kammerabschnitt 326a, einen vierten Kammerabschnitt 328a und einen fünften Kammerabschnitt 329a bilden. Wenn die Halteschalen 314a, 316a miteinander verbunden sind, stellen die ersten Kammerabschnitte 322a einen im allgemeinen zylindrischen Lichteinlaßanschluß dar, und die vierten Kammerabschnitte 328a stellen einen im allgemeinen zylindrischen Lichtauslaßanschluß dar. Wenn die Halteschalen 314a, 316a geschlossen sind, stellen die zweiten Kammerabschnitte 324a eine im allgemeinen zylindrische Filter-Nebenkammer zum Aufnehmen eines optischen Filters 354a dar, das der optischen Filter-Nebenkammer der Unteranordnung 312 gleicht, und die dritten Kammerabschnitte 326a stellen eine erste Linsen-Nebenkammer zum Aufnehmen einer optischen Linse 348a dar, die der Linsen-Nebenkammer der Unteranordnung 312 gleicht. Die fünften Kammerabschnitte 329a stellen, wenn die Halteschalen 314a, 316a geschlossen sind, eine zweite Linsen-Nebenkammer zum Aufnehmen einer optischen Linse 349a dar, die der ersten Linsen-Nebenkammer der Unteranordnung 304 gleicht, wobei jedoch die zweite Linsen-Nebenkammer um 180 Grad gegen die Ausrichtung der ersten Linsen-Nebenkammer in bezug auf eine Mittelbezugsachse der Unteranordnung 304 ausgerichtet ist.
Die Halteschale 314a hat eine erste, zweite und dritte Gruppe von Rippen 330a, 334a bzw. 338a, die vorzugsweise mit der ersten Rippengruppe 330, der zweiten Rippengruppe 334 und der dritten Rippengruppe 338 der Unteranordnung 312 identisch sind. Wenn die Halteschalen 314a, 316a geschlossen sind, haben die Rippen 330a, 334a, 338a folglich die Funktion, die Linsen 348a, 349a sowie das Filter 354a bei Bedarf zu verschieben, um die optischen Achsen der Linsen 348a, 349a und die Mittelachse des Filters 354a in parallele Ausrichtung und vorzugsweise in einer Ausrichtung auf einer Linie mit der Mittelachse der Unteranordnung 304 zu bringen, wenn sie montiert sind. Die Halteschalen 314a, 316a haben auch jeweils zwei Zapfen und zwei passende Löcher, die den Zapfen 342 und Löchern 344 der Halteschalen 314, 316 gleichen. Der Zapfen und das Loch auf jeder Seite jeder Halteschale 314a, 316a sind jedoch vorzugsweise voneinander um eine Strecke beabstandet, die sich relativ von der Beabstandung zwischen den Zapfen 342 und den Löchern 344 der Halteschalen 314, 316 in Richtungen parallel zur Mittelachse 320 unterscheidet, um die Wahrscheinlichkeit zu ver ringern, daß eine der Halteschalen 314, 316 zufällig mit einer der Halteschalen 314a, 316a verbunden wird.
Die Emissionsoptik-Unteranordnungen 305–309 sind jeweils identisch mit der Optik-Unteranordnung 304 mit Ausnahme der optischen Filter. Insbesondere sind das optische Filter 354a der Unteranordnung 304 sowie die optischen Filter für die Unteranordnungen 305, 307 jeweils identisch mit dem Filter 354, das oben beschrieben worden ist, außer daß die Filter der Unteranordnungen 304, 305, 307 jeweils einen Bandpaß mit einer Mittenwellenlänge von 550 nm haben und 50% des Durchlaßmaximums bei Wellenlängen von 515 nm und 585 nm durchlassen. Die Optik-Unteranordnung 306 hat ein optisches Filter, das mit dem Filter 354 identisch ist, außer daß das optische Filter für die Unteranordnung 306 einen Bandpaß mit einer Mittenwellenlänge von 485 nm hat und 50% des Durchlaßmaximums bei Wellenlängen von 450 nm und 520 nm durchläßt. Die optischen Filter für die Unteranordnungen 308, 309 sind identisch mit dem Filter 354, außer daß die optischen Filter für die Unteranordnungen 308, 309 einen Bandpaß mit einer Mittenwellenlänge von 500 nm haben und 50% des Durchlaßmaximums bei Wellenlängen von 465 nm und 535 nm durchlassen. Die Linsen 348a, 349a der Unteranordnung 304 sowie die entsprechenden Linsen der Unteranordnungen 305–309 sind identisch mit der oben beschriebenen Linse 348.
Die Halteschalen 314, 314a, 316, 316a bieten insofern wichtige Vorteile, als sie nicht nur die Linsen 348, 348a, 349a und die Filter 354, 354a in richtiger Ausrichtung fest anordnen, sondern auch eingebaute Aperturen zum Aufnehmen von lichtemittierenden Dioden und Photodioden darstellen, wie weiter unten beschrieben wird. Außerdem stellen die Halteschalen 314, 314a, 316, 316a geformte eingebaute Lichteinlaßanschlüsse und Lichtauslaßanschlüsse einer geeigneten Größe für angrenzende optische Aperturen dar. Die Halteschalen 314, 314a, 316, 316a stellen eine preiswerte und dennoch einfache und effiziente Einrichtung zur Herstellung und Montage verschiedener Komponenten dar, ohne daß Dichtungen und Scheiben verwendet werden müssen, wie es bei anderen optischen Anordnungen normal ist (z. B. bei herkömmlichen optischen Anordnungen, bei denen Linsen, Filter und Scheiben nacheinander in einer zylindrischen Kammer eines einstückigen Gehäuses heruntergelassen werden).
Der Fachmann wird anerkennen, daß die Konzepte der ineinandergreifenden Halteschalen und eines optischen Blocks auch für andere optische Anordnungen verwendet werden können, z. B. für Ferngläser, Teleskope und dgl. Außerdem kann eine geeignete Anordnung durch Formen von Linsen und/oder optischen Filtern an Ort und Stelle und einstückig mit einer der Halteschalen bereitgestellt werden. Als weitere Alternative könnten die Halteschalen so aufgebaut sein, daß sie gefaltete oder versetzte optische Achsen darstellen, wie es beispielsweise häufig für Ferngläser der Fall ist. Wenn die Anordnung in Anwendungen verwendet werden soll, wo eine schnelle Wärmeübertragung zwischen dem Block und den Halteschalen gewünscht ist (beispielsweise in Anordnungen, wo die optischen Komponenten erwärmt werden), könnten die Halteschalen aus einem anderen Material als Kunststoff bestehen und eine Thermovergußmasse könnte zwischen den Halteschalen und dem Block eingebracht werden.
Obwohl die Optikanordnung 300, wie ausführlich oben beschrieben, gegenwärtig bevorzugt wird, kann eine alternative Optikanordnung hergestellt werden, indem der Block 302 weggelassen und eine andere Struktur bereitgestellt wird, um bei Bedarf die Halteschalen zusammenzuhalten und auch um die Unteranordnungen als Gruppe zusammenzuhalten. Beispielsweise können Ringe oder Einrastklemmvorrichtungen so hergestellt sein, daß sie jedes Paar von Halteschalen zusammenhalten, und es kann eine Rahmen-, Gitter- oder Verschnürungs- oder andere Struktur bereitgestellt werden, um zusammengefügte Paare von Halteschalen mit anderen zusammengefügten Paaren von Halteschalen zu halten. Als Wahlmöglichkeit kann die Konfiguration jedes zusammengefügten Paares von Halteschalen eine andere Form haben als zylindrisch, z. B. sechseckig, quadratisch, rechteckig oder dreieckig, und zwar in Fällen, wo es erwünscht ist, einen flachen direkten Flächenkontakt zwischen angrenzenden Halteschalenpaaren herzustellen und Luftspalte zu vermeiden (wie es beispielsweise gewünscht sein kann, um den Wärme übergang zu fördern). Als weitere Wahlmöglichkeit kann jede Halteschale mit einer Struktur versehen sein (z. B. Einraststifte oder -nasen oder Zapfenverbindung), um mit der anderen Halteschale dieser Unteranordnung verriegelt zu werden oder um mit Halteschalen anderer Unteranordnungen verriegelt zu werden.
Als zusätzliche Wahlmöglichkeit kann eine Anzahl von Halteschalen für eine Anzahl von verschiedenen Unteranordnungen nebeneinander als Anordnung einstückig zusammen geformt werden, die dann mit einer ähnlichen Anordnung verbunden wird, nachdem die optischen Komponenten an Ort und Stelle in jeder Unteranordnungskammer angeordnet worden sind, um die Anzahl der Teile zu reduzieren, die andernfalls getrennt gehandhabt werden müßten. Beispielsweise könnten drei Halteschalen ähnlich den Halteschalen 316 in 16 einstückig geformt und dann an drei Halteschalen ähnlich den Halteschalen 314 in 16 angefügt werden (mit der Wahlmöglichkeit, wie oben beschrieben, daß jede Halteschale 314 mit jeder Halteschale 316 identisch ist). Außerdem könnten die Rückseiten der Halteschale einer Reihe einstückig mit den Rückseiten der Halteschalen der angrenzenden Reihe geformt werden, um die Anzahl der Teile in jeder einzelnen Optikanordnung weiter zu reduzieren. Ferner könnten montierte Teile dieser Halteschalen andere Formen als zylindrische haben, z. B. sechseckig, quadratisch, rechteckig, dreieckig oder dgl., wie oben erwähnt.
Die Meßvorrichtung 14 weist außerdem eine elektrische Anordnung 400 auf (siehe beispielsweise 9), die eine Elektrooptik-Unteranordnung 402 und eine gedruckte Leiterplatte-Unteranordnung 404 mit einem gedruckten Leiterplattensubstrat und verschiedenen, auf dem Substrat angeordneten elektronischen Bauelementen aufweist. Die Elektrooptik-Unteranordnung 402 weist eine Kupplungsplatte 406 (siehe auch 22) mit sechs relativ ovalen Aussparungen 408 auf, die in zwei Reihen mit drei Aussparungen 408 in jeder Reihe angeordnet sind. Die Kupplungsplatte 406 weist außerdem drei kreisförmige Aussparungen 410 auf, die entlang einer einzelnen Reihe und in einer spaltenartigen Ausrichtung mit den Aussparungen 408 angeordnet sind, so daß die Aussparungen 408, 410 eine Rasteran ordnung von neun Aussparungen mit drei Aussparungen in jeder der drei Reihen darstellen.
Vorzugsweise mindestens ein Abschnitt der Kupplungsplatte 406 besteht aus einem Elastomermaterial. Zum Beispiel kann die Kupplungsplatte 406 ein Aluminiumsubstrat aufweisen, das mit einem elastischen Material, z. B. Polyurethan oder Silikon, überzogen oder teilweise überzogen ist. Als Wahlmöglichkeit bietet das Substrat Aussparungen, die den Aussparungen 408, 410 entsprechen, und eine Elastomermaterialschicht ist in jeder Aussparung aufgenommen. Als Wahlmöglichkeit erstreckt sich das Elastomermaterial über vier Kanten des Metallsubstrats hinaus und überdeckt den gesamten Bereich der flachen Rückseite des Metallsubstrats, die von der Optikanordnung 300 abgewandt ist. Vorzugsweise ist das Elastomermaterial elektrisch nichtleitend und hat Löcher, die mit den Löchern in dem für elektrische Leitungen vorgesehen Metall ausgerichtet sind, jedoch etwas kleiner ist als diese. Daher werden die Leitungen von einem Kontakt mit dem Aluminiumsubstrat ferngehalten.
Die elektrooptische Unteranordnung 402 weist drei lichtemittierende Dioden oder "LEDs" 412 auf (siehe 8 und 10), von denen jede eine kreisförmige Basis hat, die genau passend in einer entsprechenden der Aussparungen 410 aufgenommen ist. Jede LED 412 hat auch einen kuppelförmigen Abschnitt, der genau passend und komplementär im Lichteinlaßanschluß aufgenommen ist, der durch die ersten Kammerabschnitte der jeweiligen Halteschalen der Unteranordnungen 310–312 dargestellt wird. Die Halteschalen der Unteranordnungen 310–312 haben auch einen kreisförmigen Hohlraum (siehe beispielsweise den Hohlraum 323 in 17 und 18) zum Aufnehmen des Restes der kreisförmigen Basis der entsprechenden LED. Ein Beispiel einer geeigneten LED ist eine Gallium-Nitrid-LED, z. B. Teil Nr. NLPB-500 von Nichia, oder als Alternative eine Laserdiode.
Die Elektrooptik-Unteranordnung 402 weist außerdem sechs Festkörperlichtdetektoren oder Photodioden 410 auf, von denen jede einen Körper aufweist, der teilweise und genau passend in eine jeweilige der Aussparungen 408 aufgenommen ist. Die Photodioden 414 können entweder Siliziumphotodioden oder Lawinenphotodioden sein. Ein Beispiel einer geeigneten Siliziumphotodiode 414 ist das Teil Nr. S1133-14 von Hamamatsu. Die LEDs 412 sowie die Photodioden 414 weisen jeweils ein Paar Zuleitungen auf, die sich durch jeweilige Löcher der Kupplungsplatte 406 und insbesondere durch die Löcher des Metallsubstrats und des Elastomermaterials erstrecken, wie oben beschrieben.
Ein Paar Maschinenschrauben 416 (siehe 10) erstrecken sich durch einen umgeklappten Abschnitt des gedruckten Leiterplattensubstrats, durch jeweilige Löcher 418 (siehe 22) der Kupplungsplatte 406, durch jeweilige Löcher 420 (siehe 16) des Blocks 302 und sind in passende Gewindelöcher 422 (siehe 14) der Faserblockendplatte 214 eingeschraubt. Vorzugsweise ist der Block 302 außerdem mit einem Paar vorstehenden parallelen Ausrichtungszapfen 424 versehen, die in jeweilige Löcher 426 (siehe 14) der Einsatzplatte 214 aufgenommen werden, um das Zusammenfügen zu erleichtern. Wenn die Schrauben 416 in der Einsatzplatte 214 fest eingeschraubt sind, stellt das elastische Material, das sich über dem Substrat der Kupplungsplatte 406 erstreckt, eine nachgiebige Schicht dar, die dazu beiträgt, Beschädigungen an der elektrischen Anordnung 400 zu verhindern, wenn die Meßvorrichtung 14 physischen Stoßkräften ausgesetzt ist, wie sie auftreten können, wenn beispielsweise die Meßvorrichtung 14 unbeabsichtigt fallengelassen wird.
Wie in 9 dargestellt, steht der Umfangsrandabschnitt der Kupplungsplatte 406 von benachbarten Bereichen des Optikblocks 302 sowie von der gedruckten Leiterplatte-Unteranordnung 404 nach außen vor. Die Umfangsrandabschnitte der Kupplungsplatte 406 sind in Kanäle 428 der beiden Teile des Gehäuses 200 aufgenommen. Die vorstehenden Umfangsrandabschnitte der Kupplung 406 in Kombination mit den Kanälen 428 stellen eine stabile Befestigung für die Optikanordnung 300 und die elektrische Anordnung 400 dar und dienen außerdem dazu, die Konvektionswärmemenge zu reduzieren, die andernfalls von einer Fläche im Gehäuse 200, das die gedruckte Leiterplatte-Unteranordnung 404 umgibt, zu dem Bereich im Gehäuse 200 strömen würde, der den Rest der Bauelemente umgibt, ein schließlich der Optikanordnung 300 und der Faserblockanordnung 210.
Die gedruckte Leiterplatte-Unteranordnung 404 weist eine Steuereinrichtung 430 auf (siehe 23), die Strom, einen Zeittakt und Anweisungssignale von einer entfernt angeordneten Überwachungseinrichtung 432 empfängt (siehe 24). Ein flexibles elektrisches Kabel 434 (8) verbindet die Steuereinrichtung 430 und die Überwachungseinrichtung 432 betriebsfähig miteinander. Als weitere Wahlmöglichkeit kann die elektrische Anordnung 400 durch Batterien gespeist werden, die sich im Gehäuse 200 oder angrenzend an dieses befinden, und das elektrische Kabel 434 kann durch ein Bündel optischer Fasern oder durch eine telemetrische Kommunikationsvorrichtung ersetzt werden, z. B. eine Vorrichtung, die Funkfrequenz- oder optische Frequenzsignale bereitstellt.
Das gedruckte Leiterplattensubstrat der Unteranordnung 404 ist zu einer rechteckigen, kastenartigen Konfiguration gefaltet, wie in 8 bis 10 gezeigt. Die kastenartige Konfiguration weist vier Seitenabschnitte und zwei Endabschnitte auf, die den Raum umgeben, in dem die elektronischen Bauelemente auf dem Substrat angeordnet sind. Ein solcher Aufbau stellt vorteilhafterweise eine elektrische Abschirmung für die elektronischen Bauelemente dar und dient außerdem dazu, die Bauelemente von den LEDs relativ thermisch zu trennen.
Die Steuereinrichtung 430 ist elektrisch mit drei Treibern 436 verbunden (die Verbindung ist nicht in den Zeichnungen dargestellt), die wiederum jeweils elektrisch mit einer entsprechenden der LEDs 412 verbunden sind. Die Treiber 436 speisen die jeweiligen LEDs 412 in entsprechender Folge.
Die gedruckte Leiterplatte-Unteranordnung 404 weist drei Analog-Digital-Umsetzer 438, 439, 440 auf, die in 23 sowie in 15 gezeigt sind. Ein geeigneter Analog-Digital-Umsetzer hat die Katalog-Nr. DDC101 von BURR-BROWN. Wie schematisch in 15 dargestellt, ist der Umsetzer 438 elektrisch mit Photodioden 414 verbunden, die den optischen Unteranordnungen 305 und 306 zugeordnet sind, der Umsetzer 439 ist elektrisch mit den Photodioden 414 verbunden, die der optischen Unteranordnung 307 und 308 zugeordnet sind, und der Um setzer 440 ist elektrisch mit der Diode 414 verbunden, die den optischen Unteranordnungen 304, 309 zugeordnet ist. Außerdem ist ein Signalverstärker oder Operationsverstärker 442 (z. B. Katalog-Nr. AD795 von Analog Devices) in der elektrischen Zuleitung zwischen den Photodioden 414 der Unteranordnung 309 und dem Umsetzer 439 angeordnet.
Bei Verwendung leitet die Steuereinrichtung 430 nach Empfang eines bestimmten Signals von der Überwachungseinrichtung 432 ein Signal an einen der Treiber 436, der wiederum die entsprechende der LEDs 412 speist. Das Licht kommt dann aus dieser LED 412 durch die angrenzende optische Faser der Faserblockanordnung 210 in den entsprechenden Sensor 28–34, wo es absorbiert wird. Der Sensor emittiert dann Licht mit einer anderen Wellenlänge. Die Menge des emittierten Lichts wird von der Analytkonzentration (z. B. einem Eichfluid oder Blut) in der Fluidkammer 18 der Kassette 12 bestimmt. Das Licht, das von einem solchen Sensor 28–34 emittiert wird, wird über andere optische Fasern der Faserblockanordnung 210 und an eine der Photodioden 414 geleitet, und der Umsetzer 438–440, der elektrisch mit dieser Diode 414 verbunden ist, stellt ein digitales Ausgangssignal bereit, das die Menge des detektierten Lichtstroms darstellt. Die Steuereinrichtung 430 liest entsprechend einem vorgewählten Zeitverzögerungsintervall Daten, die von dem entsprechenden Umsetzer 438–440 empfangen werden, und gibt Daten an die Überwachungseinrichtung 432 über Kabel 434 weiter.
Das optische Filter 354 in jeder der Anregungsoptik-Unteranordnungen 310–312 dient dazu, im wesentlichen das gesamte Licht mit Wellenlängen innerhalb des Bandpasses durchzulassen und im wesentlichen das gesamte Licht mit Wellenlängen, die nicht im Bandpaß liegen, zu sperren. Die Linse 348 jeder Anregungsoptik-Unteranordnung 310–312 fokussiert das Licht, das vom optischen Filter 354 emittiert wird, auf die optische Apertur des benachbarten Faseroptikbündels.
Das Licht, das von den Sensoren 28–34 emittiert und zudem Emissionsoptik-Unteranordnungen 304–309 gelenkt wird, gelangt von der optischen Apertur des benachbarten Faseroptikbündels zu der entsprechenden Linse 348a. Die Linse 348a dient dazu, das Licht entlang der optischen Achse zum benachbarten optischen Filter 354a zu kollimieren und zu richten. Die zweite Linse 349a fokussiert dann das Licht auf der entsprechenden angrenzenden Photodiode 414. Das Filter 354a läßt das meiste Licht mit Wellenlängen im Bandpaß durch und sperrt im wesentlichen das gesamte Licht mit Wellenlängen außerhalb des Bandpasses. Bei jedem gegebenen Lichtweg wählt das Filter 354 die Wellenlänge des Lichts aus, die den fluoreszierenden Farbstoff in dem entsprechenden Sensor 28–34 anregen, und sperrt im wesentlichen das gesamte andere Licht. Das Filter 354a wählt die Wellenlängen des Lichts aus, die vom fluoreszierenden Farbstoff emittiert worden sind, und sperrt im wesentlichen das gesamte restliche Licht (einschließlich jeglichen reflektierten Anregungslichts).
Die Umsetzer 438–440 setzen das Analogsignal, das von den Photodioden 414 empfangen wird, in einen digitalen Datenstrom um, der die Lichtstrommenge darstellt, die von den Photodioden 414 erfaßt wird. Die Digitaldaten werden an die Steuereinrichtung 430 weitergegeben, die wiederum die Daten an die Überwachungseinrichtung 432 sendet.
15 zeigt, daß das Licht, das von der LED 412 emittiert und von der Unteranordnung 310 empfangen wird, simultan zum Sensor 30, zum Sensor 32 und zur Referenzscheibe 254 neben dem Loch 246 gerichtet wird. Das vom Sensor 30 emittierte Licht wird von der Photodiode 414 direkt an der Unteranordnung 305 detektiert und vom Umsetzer 438 in ein Digitalsignal umgesetzt. Das von der Referenzscheibe 254 direkt am Loch 246 emittierte Licht wird von der Photodiode 414 der Unteranordnung 307 detektiert und vom Umsetzer 439 in ein Digitalsignal umgesetzt. Das Licht, das vom Sensor 32 kommend von der Photodiode 414 direkt an der Unteranordnung 304 detektiert wird, wird vom Umsetzer 440 in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Der digitale Datenstrom von den drei Umsetzer 438–440 wird von der Steuereinrichtung 430 empfangen und an die Überwachungseinrichtung 432 weitergeleitet.
Auf ähnliche Weise wird das Licht, das von der LED 412 der Unteranordnung 312 zum Sensor 34 sowie zur Referenzscheibe 254 geleitet, die an das Loch 250 angrenzt. Das Licht, das vom Sensor 34 emittiert wird, wird von der Photodiode 414 direkt an der Unteranordnung 306 detektiert, und das analoge Ausgangssignal der Photodiode 414 wird vom Umsetzer 438 in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Gleichzeitig wird das von der Referenzscheibe 254 am Loch 250 emittierte Licht von der Photodiode 414 direkt an der Unteranordnung 308 detektiert, und das Analogsignal von dieser Photodiode 414 wird vom Umsetzer 439 in einen digitalen Datenstrom umgesetzt.
Wenn die LED 412 der Unteranordnung 311 aktiviert wird, wird Licht gleichzeitig zum Sensor 28 und zur Referenzscheibe 254 geleitet, die an das Loch 248 angrenzt. Das von der Referenzscheibe 254 angrenzend an das Loch 248 emittierte Licht wird von der Photodiode 414 direkt an der Unteranordnung 308 detektiert, und das analoge Ausgangssignal der Photodiode 414 wird vom Umsetzer 439 in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Das vom Sensor 28 emittierte Licht wird von der Photodiode 414 direkt an der Unteranordnung 309 detektiert, und das analoge Ausgangssignal von der Photodiode 414 wird vom Verstärker 442 verstärkt und zum Umsetzer 440 geleitet, der das Analogsignal in einen digitalen Datenstrom umsetzt.
Die in 15 gezeigte schematische Darstellung ermöglicht die Verwendung von nur drei Umsetzern 438–440, obwohl vier Sensoren (d. h. die Sensoren 28–34) und drei Referenzplatten 254 verwendet werden, und ermöglicht auch die Verwendung von nur drei LEDs 412. Eine solche Zeitteilungs- oder "Multiplex"-Anordnung behält die Anzahl der Bauelemente bei, die für die elektrische Anordnung 400 notwendig sind, und behält auch die Raumgröße bei, so daß das Gehäuse 200 relativ klein sein kann. Außerdem reduziert eine solche Anordnung die Wärmemenge, die andernfalls im Gehäuse 200 erzeugt werden könnte.
Ein schematisches Blockschaltbild der Überwachungseinrichtung 432 ist in 24 dargestellt. Die Überwachungseinrichtung 432 weist eine Schnittstellenkarte 450 auf, die mit dem Kabel 434 verbunden ist, das von der elektrischen Unteranordnung 404 kommt. Die Schnittstellenkarte 450 ist mit einer Hilfskarte 452 elektrisch gekoppelt, die wiederum mit einer primären Steuereinrichtung oder "SBC" (Einkartencomputer) 454 verbunden ist. Die Schnittstellenkarte 450 liefert außerdem Strom an die LEDs 412.
Der SBC steuert die Amplitude und die Dauer der Impulsansteuerung der LEDs 412. Der SBC 454 ist mit einer Speicherkarte 456 sowie einer Anzeige 458, z. B. einer LED-Anzeige, verbunden. Ein Leistungswechselrichter 460 für die Anzeige 458 ist auch mit dem SBC 454 verbunden.
Die Überwachungseinrichtung 432 weist eine Stromversorgung 462 auf, die mit einer Netzstromquelle verbunden ist. Die Stromversorgung 462 ist elektrisch mit einer Ladevorrichtung 464 gekoppelt, die eine Batterie 466 in einem geladenen Zustand hält. Die Stromversorgung 462 sowie die Batterie 466 sind mit einer Stromversorgungswählschaltung 468 verbunden. Die Überwachungseinrichtung 432 weist einen Schalter 470 auf, der, wenn er geschlossen ist, Strom an drei Gleichspannungswandler 472 überträgt. Der Gleichspannungswandler 472 sowie ein Drucker 474 sind beide elektrisch mit einer Hilfskarte 452 gekoppelt.
25 ist eine schematische Darstellung eines Herz-Lungen-Maschinenkreislaufs 500, der vorteilhafterweise die Meßvorrichtung 14 und die Kassette 12 verwendet, die oben beschrieben sind. Der Kreislauf 500 weist eine erste Länge einer Schlauchleitung 502 mit einem Einlaß auf, der sich in Kommunikation mit einem venösen Blutgefäß (vorzugsweise die Vena Cava) eines Patienten 405 befindet, der einer Operation unterzogen wird, z. B. einer offenen Herzoperation. Die Schlauchleitung 502 weist auch einen Auslaß auf, der mit einem venösen Beutelreservoir 506 verbunden ist. Ein Kardiotomiereservoir 508 ist auch mit Hilfe einer zweiten Länge einer Schlauchleitung 510 mit dem venösen Beutelreservoir 506 verbunden.
Der Kreislauf 500 weist außerdem eine dritte Länge einer Schlauchleitung 512 mit einem Einlaß auf, der mit einem Auslaßanschluß des venösen Beutelreservoirs 506 verbunden ist. Die dritte Länge der Schlauchleitung 512 hat einen Auslaß, der mit einer peristaltischen oder Zentrifugalpumpe 514 verbunden ist.
Die Pumpe 514 hat einen Auslaß, der mit einem Einlaß einer vierten Länge einer Schlauchleitung 516 verkuppelt ist.
Die vierte Länge der Schlauchleitung 516 hat einen Auslaß, der mit einem Einlaßanschluß eines Oxygenators 518 verkuppelt ist. Der Oxygenator 518 hat einen Auslaßanschluß, der mit einem Einlaß in einer fünften Länge einer Schlauchleitung 520 verbunden ist.
Die fünfte Länge der Schlauchleitung 520 hat einen Auslaß, der mit einem Einlaßanschluß eines arteriellen Filters 522 in Verbindung steht. Ein Auslaßanschluß des arteriellen Filters 522 ist mit einem Einlaß einer sechsten Länge einer Schlauchleitung 523 verbunden. Die sechste Länge der Schlauchleitung 523 hat ebenfalls einen Auslaß, der mit einem arteriellen Blutgefäß (vorzugsweise der Aorta) des Patienten 504 verbunden ist.
Der Herz-Lungen-Maschinenkreislauf 500 weist auch einen Shunt-Übergang 524 auf. In der in 25 dargestellten Ausführungsform weist der Shunt-Übergang 524 eine sechste Länge einer Schlauchleitung 526 mit einem Einlaß auf, der mit einem Auslaßanschluß des arteriellen Filters 522 verbunden ist. Die sechste Länge der Schlauchleitung 526 hat ebenfalls einen Auslaß, der mit einem Einlaßanschluß einer Blutparametermeßkassette verbunden ist, z. B. mit der Kassette 12, die in 1 bis 7 gezeigt ist. Beispielsweise kann die sechste Länge der Schlauchleitung 526 die gleiche sein wie die Schlauchleitung 54, die in 5 gezeigt ist.
Der Shunt-Übergang 524 weist außerdem eine siebente Länge von Schläuchen 528 mit einem Einlaß auf, der mit einem Auslaßanschluß der Kassette 12 verbunden ist. Die siebente Länge von Schläuchen 528 ist als Wahlmöglichkeit die gleiche wie die Schläuche 84, die in 5 gezeigt sind. Die siebente Länge von Schläuchen 528 hat ebenfalls einen Auslaßanschluß, der mit einem Einlaßanschluß eines Probenahmeanschlusses 530 verbunden ist.
Der Shunt-Übergang 524 weist ferner eine achte Länge einer Schlauchleitung 532 mit einem Einlaß auf, der mit einem Auslaßanschluß des Probenahmeanschlusses 530 verbunden ist. Die achte Länge der Schlauchleitung 532 hat einen Auslaß, der mit dem Einlaßanschluß des venösen Beutelreservoirs 506 in der in 25 gezeigten Ausführungsform verbunden ist. Obwohl in der Zeichnung nicht so dargestellt, kann der Shunt-Übergang 524 als Wahlmöglichkeit ein Ventil aufweisen, um den Durchgang des Blutes durch die Schlauchleitungen 526, 528 und 532 zu begrenzen oder zu unterbrechen.
Die Durchgänge in den flexiblen Schlauchleitungen 502, 510, 512 und 516 sowie im Kardiotomiereservoir 508, im venösen Beutelreservoir 506 und in der Pumpe 514 weisen einen venösen Durchgang auf. Die Durchgänge in den flexiblen Schlauchleitungen 520, 523 sowie im arteriellen Filter 522 stellen einen arteriellen Durchgang dar. Der Auslaß des Shunt-Übergangs 524 (d. h. der Auslaß der achten Länge der Schlauchleitung 532 in der in 25 gezeigten Ausführungsform) kann an irgendeiner Stelle aus einer Anzahl verschiedener Stellen entlang des venösen Durchgangs angeordnet sein und ist lediglich zu Beispielzwecken als verbunden mit dem Einlaßanschluß des venösen Beutelreservoirs 506 dargestellt. Vorzugsweise ist der Auslaß des Shunt-Übergangs 524 im venösen Durchgang vor der Pumpe 514 angeordnet, damit das Blut durch den Shunt-Übergang 524 strömen kann, ohne daß eine Hilfspumpe notwendig ist.
Der Einlaß des Shunt-Übergangs 524 (d. h. der Einlaß der sechsten Länge der Schlauchleitung 526 in der in 25 gezeigten Ausführungsform) befindet sich vorzugsweise mit dem arteriellen Durchgang in Kommunikation, und zwar an irgendeiner Stelle aus einer Anzahl von verschiedenen Stellen entlang des letzteren und ist insbesondere mit einem Auslaßanschluß des arteriellen Filters 522 verbunden, wie in 25 dargestellt. Als weitere Wahlmöglichkeit kann der Einlaß des Shunt-Übergangs 524 jedoch entlang des venösen Durchgangs angeordnet sein, vorzugsweise an einer Stelle hinter der Pumpe 514.
In dem in 25 gezeigten Kreislauf 500 leitet der Shunt-Übergang 524 einen Teil des Blutes des Patienten um, das durch den arteriellen Durchgang strömt, und leitet den umgeleiteten Teil zum venösen Durchgang zurück. Vorteilhafterweise ist es durch die Anordnung der Kassette 12 mit ihren Sensoren 28–34 entlang der Länge des Shunt-Übergangs 524 nicht notwendig, die Kassette 12 in Reihe entweder mit dem venösen Durchgang oder mit dem arteriellen Durchgang anzuordnen, und es ist dennoch möglich, daß sich das Blut bei Bedarf immer kontinu ierlich an den Sensoren 28–34 vorbeiströmt. Außerdem kann der Shunt-Übergang 524 während einer Operation bei Bedarf mit dem venösen und arteriellen Durchgang verbunden oder getrennt werden, ohne den Blutstrom durch den venösen Durchgang und den arteriellen Durchgang zum Patienten 504 zu unterbrechen.
Im Gegensatz dazu haben Herz-Lungen-Maschinenkreisläufe mit Blutgasüberwachungsvorrichtungen normalerweise eine Durchflußkassette oder -zelle angeschlossen, die im venösen oder arteriellen Durchgang angeordnet ist und einen oder mehrere Sensoren zur Bestimmung von Parametern des Blutes hat, das durch die Zelle strömt. Da jedoch die Durchflußzelle mit den venösen und arteriellen Durchgängen in Reihe geschaltet ist, muß die Zelle mit dem venösen oder arteriellen Durchgang verbunden werden, bevor das Blut durch den Herz-Lungen-Maschinenkreislauf geleitet wird, unter bestimmten Umständen ein Nachteil. Eine solche Anordnung verhindert außerdem effektiv die Möglichkeit des Auswechselns der Zelle, wenn beispielsweise ein oder mehrere der Sensoren defekt sind.
Vorzugsweise hat der Shunt-Übergang 524 einen durchschnittlichen Querschnitt in Bezugsebenen senkrecht zum Blutstrom, der kleiner ist als der durchschnittliche Querschnitt des venösen und/oder des arteriellen Durchgangs in Bezugsebenen senkrecht zum Blutstrom. Beispielsweise kann der Shunt-Übergang 524 mit den flexiblen Schlauchleitungen 526, 528 und 532 einen Innendurchmesser von 0,125 Zoll (3,2 mm) haben, obwohl der venöse und arterielle Durchgang mit den flexiblen Schlauchleitungen 502, 512, 516, 520 und 523 einen durchschnittlichen Innendurchmesser im Bereich von etwa 0,25 Zoll (6,3 mm) bis etwa 0,5 Zoll (12,7 mm) haben kann. Der kleinere Innenquerschnitt des Shunt-Übergangs 524 ermöglicht die Verwendung relativ kleiner Schlauchgrößen, die zu jeder Zeit leicht am venösen und arteriellen Durchgang befestigt oder von diesem getrennt werden können, und zwar ohne eine übermäßige Unterbrechung des Blutstroms durch den venösen und arteriellen Durchgang. Beispielsweise kann der Shunt-Übergang 524 mit dem venösen und arteriellen Durchgang, eine bestimmte Zeit nachdem das Blut begonnen hat, durch die letzteren zu strömen, verbunden werden, wie es in der Operationsableitung erwünscht sein kann, nachdem der Patient mit dem installierten und in Gebrauch befindlichen arteriellen und venösen Durchgang aus der Operationsvorbereitungsabteilung eingetroffen ist.
Ferner ist der Shunt-Übergang 524 insofern ein Vorteil, als der Probenahmeanschluß 530 in enger Nachbarschaft zur Kassette 12 angeordnet sein kann und dazu beiträgt, sicherzustellen, daß die Blutproben, die vom Probenahmeanschluß 530 genommen werden, mit der Messung der Blutcharakteristik, die von der Kassette 12 und der Meßvorrichtung 14 bestimmt wird, besser korrelieren. Durch diese Anordnung ist es auch nicht mehr notwendig, daß eine Spritze oder eine andere Vorrichtung Blutproben aus dem Probenahmeanschluß entnehmen muß, wie es bei vielen herkömmlichen Herz-Lungen-Maschinenkreisläufen der Fall ist.
Die Kassette 12 und die Vorrichtung 14 können auch in einer Shunt-Anwendung ohne Herz-Lungen-Maschinenkreislauf verwendet werden. Beispielsweise könnte in einer Intensivstation oder an einem anderen Ort, wo die Versorgung problematisch ist, ein arteriell/venöser Shunt-Übergang dadurch hergestellt werden, daß eine flexible Schlauchleitung mit einem relativ kleinen Durchmesser (z. B. 0,125 Zoll (3,1 mm) bis 0,19 Zoll (4,8 mm) Außendurchmesser) mit einem arteriellen Blutgefäß und einem venösen Blutgefäß unter Verwendung herkömmlicher Kanülierungstechniken verbunden wird. Das Blut würde dann aufgrund der arteriell/venösen Druckdifferenz durch der Schlauchleitung strömen. Eine Kassette, z. B. die Kassette 12, die mit der Schlauchleitung verbunden ist, würde verwendet werden, um ein oder mehrere Parameter des Blutes zu überwachen.
Vorteilhafterweise ist die Längsachse der Meßvorrichtung 14 und insbesondere die Längsachse des Gehäuses 200 im allgemeinen parallel und vorzugsweise parallel zu der Richtung des Blutstroms in der Fluidkammer 18 der Kassette 12. Ein solcher Aufbau ermöglicht eine kompakte Anordnung und reduziert ferner die Möglichkeit von Wirbelströmen und anderen Unterbrechungen des Blutstroms, die ansonsten leicht auftreten und eine Verklumpung des Blutes bewirken könnten. Die parallele Anordnung ist insbesondere geeignet, wenn die Kassette 12 und die Meßvorrichtung 14 in der Nähe des Körpers des Patienten angeordnet sind.
26 ist eine schematische Darstellung eines Herz-Lungen-Maschinenkreislaufs 500a entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In 25 und 26 sind die Elemente, die mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, identisch und folglich kann auf eine ausführliche Beschreibung dieser Elemente verzichtet werden. Der Herz-Lungen-Maschinenkreislauf 500a in 26 hat einen Shunt-Übergang 524a, der sich von dem Shunt-Übergang 524 geringfügig unterscheidet.
Insbesondere weist der Shunt-Übergang 524a eine sechste Länge einer Schlauchleitung 526a mit einem Einlaß, der mit dem arteriellen Filter 522 verbunden ist, und einen Auslaß auf, der mit einem Probenahmeanschluß 530a verbunden ist. Der Shunt-Übergang 524a weist außerdem eine siebente Länge einer Schlauchleitung 528a mit einem Einlaß, der mit dem Probenahmeanschluß 530a verbunden ist, und einen Auslaß auf, der mit der Kassette 12 verbunden ist. Eine achte Länge einer Schlauchleitung 532a des Shunt-Übergangs 524a hat einen Einlaß, der mit der Kassette 12 verbunden ist, und einen Auslaß, der mit dem Kardiotomiereservoir 508 verbunden ist.
Der Herz-Lungen-Maschinenkreislauf 500a weist außerdem eine neunte Länge einer Schlauchleitung 534a mit einem Einlaß, der mit einem Einlaß des venösen Beutelreservoirs 506 verbunden ist, und einen Auslaß auf, der mit der Probenahmeanschluß 530a verbunden ist. Eine Pumpe 536a ist in der neunten Länge der Schlauchleitung 534a zum Leiten des Blutes aus dem venösen Beutelreservoir 506 durch die neunte Länge der Schlauchleitung 534a und zum Probenahmeanschluß 530a angeordnet.
Der Probenahmeanschluß 530a weist Ventile auf, um den Blutstrom entweder von der sechsten Länge der Schlauchleitung 526a oder von der neunten Länge einer Schlauchleitung 534a selektiv zu unterbrechen. Beispielsweise können die Ventile des Probenahmeanschlusses 530a so angeordnet sein, daß der Blutstrom durch die sechste Länge der Schlauchleitung 526a und zur Kassette 12 ermöglicht wird und der Blutstrom in der neunten Länge der Schlauchleitung 534a unterbrochen wird, so daß die Sensoren 28–34 der Kassette 12 verwendet werden können, um die Parameter des arteriellen Blutes zu überwachen. Als weitere Wahlmöglichkeit können die Ventile des Probenahmeanschlusses 530a so eingestellt werden, daß der Blutstrom durch die sechste Länge der Schlauchleitung 526a unterbrochen wird und der Blutstrom durch die neunte Länge der Schlauchleitung 534a und zur Kassette 12 ermöglicht wird, so daß die Sensoren 28–34 zur Überwachung der Parameter des venösen Blutes verwendet werden können. Eine solche Anordnung ermöglicht es dem Anwender, alternativ sowohl die venösen als auch die arteriellen Blutparameter zu überwachen, ohne daß zwei Kassetten und Meßvorrichtungen erforderlich wären.
Eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung ist in 27 schematisch dargestellt, in der ein Herz-Lungen-Maschinenkreislauf 500b gezeigt ist. Die Komponenten, die in 25 und 27 gezeigt sind und die die gleichen Bezugszeichen tragen, sind identisch, und auf eine ausführliche Beschreibung dieser Komponenten kann hier verzichtet werden. Der Herz-Lungen-Maschinenkreislauf 500b weist jedoch einen Shunt-Übergang 524b auf, der sich von den oben beschrieben Shunt-Übergängen 524, 524a geringfügig unterscheidet.
Insbesondere weist der Shunt-Übergang 524b eine sechste Länge einer Schlauchleitung 526b mit einem Einlaß, der mit einem Auslaß des arteriellen Filters 522 verbunden ist, und einen Auslaß auf, der mit dem Einlaß der Kassette 12 verbunden ist. Eine siebente Länge einer Schlauchleitung 528b des Shunt-Übergangs 524b hat einen Einlaß, der mit dem Auslaßverbinder 62 der Kassette 12 verbunden ist, und einen Auslaß, der mit einem Einlaßanschluß eines Probenahmeanschlusses 530b verbunden ist. Eine achte Länge einer Schlauchleitung 532b des Shunt-Übergangs 524b hat einen Einlaß, der mit einem Auslaßanschluß des Probenahmeanschlusses 530b verbunden ist, und einen Auslaß, der mit einem Kardiotomiereservoir 508 verbunden ist.
Zusätzlich weist der Shunt-Übergang 524b eine neunte Länge einer Schlauchleitung 534b mit einem Einlaß, der mit einem Einlaßanschluß des venösen Beutelreservoirs 506 verbunden ist, und einen Auslaß auf, der mit einem Einlaßpaßstück einer zweiten Kassette 12a verbunden ist. Als Wahlmöglichkeit ist die zweite Kassette 12a identisch mit der ersten Kassette 12. Die zweite Kassette 12a hat einen Auslaßverbinder (z. B. den in 5 gezeigten Luer-Verbinder 62), der einen Einlaß einer zehnten Länge der Schlauchleitung 528b verbindet. Die zehnte Länge einer Schlauchleitung 538b hat einen Auslaß, der mit einem Einlaß der Probenahmeanschluß 532b verbunden ist. Eine Pumpe 536b ist in der zehnten Länge der Schlauchleitung 538b angeordnet, um das Blut vom Einlaß des venösen Beutelreservoirs 506 zum Probenahmeanschluß 530b zu leiten.
Der in 27 gezeigte Herz-Lungen-Maschinenkreislauf 500b ermöglicht dem Anwender, die Charakteristik des Blutes gleichzeitig sowohl im arteriellen als auch venösen Durchgang zu überwachen. Als Alternative zu den Kreisläufen 500a, 500b, die in 26 und 27 gezeigt sind, kann der Einlaß der neunten Länge der Schlauchleitung 534a, 534b mit der vierten Länge der Schlauchleitung 516 verbunden sein, und in solchen Fällen ist der Druck, der von der Pumpe 514 erzeugt wird, vorzugsweise ausreichend, um den Blutstrom durch die Schlauchleitung 534a, 534b zu leiten, ohne daß die Pumpen 536a, 536b benötigt werden.
Die Shunt-Übergänge 524a, 524b haben, wie der Shunt-Übergang 524, vorzugsweise einen durchschnittlichen Querschnitt in Bezugsebenen senkrecht zum Blutstrom, der kleiner ist als der durchschnittliche Querschnitt entweder des venösen oder arteriellen Durchgangs, wenn man von Bezugsebenen senkrecht zum Blutstrom ausgeht. Die Shunt-Übergange 524a, 524b können bequem angebracht bzw. von den Kreisläufen 500a, 500b gelöst werden, ohne den Blutstrom zu unterbrechen, der durch den arteriellen und venösen Durchgang strömt.
Eine Kassette 12a gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in 28 bis 31 dargestellt und weist allgemein einen Kassettenkörper 15a, der in 28 und 29 allein dargestellt ist, und ein Kassettengehäuse 16a auf, das in 30 allein dargestellt ist. Der Körper 15a weist ein mittleres Trägerteil 17a zum Befestigen eines oder mehrerer Sensoren auf, die geeignet sind, einen oder mehrere Parameter in einem Fluid, z. B. Blut, zu erfassen. In der in 28 und 29 ge zeigten Ausführungsform trägt das Trägerteil 17a vier Sensoren 28–34, die mit den Sensoren 28–34 identisch sind, die in Verbindung mit der Kassette 12 oben beschrieben worden sind, obwohl dabei verständlich ist, daß verschiedene Sensoren oder eine kleinere oder größere Anzahl von Sensoren als Alternative verwendet werden können.
Die Sensoren 28–34 des Kassettenkörpers 15a befinden sich in einer ovalen Aussparung 26a, die von einem Rand 40a umgeben ist. Ein Keil 42a ist einstückig mit einer Seitenwand des Randes 40a verbunden, wie in 28 gezeigt. Die Aussparung 26a, der Rand 40a und der Keil 42a haben die gleiche Konfiguration wie die Aussparung 26, der Rand 40 und der Keil 42, die oben beschrieben sind, um bei Bedarf mit dem Vorsprung 216 der Meßvorrichtung 14 in Eingriff zu treten und lösbar verkuppelt zu werden.
Der Kassettenkörper 15a weist außerdem eine außen liegende Kupplung 44a zur lösbaren Verbindung mit der innen liegenden Kupplung 202 der Meßvorrichtung 14 auf. Die Kupplung 44a hat eine konvexe, im allgemeinen U-förmige Konfiguration in Bezugsebenen senkrecht zu einer Achse, die sich durch die Mitte der vier Sensoren 28–34 erstreckt. Die Kupplung 44a weist gegenüberliegende Schenkelabschnitte 46a auf, die sich in einer Richtung weg von der nach außen gerichteten Verlängerung des Randes 40a vom Körper 15a nach außen erstrecken. Jeder Schenkelabschnitt 46a weist drei Stützteile mit flachen, in derselben Ebene liegenden Außenflächen 47a auf, die für einen Kontakt mit der Kupplung 202 geeignet sind. Vorzugsweise konvergieren die Außenflächen 47a der gegenüberliegenden Schenkelabschnitte 46a, wenn sie sich dem Körper 15a nähern, und erstrecken sich entlang solchen Bezugsebenen, die in einem Winkel in einem Bereich von etwa 28 Grad bis etwa 32 Grad relativ zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere erstrecken sich die Außenflächen 47a entlang jeweiliger Bezugsebenen, die in einem Winkel von etwa 30 Grad zueinander ausgerichtet sind.
Ein Flansch 48a ist einstückig mit dem äußeren Ende jedes Schenkelabschnitts 46a verbunden. Die Flansche 48a liegen in einer gemeinsamen Ebene, die parallel zu der oben genannten Achse ist, die sich durch die Mitte der vier Sensoren 28–34 erstreckt. Die Schenkelabschnitte 46a sind etwas flexibel und können unter Fingerdruckeinwirkung geringfügig zueinander bewegt werden, haben jedoch einen ausreichenden Memory-Effekt, um schnell und wiederholt in ihre ursprüngliche, normale Ausrichtung zurückzukehren, wie in den Zeichnungen gezeigt, wenn der Fingerdruck nachläßt.
Ein äußerer mittlerer Bereich jedes Schenkelabschnitts 46a ist einstückig mit einer keilförmigen Nase 50a verbunden. Die Nasen 50a erstrecken sich voneinander weg und von den jeweiligen Schenkelabschnitten 46a entlang jeweiliger Bezugsebenen nach außen, die in einem Winkel von etwa 80 Grad zueinander ausgerichtet sind. Außerdem erstreckt sich der distale Rand jeder Nase 50a in einer Bezugsebene, die in einem Winkel von 25 Grad relativ zur Richtung der Ausdehnung der Flansche 48a ausgerichtet ist. Äußerste Ränder der Nasen 50a sind nach außen relativ zu angrenzenden Bereichen der jeweiligen Schenkelabschnitte 46a beabstandet und liegen in einer gemeinsamen Bezugsebene, die zwischen dem Körper 15a und der oben erwähnten Bezugsebene ist, die die Flansche 48a enthält.
Außerdem haben die Schenkelabschnitte 46a jeweils zwei rechteckige Öffnungen 49a, die sich zwischen dem Körper 15a und den Nasen 50a befinden und sich vorzugsweise nahe am Körper 15a befinden. Außerdem hat der Kassettenkörper 15a eine Nut 51a, wie in 29 dargestellt, zum Aufnehmen eines O-Rings 51a, der nur in 31 dargestellt ist.
Das Kassettengehäuse 16a, das in 30 allein dargestellt ist, hat Wände, die eine Kammer 18a, einen Einlaß 53a zum Aufnehmen eines Fluids, z. B. Blut, in die Kammer 18a und einen Auslaß 55a zum Abgeben des Fluids aus der Kammer 18a bilden. Das Gehäuse 16a hat eine Seitenöffnung 19a, die von einer Seitenwand 61a umgeben ist und sich in die Kammer 18a erstreckt. Das Gehäuse 16a weist außerdem ein Paar langgestreckte Flügel 57a auf, die sich in einer Richtung weg von der Kammer 18a nach außen erstrecken. Zwei Einrastverschlüsse oder Einrastansätze 59a, die jeweils eine vorstehende keilförmige Konfiguration haben, sind mit jedem Flügel 57a an einer Stelle direkt neben der Kammer 18a verbunden.
Die Flügel 57a sind etwas flexibel und können unter Fingerdruckeinwirkung geringfügig zueinander bewegt werden, haben jedoch einen ausreichenden Memory-Effekt, um schnell und wiederholt in ihre ursprüngliche normale Ausrichtung zurückzukehren, wie in den Zeichnungen gezeigt, wenn der Fingerdruck nachläßt. Vorzugsweise sind der Kassettenkörper 15a und das Kassettengehäuse 16a jeweils als anfänglich getrennte Teile aus einem Kunststoffmaterial, z. B. relativ durchsichtiges medizinisch verwendbares Polycarbonat, spritzgegossen.
Die Einrastansätze 59a der Gehäuseflügel 57a und die Öffnungen 49a des Kassettenkörpers 15a bilden einen Verbinder zum lösbaren Verkuppeln des Gehäuses 16a mit dem Körper 15a. Der Körper 15a und das Gehäuse 16a sind in 31 miteinander verkuppelt dargestellt, wobei man erkennen kann, daß jeder der Einrastansätze 59a in eine entsprechende der Öffnungen 49a aufgenommen ist, um das Gehäuse 16a mit dem Körper 15a sicher zu verkuppeln. Wenn das Gehäuse 16a derartig mit dem Körper 15a verbunden ist, steht der O-Ring 51a (31) mit der Wand 61a (30) des Gehäuses 16a in Eingriff, um die Öffnung 19a zu schließen und eine undurchlässige Fluiddichtung zwischen dem Körper 15a und dem Gehäuse 16a zu bilden.
Vorteilhafterweise fungiert die keilförmige Konfiguration der Einrastansätze 59a als Nocken, um die jeweiligen Flügel 57a nach innen und in einer Richtung zueinander zu biegen, während die Einrastansätze 59a über die Innenflächen der Schenkelabschnitte 46a gleiten, wenn das Gehäuse 16a mit dem Körper 15a verkuppelt wird. Somit kann der Anwender das Gehäuse 16a sicher mit dem Körper 15a verkuppeln, indem er auf das Gehäuse 16a nahe der Fluidkammer 18a drückt, und der Anwender muß die Flügel 57a nicht zusammenpressen. Wenn die Außenkanten der Einrastansätze 59a an den Außenseiten der Öffnungen 49a vorbeibewegt worden sind, bewirkt die Eigenelastizität der Flügel 57a, daß die Einrastansätze 59a an Ort und Stelle in die Öffnungen 49a einrasten. Das Gehäuse 16a kann jedoch bei Bedarf vom Körper 15a gelöst werden, indem die Flügel 57a gegeneinander gedrückt werden, bis die Außenkanten der Einrastansätze 59a die Öffnungen 49a freigeben, und das Gehäuse 16a dann vom Körper 15a wegbewegt wird.
31 stellt auch eine Verbindung der Kassette 12a mit der weiblichen Kupplung 202 der Meßvorrichtung 14 dar, die oben beschrieben ist. Die Einrastansätze 50a rasten in jeweilige Nuten 208 der Kupplung 202 ein, wenn die Kassette 12a zur Meßvorrichtung 14 bewegt wird. Dabei haben die Nasen 50a die gleiche Funktion und die gleiche Bedienung wie die Nasen 50 und stellen eine Einrastverbindung dar, um die Kassette 12a mit der Meßvorrichtung 14 lösbar zu verkuppeln. Wenn die Kassette 12a von der Meßvorrichtung 14 gelöst werden soll, werden die Flansche 48a durch Fingerdruck gegeneinander nach innen bewegt, bis die Einrastansätze 50a die Nuten 208 freigeben, und die Kassette 12a kann dann aus der innen liegenden Kupplung 202 entnommen werden.
Unter anderen Gesichtspunkten hat die Kassette 12a einen ähnlichen Aufbau und eine ähnliche Funktion wie die Kassette 12. Beispielsweise wird die Kassette 12a für Eichzwecke verwendet und kann bei Bedarf auch zur Überwachung von Parametern des Blutes verwendet werden. Als weiteres Beispiel sind die Innenwände der Kassette 12a, die die Kammer 18a bilden, vorzugsweise mit einer hydrophilen Oberfläche, z. B. eine Heparinbeschichtung, versehen. Die Kammer 18a weist außerdem vorzugsweise Kammerabschnitte auf, die den oben beschriebenen Abschnitten 20, 22, 24 und 25 gleichen.
Außerdem können verschiedene Anschlußstücke und Verbinder mit dem Einlaß 53a und dem Auslaß 55a zum Verbinden mit einer flexiblen Schlauchleitung verkuppelt werden. Als Alternative kann eine Kappe, z. B. die Kappe 56, mit dem Auslaßanschluß 55a verbunden werden, und eine Gasfilteranordnung, die der Filteranordnung 66 gleicht, kann mit dem Einlaß 53a verkuppelt werden. Eine solche Anordnung ermöglicht es dem Anwender, die Sensoren 28–34 auf die gleiche Weise zu eichen wie bei der Prozedur, die oben für die Kassette 12 beschrieben ist.
Das Kassettengehäuse 16a hat einen relativ kleinen Innendurchmesser und wird während der Eichung verwendet. Als Wahlmöglichkeit kann das Gehäuse 16a außerdem verwendet werden, wenn die Kassette 12a einen Teil eines Shunt-Übergangs bildet, z. B. den Shunt-Übergang 524, 524a, 524b in 25 bis 27. Ein alternatives Kassettengehäuse 16a ist in 32 und 33 dargestellt und ist verwendbar, wenn die Kassette 12a als Durchflußzelle zum Erfassen in einen arteriellen oder venösen Durchgang zu verwenden ist. Beispielsweise kann das Gehäuse 16b einen Einlaß 53b und einen Auslaß 55b haben, der geeignet ist, flexible Schläuche mit einem nominalen Innendurchmesser von 0,5 Zoll (12,5 mm) aufzunehmen.
Das Gehäuse 16b weist vier keilförmige Einrastkanten oder Einrastansätze 59b auf, die sich paarweise entlang gegenüberliegender Seiten einer ovalen Öffnung 19b befinden. Die Einrastansätze 59b haben die gleiche räumliche Beziehung zueinander wie die oben beschriebenen Einrastansätze 59a und sind geeignet, in die Öffnungen 49a des Kassettenkörpers 15a einzurasten, wenn das Gehäuse 16b mit dem Körper 15a verbunden wird. Da die Einrastansätze 59b aber nicht mit den Flügeln, z. B. den Flügeln 59a, verkuppelt sind, dienen die Einrastansätze 59b dazu, das Gehäuse 16b mit dem Körper 15a im wesentlichen dauerhaft zu verbinden, und als Konsequenz daraus kann das Gehäuse 16b nicht ohne weiteres vom Körper 15a gelöst werden, wenn beide miteinander verkuppelt sind.
Das Gehäuse 16b hat eine innere Fluidkammer 18b mit einer Seitenöffnung 19b. Eine ovale Membran 61b erstreckt sich über die Öffnung 19b und ist an einen ovalen Steg 63b angefügt. Die Membran 61b ist mit dem Steg 63b durch Ultraschallschweißen oder Verleimung bzw. Verklebung verbunden. Die Membran 61b besteht aus einem Material mit einer Serie von kleinen Perforationen, z. B. 0,005 Zoll (0,12 mm) dickes, im Kernspurverfahren geätztes Polycarbonat.
Abgesehen von der Membran 61b ist das Kassettengehäuse 16b unter Verwendung von zwei anfänglich getrennten Stücken hergestellt: einem ersten Stück 65b und einem zweiten Stück 67b, wie in 33 gezeigt. Das erste und das zweite Stück 65b, 67b sind beispielsweise unter Verwendung eines Ultraschallschweiß- oder Klebeverfahrens zusammengefügt.
34 ist eine Endschnittansicht des Gehäuses 16b, des Körpers 15a und der innen liegenden Kupplung 202 der Meßvorrichtung 14. Wie man in 34 erkennen kann, ist die Konfiguration der Fluidkammer 18b in der Nähe der Sensoren 28–34 im allgemeinen oval, insofern ein Vorteil, als ein etwas größerer Kammerquerschnitt in den Grenzen der Schenkelabschnitte 46a möglich wird. Der Querschnitt des im allgemeinen ovalen Abschnitts der Fluidkammer 18b, die in 34 gezeigt ist, ist nahezu gleich und vorzugsweise gleich dem kreisförmigen Querschnitt des Einlasses 53b und des Auslasses 55b. Außerdem stellen Wandteile, die die Fluidkammer 18b bilden, vorzugsweise einen glatten Übergang zwischen den kreisförmigen Querschnitten und dem mittleren, im allgemeinen ovalen Querschnitt dar, um eine übermäßige Störung des Blutstroms in der Kammer 18b zu vermeiden.
35 und 36 stellen eine Kappe 69b dar, die zur Verwendung mit dem Gehäuse 16b geeignet ist. Die Kappe 69b weist ein mittleres, im allgemeinen ovales Teil 71b auf, das geeignet ist, sich über die Membran 61b zu erstrecken und diese zu schützen, bevor das Gehäuse 16b mit dem Körper 15a verbunden ist. Vorzugsweise hat die Membran 71b eine Form, die in ihrer Konfiguration komplementär zur Membran 61b ist, wenn die Membran 61b am Gehäuse 16b befestigt ist. Die Kappe 69b hat außerdem eine Nut 73b, um einen O-Ring (nicht dargestellt) zum dichtenden Eingriff mit dem Gehäuse 16b zu tragen, um eine hermetische Dichtung über der Membran 61b herzustellen.
Die Kappe 69b weist ein Paar flexible Flügel 75b auf, von denen jeder ein Paar rechteckige Öffnungen 77b hat, wie in 35 gezeigt. Wenn die Kappe 69b auf das Gehäuse 16b gedrückt wird, treten die Flügel 75b mit den keilförmigen Einrastansätzen 59b in Eingriff und biegen sich in einer Richtung nach außen voneinander weg. Wenn die Einrastansätze 59b in eine Position nahe der jeweiligen Öffnungen 77b bewegt worden sind, bewirkt die Eigenelastizität der Flügel 75b, daß die Flügel 75b von selbst in ihre normale Ausrichtung zurückkehren, wie in 35 und 36 gezeigt, um die Kappe 69b mit dem Gehäuse 16b sicher zu verkuppeln. Die Kappe 60b kann bei Bedarf leicht vom Gehäuse 16b gelöst werden, indem die Flügel 75b in einer Richtung gegeneinander gedrückt werden, bis die Einrastansätze 59b die Öffnungen 77b freigeben, und die Kappe 69b dann vom Gehäuse 16b entfernt wird.
37 und 38 stellen exemplarisch zwei weitere Gehäuse zur Verwendung mit dem Körper 15a dar. In 37 beispielsweise weist ein Gehäuse 16c ein erstes Stück 65c und ein zweites Stück 67c auf, die zusammen mit dem Kassettenkörper 15a eine Fluidkammer 18c darstellen. Die Fluidkammer 18c hat einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt entlang ihrer gesamten Länge. Da die Kammer 18c einen kleineren Querschnitt hat als beispielsweise der Querschnitt der Kammer 18b, die in 34 gezeigt ist, ist ein ovaler Mittelabschnitt der Kammer 18c nicht notwendig. Unter anderen Gesichtspunkten gleicht das Gehäuse 16c dem Gehäuse 16b. Beispielsweise hat das Gehäuse 16c eine Membran, die der Membran 61b gleicht.
Als Beispiel für eine Verwendung der Kassette 12a ist der Körper 15a vorzugsweise mit dem Gehäuse 16a verkuppelt und wird dann in diesem verkuppelten Zustand an den Anwender versandt. Außerdem ist eine Gasfilteranordnung, z. B. die Anordnung 66 (siehe z. B. 5), mit der Kassette 12a zusammen mit einem Anschlußstück und einer Kappe, z. B. dem Anschlußstück 56 und der Kappe 78 (siehe z. B. 6), verbunden. Der Anwender verbindet dann die Gasfilteranordnung mit einer Eichgasquelle und löst die Kappe. Das Eichgas wird dann auf die oben in bezug auf die Eichung der Kassette 12 beschriebene Weise durch die Fluidkammer 18a geleitet.
Wenn die Eichung beendet ist, wird das Gehäuse 16a durch Gegeneinanderdrücken der Flügel 57a vom Körper 15a abgenommen. Während dieser Zeit verbleibt der Körper 15a vorzugsweise mit der Kupplung 202 der Meßvorrichtung 14 verbunden. Als nächstes wird die Kappe 69b von dem gewählten Gehäuse 16b oder 16c abgenommen. Wenn beispielsweise die Kassette 12a in einem arteriellen oder venösen Durchgang mit Längen von Schlauchleitungen mit einem nominalen Innendurchmesser von 0,5 Zoll (12,5 mm) verwendet werden soll, wird das Gehäuse 16b mit dem Körper 15a auf die in 34 gezeigte Weise verbunden. Wenn der Ablauf beendet ist, wird der Körper 15a mit dem Gehäuse 16b von aus Kupplung 202 entnommen und beseitigt. Wenn dagegen die Kassette 12a zur Verwendung in einem kleineren Durchgang bestimmt ist, wird das Gehäuse 16c auf die in 37 dargestellte Weise mit dem Körper 15a verkuppelt.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Membran 61b dem Anwender, das Gehäuse 16b mit einem arteriellen oder venösen Durchgang zu verbinden, bevor der Körper 15a mit dem Gehäuse 16b verkuppelt wird. Infolge dessen kann das Gehäuse 16b verwendet werden, um das Fluid ohne Unterbrechung des Blutstroms entlang des arteriellen oder venösen Weges fließen zu lassen, um die Überwachung zu beginnen.
Die Kassettenanordnung, die in 38 gezeigt ist, weist den Körper 15a auf, wie oben beschrieben, aber in diesem Fall ist der Körper 15a mit einem Gehäuse 16d verkuppelt, das vorteilhafterweise eine einzelne Einheitskomponente ist, mit der Ausnahme, daß die Membran der Membran 61b gleicht. Der Querschnitt einer Fluidkammer 18d der Kassette 12a, die in 38 gezeigt ist, ist im wesentlichen der gleiche wie der Querschnitt der Fluidkammer 18a, die in 31 gezeigt ist, und daher ist die Kassette 12a, wie sie mit dem Gehäuse 16d in 38 gezeigt ist, bequem zur Verwendung mit einem Shunt-Übergang geeignet, z. B. mit dem Durchgang 524 in 25 bis 27. Das Gehäuse 16d ist in den Fällen geeignet, wo beispielsweise der Hersteller eine einzelne Einheit zu versenden wünscht, die sowohl zur Eichung als auch zur Blutüberwachung verwendet wird und keine Flügel (z. B. Flügel 57a in 31) hat, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß sich bei Verwendung der Körper 15a vom Gehäuse 16d löst. In anderer Hinsicht gleicht das Gehäuse 16d den Gehäusen 16b, 16c und hat u. a. Einrastansätze, die den Einrastansätzen 59b zum Verkuppeln des Gehäuses 16d mit dem Körper 15a gleichen. Außerdem kann die Versandkappe 69b bei Bedarf mit den Gehäusen 16c, 16d verwendet werden.

Claims

Kassette (12) zur tonometrischen Eichung aufweisend: ein Gehäuse (16) mit einer Fluidkammer (18) mit einer Längsachse, die sich in aufrechter Richtung erstreckt, wobei die Kammer (18) einen unteren Abschnitt (20) mit einem Gaseinlaßanschluß, einen oberen Abschnitt (22) mit einem Gasauslaßanschluß und einen Mittelabschnitt (24) aufweist, der sich zwischen dem unteren Abschnitt (20) und dem oberen Abschnitt (22) befindet; und mindestens einen Sensor (28, 30, 32, 34), der mit dem Gehäuse (16) nahe dem Mittelabschnitt (24) der Kammer (18) verbunden ist, zum Erfassen des Partialgasdrucks von Gas in der Kammer (18), wobei die Kammer (18) einen Expansionsbereich (25) aufweist, der sich zwischen dem Mittelabschnitt (24) und dem oberen Abschnitt (22) befindet, wobei der Expansionsbereich (25) einen Bereich hat, der größer ist als der Bereich des Mittelabschnitts (24) in Bezugsebenen senkrecht zu der Längsachse, zur Förderung der Aufspaltung von Gasblasen aufweist, die durch das Fluid hindurchtreten.
Kassette (12) nach Anspruch 1, wobei der Mittelabschnitt (24) eine hydrophile Oberfläche hat.
Kassette (12) nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Anschlußstück (56), das mit dem Gasauslaßanschluß verkuppelt ist, wobei das Anschlußstück (56) nichtlösbar mit dem Gehäuse (16) verbunden ist, wobei das Anschlußstück (56) zwischen einer ersten Position zum Schließen des Gasauslaßanschlusses und einer zweiten Position zum Entlüften des Gasauslaßanschlusses beweglich ist.
Kassette (12) nach Anspruch 2, wobei die hydrophile Oberfläche eine Beschichtung aufweist.
Kassette (12) nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung Heparin aufweist.
Kassette (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Filter (66), das mit dem Gehäuse (16) verbunden ist, zum Filtern von Gas, das durch den Gaseinlaßanschluß strömt.
Kassette (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der untere Abschnitt (20) auch eine hydrophile Oberfläche aufweist.
Kassette (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der obere Abschnitt (22) auch eine hydrophile Oberfläche aufweist.
Kassette (12) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Anschlußstück (56), das nichtlösbar mit dem Gehäuse (16) verkuppelt ist, wobei das Anschlußstück (56) zwischen einer ersten Position zum Schließen des Gasauslaßanschlusses und einer zweiten Position zum Entlüften des Gasauslaßanschlusses beweglich ist.
Kassette (12) nach Anspruch 9, mit einer langgestreckten Verteilerröhre (72), die mit dem Gaseinlaßanschluß verbunden ist.
Kassette (12) nach Anspruch 10, wobei die Verteilerröhre (72) Polyetheresterketon aufweist.
Kassette (12) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine langgestreckte Verteilerröhre (72), die mit dem Gaseinlaßanschluß verbunden ist, zum Einlassen von Gas in die Kammer (18), wobei sich die Verteilerröhre (72) in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse der Kammer (18) erstreckt.
Kassette (12) nach Anspruch 12, wobei die Verteilerröhre (72) eine Längsachse hat, die auf einer Linie mit der Längsachse der Kammer (18) liegt.
Kassette (12) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Kammer (18) eine hydrophile Oberfläche aufweist.
Kassette (12) nach Anspruch 14, wobei sich die hydrophile Oberfläche entlang des unteren Abschnitts (20) und des Mittelabschnitts (24) der Kammer (18) erstreckt.
Kassette (12) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, mit einem Anschlußstück (56), das nichtlösbar mit dem Gehäuse (16) verkuppelt ist, wobei das Anschlußstück (56) zwischen einer ersten Position zum Schließen des Gasauslaßanschlusses und einer zweiten Position zum Entlüften des Gasauslaßanschlusses beweglich ist.