DE2023584A1

DE2023584A1 - Perkutaner Kohlendioxyd-Fühler

Info

Publication number: DE2023584A1
Application number: DE19702023584
Authority: DE
Inventors: Richard J.; Shepard Richard H.; Baltimore; Lindsay Wardell J. Columbia; Johns Md. (V.St.A.)
Original assignee: The Johns Hopkins University, Baltimore, Md., (V.St.A.)
Priority date: 1969-05-20
Filing date: 1970-05-14
Publication date: 1970-11-26
Also published as: US3659586A; GB1283158A; FR2048512A5; CH534503A; JPS56741B1; DE2023584B2

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DRYING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL-CHEM-CAROLAKEUER DR.-ING. KLDPSCH

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS 2023584

12. Mai 1970 Sch-DB/ls

THE JOHNS HOPKINS UNIVERSITY
Maryland, U.S.A.

Perkuianer Kohlendioxyd-Fühler

Die Erfindung betrifft im wesentlichen eine medizinische Diagnosevorrichtung, insbesondere einen auf der Haut befestigbaren elektro-chemisehen Kohlendioxyd-Fühler.

Die Messung der ordnungsgemäßen Pulmonal-Ventilatlon 1st zur überwachung vieler ernster Krankheiten wichtig. Solche Messungen zeigen an, ob eine den Bedürfnissen eines Patienten genügende Alveolar-Leistung vorhanden ist. Bisher erfolgte die Kontrolle dieses Faktors im Blut durch Messung des vorhandenen Kohlendioxyddruckes (PCOp). Der arterielle Kohlendioxyddruck reflektiert im

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wesentlichen den alveolären Kohlendioxyddruck, der dem Verhältnis der Kohlendioxyderzeugung des Patienten zu seiner effektiven alveolären Ventilation entspricht und sich normalerweise in engen Grenzen hält» Wenn die Kohlendioxydanreicherung durch Fieber oder Anstrengung steigt, nimmt die Ventilation'so zu_s daß der arterielle Kohlendioxyddruck normal bleibt ο Andererseits erhöht sich der arterielle Kohlendioxyddruck, wenn die Ventilation im Hinblick auf eine gegebene Kohlendioxyderzeugung unzureichend wird. Die Apparatur zur arteriellen Blutströmungsmessung gestaltet das Verfahren schwierig, zumal es mit häufigen Unterbrechungen über lange Zeitabschnitte" durchzuführen ist.

Es ist bekannt, daß der Kohlendioxyddruck im Gewebe etwa 5 mm Hg über dem arteriellen Kohlendioxyddruck liegt und ihm völlig entspricht, solange der Gewebeblutstrom ausreicht. Ein genügender Blutstrom schafft keine praktischen Probleme bei der Überwachung des ernsthaft erkrankten Patienten, weil verminderter Blutstrom (der ebenfalls kontrolliert werden muß) ein Ansteigen des Gewebe-Kohlendioxyddruckes zur Folge hat - genau wie dies bei verringerter Ventilation der Fall ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Messung des Gewebe-Kohlendioxyddruckes sowie eine Möglichkeit zur überwachung der ausreichenden Ventilation eines Lebewesens zu schaffen» Hierzu wird ein Kohlendloxyd-Fühler vorgeschlagen, der bequem und über lange Zeiträume direkt auf der Haut eines Patienten befestigbar ist, ohne daß diesem hieraus Unannehmlichkeiten erwachsen. Die Erfindung umfaßt ferner ein Probengefäß, das das entwickelte Kohlendioxyd unmittelbar aufnehmen kann und es als FlUsslgkeltslösung einer pH-Wert Meßelektrode aussetzt.

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Eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Bei- Spieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht der an einem Arm befestigten erfindungsgemäßen perkutanen Kohlendioxyd-Meßanordnuhg,

Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung des Fühlerkopfes der Meßanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine elektrische Schaltskizze des FUhlerkopfes und Meßelementes, '.,..-

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt der perkutanen Kohlendioxyd-Meßanordnung nach Fig. 1.

Beim praktischen Einsatz der Fühleranordnung gemäß der Erfindung muß als entscheidender physikalischer Faktor die ausreichende Atmung gemessen werden. Mit einer von der Menge der vom Patienten ein- oder ausgeatmeten Luft, seiner Brustbewegung oder der Menge des in seinem Körper enthaltenen Sauerstoffes völlig unabhängigen Messung wird festgestellt, ob eine genügende Ventilation vorhanden 1st. Dies ergibt sich am besten aus der Kohlendioxydmenge in den Lungenalveolen. Die Kohlendioxykonzentration in den Lungenalveolen entspricht derjenigen im arteriellen Blut.

Aus diesem Grunde stellt man bisher die Ventilation durch Messung des Kohlendioxydgehaltes in dem arteriellen Blut fest. Dies bedingt eine Arterienpunktion und besondere Apparate zur Messung des Kohlendioxydgehaltes. Obwohl die Methode annehmbar und genau ist, ist sie für die laufende überwachung des Kohlendioxydes wegen der zahlreichen Arterienpunktionen nicht geeignet.

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Deshalb benötigt man eine Vorrichtung, die - wie die erfindungsgemäße Fühleranordnung - den Kohlendioxydgehalt kontinuierlich mißt. Die Messung erfolgt sofort derart, daß,wenn ein Gleichgewicht mit dem Gewebe-Kohlendioxyd eintritt, dieses genau eingehalten wird. Ausgehend vom Kohlend!oxydgehalt der Raumluft, der bei etwa 0 mm Hg liegt, ergibt sich eine zeitliche Verzögerung von etwa acht Minuten bis zum Kohlend!oxydgehalt des Gewebes mit etwa 45 mm Hg.

Es handelt sich nicht um eine Vorrichtung zur Feststellung, ob eine Person atmet oder nicht. Hierzu gibt es einfachere Methoden. Die Vorrichtung soll also nicht dazu dienen, anzugeben, ob jemand aufgehört hat zu atmen. Sie soll vielmehr anzeigen, ob die Atmung eines Patienten mehr oder weniger zufriedenstellend ist. Dies läßt sich nicht ohne weiteres erzielen.

Es gibt bereits Anordnungen zur Überwachung der Ventilation. Hierbei wird zum Beispiel die Kohlendioxydraenge gemessen, die bei jedem Atemzug zuletzt die Lunge verläßt. Dieses Vorgehen ist als "End Title Sampling Method" bekannt. Dem Verfahren haften zahlreiche Nachteile an, die sich im wesentlichen daraus ergeben, daß nur angenommen werden kann, daß der Kohlendioxyddruck des zuletzt ausgeatmeten Gases für den alveolären Gasdruck representatiν ist. In vielen Fällen, bei denen eine Überwachung erforderlich ist, trifft diese Annahme nicht zu und der entstehende Fehler verführt zu einer Unterschätzung des Ernstes der zu überwachenden Situation.

Die Anordnung ist unbequem, weil der Patient eine Art Maske tragen muß und ist im übrigen durch das Auftreten gewisser Fehler unzuverlässig. Die vorhandene Fühleran ordnung mißt also den Druck des Gewebe-Kohlendioxyds und

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nicht den Druck des arteriellen Kohlendioxyds. Der Druck des Gewebe-Kohlendioxyds ist mit einer wesentlichen Ausnahme ein genaues Abbild des Druckes des arteriellen Kohlendioxyds, wobei die Ausnahme sich zeigt, wenn die Blutzufuhr zum Gewebe unzureichend ist. In diesem Falle steigt der Druck des Gewebe-Kohlendioxyds ungewöhnlich hoch. Aus folgenden Gründen kann dies nicht als Nachteil des Systems angesehen werden: erstens bewirkt das durch dieses Vorkommnis hervorgerufene Signal eine Alarmauslösung, d.h. bei mangelhafter Ventilation ist ein Anstieg des Kohlendioxyddruckes zu verzeichnen und zweitens benötigt man einen Fühler, der die unzureichende Zirkulation zu den Geweben, feststellt, d.h. wenn während der überwachung entweder ein Versagen der Atmung oder der Zirkulation auftritt, müssen diese Gegebenheiten besonders beachtet werden.

Die Fühleranordnung ist zur Ermittlung des Kohlendioxyddruckes in Geweben bestimmt. Sie ist nicht nur im Zusammenhang mit der Haut einsetzbar, sondern dient auch zur Ermittlung des Kohlendioxydgehaltes durch muskulöse Membranen, z.B. die Zunge. Die Vorrichtung erfordert weder einen thermostatischen noch einen Wärme- Ausgleich, weil. sie in gutem Wärmekontakt mit der Haut steht, die keinen übermäßigen Temperaturschwankungen unterliegt.

Sicherheitshalber kann man die absolute Genauigkeit der Fühleranordnung durch die Hinzufügung eines thermostatischen Ausgleichs verbessern - durch geringfügige Temperaturänderungen auftretende Fehler führen jedoch nicht zu Unrichtigkeiten des Systems.

Es handelt sich um eine Überwachungsvorrichtung, die nicht primär zur präzisen Messung von Kohlendioxyd-

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Partialdrücken dienen soll. Die Anordnung läßt sich der Messung des Sauerstoffgehaltes leicht anpassen, indem eine polarograph!sehe Clark-Elektrode zur Messung des Sauerstoffes verwendet wird* was zweckmäßiger ist als der Einsatz einer Severinghaus-Elektrode zur Messung des Kohlendioxydes.

Dabei tritt ein Problem auf, das in der Berücksichtigung der Messung des Sauerstoffgehaltes des Gewebes liegt. Anders als der Kohlendioxydgehalt kann der Sauerstoffgehalt aufgrund der Veränderungen des Sauerstoffbedarfes des Gewebes in weiten Grenzen variieren. Außerdem ist Sauerstoff viel weniger diffusionsfähig als Kohlendioxid, so daß man bei der Messung des Gewebe-Sauerstoffes größere Verzögerungen in Kauf nehmen muß als bei der Messung des Gewebe-Kohlendioxyds.

Wie aus den Zeichnungen hervorgeht^ 1st innerhalb des Fühlerkopfes des Fühlers 10 eine Glaselektrode vorgesehen, die zur Messung des pH-Wertes dient. Dieser Fühler 10 besteht aus dner Halbkugel 38 aus pH-empfindlichem Glas, die eine silberchloridbeschiehtete Silberdrahtelektrode 40 und ein Elektrolyt E enthält. Kitt 42 dichtet das Elektrolyt E ab und zentriert die Drahtelektrode 4o. Die Basis der Halbkugel 38 wird von einem Ring 46 umfaßt, der am Ende einer neutralen Elektrode aus silberchloridbeschichtetem Silberdraht ausgebildet 1st.

Die Halbkugel 38 und der Ring 46 sind an einem zylindrischen Träger 32 befestigt, wobei die Anschlüsse der beiden Elektroden 4o und 44 in eine hintere Kammer 48 ragen. Die Halbkugel 38 erstreckt sich von einem durchmesserverringerten Teil 34 des Trägers 32 nach vorne. Der Träger 32 wird von einer Metallkappe 52 fest ver-

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schlossen. Durch eine Öffnung 54 und einen Schlitz 50 ist ein Kabel 56 aus der hinteren Kammer 48 herausgeführt, das über Leiter 58 und 60 die Verbindung zwischen den Elektroden 40, 44 und einem an sich bekannten pH-Wert-Anzeigegerät 70 herstellt.

Auf den durchmesserverringerten Teil 34 des Trägers 32 ist ein Ende eines anderen Zylinders 24 mit dem Träger entsprechenden Abmessungen reibungsschlüssig aufgesetzt, während am anderen Ende eine innere Ausnehmung zur Bildung eines kleinen die Halbkugel 38 umgebenden Hohlraumes 26 vorgesehen ist. Das vordere Ende dieses Hohlraumes ist offen und der Zylinder 24 ist an diesem Ende außen durchmesserverringert und als abgerundeter, nach außen gerichteter Flansch 28 ausgebildet. Der Hohlraum 26 wird"am vorderen Ende von einer dünnen Membran 64 aus gas- jedoch nicht flüssigkeitsdurchlässigem Material z.B. Teflon oder Silastic, abgeschlossen, wobei die Membran dicht an die Halbkugel 38 anliegt und an der dem Hohlraum zugekehrten Fläche mit einer dünnen Scheibe 62 aus saugfähigem Material, z.B. aus Nylongitter oder Cellophan, belegt ist. Ein Gummiband oder O-Ring 66 hält die Kanten der Membran 64 über den Flansch 28 und die halbkugelförmige Glaselektrode 38 gespannt.

Der Hohlraum 26 wird sodann mit einer Salz- oder Pufferlösung B gefüllt. Anschließend werden der Zylinder 32 mit der Glaselektrode 38 und die neutrale Elektrode 44, 46 in den flUssigkeitgefüllten Hohlraum 26 eingesetzt. In der oberen Wand des Zylinders 24 befindet sich eine kleine Bohrung 30 und der andere Zylinder 32 ist an entsprechender Stelle mit einer Aussparung' 36 versehen, wodurch ein Kanal entsteht, der den Außenraum mit dem Hohlraum 26 verbindet. Durch diesen Kanal tritt die während desELn-r setzens des Zylinders 32 in den Zylinder 24 verdrängte Flüssigkeit aus. Nach dem Einsetzen werden die Zylinder,

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24 und 32 relativ zueinander so gedreht, daß die Bohrung 30 sich nicht mit der Aussparung 36 deckt. Hierdurch
wird der Hohlraum 26 gegen den Außenraum verschlossen.

Nachdem die Haut des Patienten durch Entfetten mittels
Äther oder Aceton kohlendioxyddurchlässig gemacht worden ist, wird die Zunder-Halbleiterschicht mit Hilfe eines
Klebstreifens mechanisch entfernt.

Ein Bügel oder Halter 12 weist eine gelochte Bleiplatte L und einen elastischen Gurt 14 auf. Eine mit Außengewinde versehene Metallhülse 18, die den Zylinder·24 passend
umgibt, wird'in die öffnung. l6 eingesetzt und durch
Kiemmuttern 2Oi 22 gesichert. Die verformbare Bleiplatte L wird der Kontur des jeweiligen Körperteiles angepaßt
und an diesem mit dem Gurt 14 befestigt. Wenn der Fühlerkopf des Fühlers 10 sich über der vorbereiteten Hautzone befindet, formt er einen Ringraum, dessen Boden die Haut ist, und in den Wasser oder eine Salzlösung C eingeführt wird. Anschließend setzt man den Fühlerkopf des Fühlers in die Hülse l8 in der Bleiplatte L ein.

Durch geeignete Auswahl des leichten Uberstandes der Glaselektrode 38 über die Hülse 18 kann die Membran 64 etwas gegen die Hautoberfläche S gedrückt werden. Starker Druck ist zu vermeiden, weil er zu einer Deformierung oder gar Zerstörung der Glashalbkugel 38 führen kann. Ein Abstand zieht ein verlangsamtes Ansprechen auf Kohlendioxydveränderungen nach sich.

Das Gas im Gewebe des zu untersuchenden Körperteiles
kann frei durch die Haut, den dünnen Wasser- oder Salzlösungsfilm C, die Membran 64 und die Pufferflüssigkeit B in den Hohlraum 26 diffundieren, wo es auf die erwähnte
pH-Wert-Meßzelle einwirkt, deren Funktion auf dem pH-Wert-

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Anzeigegerät 70 ablesbar ist. Da Kohlendioxid als einziges der im Gewebe vorhandenen Gase den pH-Wert beeinflußt, mißt und überwacht diese Vorrichtung den Kohlendioxydgehalt des Gewebes perkutan. Aufgrund der Tatsache, daß pH-Wert-Fühlerköpfe dieser Art sehr temperaturempfindlich sind, dient die Bleiplatte L nicht nur zur Weiterleitung der Körpertemperatur des zu untersuchenden Körperteiles, sondern wirkt außerdem als Wärmefilter, das schnelle Schwankungen verhindert, die infolge von Luftströmungen oder aus anderen Ursachen auftreten können.

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Claims

The Johns Hopkins University Ansprüche

1. Vorrichtung zur Feststellung und Überwachung der pulmonalen Leistung, insbesondere der alveolären Ventilation, von Lebewesen, g e ken η zeichnet durch eine in einem Fühlerkopf (10) untergebrachte elektrolytgefüllte Glaselektrode (38), in die eine Metallelektrode (40) hineinragt, während die neutrale Metallelektrode (44) sie als Ring umgibt, wobei beide Elektroden (40, 44) über eine Leitung (56) an ein pH-Wert-Anzeigegerät C?0) angeschlossen sind, und durch eine den unteren Teil der Glaselektrode (38) umgebende Kammer (26), die an ihrer der Hautoberfläche des zu untersuchen-" den Lebewesens zugewandten Seite von einer den vorzugsweise abgerundeten Boden der Glaselektrode umspannenden Membran (64) aus gasdurchlässigem^ flüssigkeitsdichtem Material abgeschlossen und mit einer Salz- oder Pufferlösung (B) gefüllt iet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daB die Membran (64) an der dem Hohlraum (26) zugekehrten Fläche mit einer dünnen Scheibe (62) aus saugfähigem Material belegt 1st. "

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Glaselektrode

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(38) fingerartig gestaltet und in einen Trägerkörper (32) passend eingesetzt ist, der seinerseits mit einem durohmesserverringerten Abschnitt (34) reibungsschlüssig in einem Hülsenteil (24) steckt, dessen Innenfläche sich zur Bildung des Hohlraumes (26) im Abstand zur Glaselektrode (38) befindet, und daß der Hülsenteil (24) an seinem freien Ende einen nach außen gerichteten Flansch (28) aufweist, der gemeinsam mit einem O-Ring (66) oder dgl. als Befestigungsmittel für die Membran (64) dient.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß im Trägerkörper (32) und im Hülsenteil (24) Aussparungen (30, 36) vorgesehen sind, die als Überströmöffnung für die Salz- oder Pufferlösung (B) beim Einsetzen der Glaselektrode dienen und durch Drehung der beiden Teile (24, 32) relativ zueinander verschließbar sind.

5· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß Trägerkörper (32) und Hülsenteil (24) passend von einer Kapsel (18), vorzugsweise aus Metall, umgeben sind, die an ihrem offenen Ende durch Verschraubung oder dgl. mit einer verformbaren Bleiplatte (L) verbunden ist, an die mindestens ein Gurt (14) zur Befestigung der Anordnung an irgendeinem Körperteil angreift.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Flansch (28), Membran (64) und Kapselinnenfläche ein freier nach unten offener Ringraum vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, -dadurch

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gekennzeichnet,, daß die Glaselektrode (38) etwas über den unteren Absehlußrand der Kapsel (18) vorsteht.

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