DE2835730B2

DE2835730B2 - Polarographische Meßelektrodenvorrichtung

Info

Publication number: DE2835730B2
Application number: DE2835730A
Authority: DE
Inventors: Bunji Suita Osaka Hagihara
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-08-24
Filing date: 1978-08-16
Publication date: 1981-06-04
Also published as: DE2835730C3; US4311151A; SE7808852L; IT1160612B; GB2003275B; IT7868958A0; DE2835730A1; GB2003275A; SE438912B; FR2400879A1; FR2400879B1

Description

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hautkontaktplatte (18) der Plattenanordnung (171, 18) einen äußeren, sich gegenüber der Ringfläche der Anode befindlichen Abschnitt der Membran nach außen hin abdeckt und die Membran (4) im Bereich um die Durchgangsbohrung (181) derart zusammenpreßt, daß die Membran unter eine vorbestimmte Spannung gesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Hautkontaktplatte (18) der Plattenanordnung (171, 18) ausreichend größer als die der Elektrodenmembran (4) gegenüberliegende ringförmige Arbeitsfläche der Anode (2) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hautkontaktplatte (18) der Plattenanordnung (171, 18) /nit einer Oberfläche des Metallblockes (17) in Verbindung steht, auf dem die elektrische Heizeinrichtung (15) befestigt ist, wobei der Metallblock (17) eine starre Bodenplatte (171) aufweist, auf der der Membranteil

(102) und der Elektrodenteil (101) angeordnet sind, wobei die Bodenplatte (171) eine Dicke besitzt, die größer ist als diejenige der Hautkontaktplatte (18) und eine Durchgangsbohrung (172) aufweist, die größer ist als die Durchgsngsbohrung (181) der Kduptkontaktplatte (18).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) eine größere ringförmige Oberfläche und die Kathode (1) eine kleinere ringförmige Oberfläche aufweisen und daß die Arbeitsflächen der Anode (2) und der Kathode (1) koaxial zueinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Anzahl von punktförmigen Arbeitsflächen aufweist, welche gleichmäßig auf einem Ring angeordnet sind, welcher koaxial zur Arbeitsfläche der Anode (2) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) eine Anzahl von punktförmigen Arbeitsflächen aufweit, welche gleichmäßig in einem Kreis angeordnet sind, welcher koaxial zur Arbeitsfläche der Anode (2) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche der Kathode (1) über eine Ebene hervorragt, in welcher der Ranciabschnitt der Membran (4) liegt, so daß die Membran (4) im zusammengesetzten Zustand der Vorrichtung · unter eine vorbestimmte Spannung gesetzt ist.

Die Erfindung betrifft eine polarographische Meßelektrodenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Messung des Sauerstoffpartialdruckes im Blut, insbesondere in arteriellem Blut, ist eine wichtige Maßnahme der Atmungskontrolle eines neugeborenen Säuglings oder eines Patienten, der intensiv betreut bzw. behandelt wird.

Bisher wurde allgemein zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Blut, insbesondere des Sauerstoffpartialdruckes Po₂ im Blut, direkt der Sauerstoff des aus einer Arterie entnommenen Blutes gemessen. Ein solches Vorgehen eignet sich jedoch nicht für kontinuierliche Messungen und hat darüber hinaus den Nachteil, daß es für den Patienten schmerzhaft ist. Insbesondere bei einem neugeborenen Säugling ist eine Atmungskontrolle erforderlich, um eine geistige Behinderung als Folge einer zu niedrigen Sauerstoffkonzentration oder eine Schädigung der Netzhaut als Folge einer zu hohen Sauerstoffkonzentration zu verhindern. Bei einem solchen neugeborenen Säugling muP die Sauerstoffkonzentration in der den Säugling umgebenden Atmosphäre mittels des gemessenen Wertes des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut sorgfältig kontrolliert werden, und zu diesem Zweck ist eine kontinuierliche oder Realzeit-Messung des Sauerstoffpartialdruckes erforderlich. Zu diesem Zweck kann daran gedacht werden, eine Sauerstoffelektrode für die kontinuierliche Messung in der \rterie zu belassen, was jedoch ein hohes Geschick erfordert und große Gefahren mit sich bringt. Deshalb wird diese Messung nicht in großem Umfange angewendet.

Die transkutane Sauerstoffmessung, die sich von der direkten Messung unterscheidet, bereitet dem Patienten

keine Schmerzen und eignet sich für kontinuierliche Langzeitmessungen, da sie den Sauerstoff an der Hautoberfläche einfängt und den Sauerstoff mißt, der aus dem Blut durch die Haut hindurch diffundiert Bei der transkutanen Messung wird eine sogenannte -Clark-Elektrode verwendet, die für eine Arterienblutbildung oder Arterialisierung eine Heizsinrichtung zum Erwärmen der Haut des Patienten auf eine konstante Temperatur aufweist Wenn diese Elektrode an der Haut des Patienten befestigt ist, erreicht der aus d»m κι mit Arterie^blut angereicherten Subkutan-Gewebe ausdiffundierende Sauerstoff durch eine Elektrodenmembran, die zwischen der Haut und der. Elektroden angeordnet ist, die Oberfläche einer Edelmetallkathode. Dann reagiert der Sauerstoff mit der Kathode und wird ι ·-> zu Wasser reduziert Durch Messung des durch die Elektrodenreduktion erzeugten elektrolytischen Stromes kann der Sauerstoffpartialdruck Po₂ erhalten werden. Bei einer solchen Messung wird durch Erhitzen des Teils der Haut der mit der Elektrode in Kontakt _·η kommt, auf eine geeignete Temperatur das Unterhautgewebe lokal in Arterienblut verwandelt wodurch der zu messende Sauerstoffpartiaidruck praktisch demjenigen des Arterienblutes gleich gemacht wird.

Unter Arterienblutbildung oder Arterialisierung ist _>-, folgendes zu verstehen: Arterien, Arteriolen, Blutkapillaren Venolen und Venen sind in dieser Reihenfolge mit einem subkutanen oder Unterhautgewebe miteinander verbunden, wobei die Blutkapillaren nahe der Oberfläche der Haut liegen. Das Blut strömt durch diese von j₍₎ den Arterien zu den Venen, und arterielles Blut ändert sich dabei in venöses Blut

Wenn nun die Haut erwärmt wird, erfahren die Arteriolen und Blutkapillaren eine Ausweitung ihres Durchmessers, so daß mehr arterielles Blut durch die j-, Blutkapillaren fließen kann. Durch eine derartige Steigerung des arteriellen Blutes strömt damit mehr arterielles Blut in die Venolen und Venen, ohne sich in venöses Blut zu ändern, ohne wesentlichen Verbrauch von Sauerstoff im Blut. Bei Erwärmung werden somit die Blutkapillaren mit arteriellem Blut gefüllt. Dies bedeutet daß das subkutane Gewebe in diesem Bereich mehr arterielles Blut enthält, was als Arterialisierung des subkutanen Gewebes bezeichnet wird.

Wenn so die Haut arterialisiert ist, fließt das arterielle Blut nahe zur Hautoberfläche, und daher diffundiert viel Sauerstoffgas aus dem arteriellen Blut im Hautgewebe aus der Blutoberfläche. Durch Messen des diffundierten Sauerstoffgases kann somit der Sauerstoffgehalt im arteriellen Blut gemessen werden.

Ein bekanntes Meßgerät der eingangs genannten Art (vgl. »Biomedizinische Technik«, Band 19/1974, Nr. 3, S. 37—91) weist einen Elektrodenhalter auf, in dem eine ringförmig ausgebildete Anode sowie innerhalb des Ringraums dieser Anode eine Kathode gehalten wird. Gegenüber den freien Stirnseiten von Anode und Kathode, den sogenannten Arbeitsflächen des Meßgeräts, ist in einem Abstand zur Anode und Kathode eine Membran angeordnet, welche die Anode und Kathode nach außen abdeckt und aus der Abdeckebene nach rückwärts hinter einen Vorsprung des Elektrodenhalters gezogen ist In diesem Bereich wird auch die Membran über einen mit dem Elektrodenhaltervorsprung zusammenwirkenden Einspannring befestigt. In dem Hohlraum zwischen der Membran und dem Elektrodenhalter ist ein geeigneter Elektrolyt vorgesehen. An dem der Membran entgegengesetzten Ende der Anode ist eine Heizeinrichtung angeordnet, mittels welcher die Erhitzung der zu untersuchenden Hautstelle erfolgu Dabei geht der Wärmefluß von der Heizeinrichtung direkt über die Anode, den Elektrolyten und die Membran auf die zu untersuchende Hautstelle.

Dieses bekannte Meßgerät ist mit mehreren Nachteilen behaftet. Die im bekannten Meßgerät vorgenommene Einspannung der Membran durch Umlenken der Membran um den Elektrodenvorsprung und Fixieren über den Einspannring führt zu einem Faltenwurf der Membran und damit zwangsläufig zu Stromveränderungen, welche die Meßergebnisse verfälschen. Der Faltenwurf beruht darauf, daß es beim Umlenken der sich in einem Dickenbereich von lediglich einigen μπι bewegenden Membran und dem Spannen dieser dünnen Membran zu einem lokalen Verziehen der Membranhaut kommt Als Folge dieses Einspannvorgangs kann auch der Abstand zwischen der Membran und den Arbeitsflächen von Anode und Kathode nicht genau und also auch nicht reproduzierbar eingehalten werden, so daß bei diesem Hochpräzisionsmeßgerät mit teils erheblichen Meßverfälschungen zu rechnen ist, jedenfalls Eichungen vor Inbetriebnahme stets erforderlich sind. Ein weiterer mit dem Einspannvorgang zusammenhängender Nachteil liegt darin, daß es nicht möglich ist, über dem die Arbeitsflächen von Anode und Kathode abdeckenden Bereich der Membran eine gleichmäßige Spannung aufrechtzuerhalten, welche erst ein zuverlässiges Meßergebnis gewährleistet Fällt in dem bekannten Meßgerät die Heizeinrichtung aus, so ist eine Instandsetzung nur unier Beschädigung des Meßgeräts möglich. Ein anderer wesentlicher Nachteil ist in der Beheizung der zu untersuchenden Hautstelle über die Anode zu sehen, da hiermit nur ein relativ kleiner Bereich der Haut erwärmbar ist Eine definierte Einstellung der Hauttemperatur ist bei einem solch kleinen und ^;m wesentlichen durch die Arbeitsfläche der Anode begrenzten Hautfleck außerordentlich schwierig zu bewerkstelligen. Infolge der Wärmeübertragung über die Anode wird zudem eine Aufheizung des Meßgerätes bewirkt so daß Temperaturregelungen nur schwer möglich sind. Dies führt insgesamt zu großen Ungenauigkeiten beim Meßvorgang selbst, so daß die mit dem bekannten Meßgerät gewonnenen Werte nicht sonderlich zuverlässig sind.

Bei einem anderen bekannten polarographischen Meßgerät (vgl. US-PS 39 98 212) für die transkutane Messung von Blut erfolgt die Beheizung der zu untersuchenden Hautstelle gleichfalls über die Anode, wobei Zwangläufig die Kathode mit aufgeheizt wird. Es kommt also zu den gleichen Meßungenauigkeiten, die bereits oben erläutert worden sind. Die Membran bei diesem bekannten Meßgerät bedeckt lediglich die Kathode, nicht jedoch die Anode. Bei einem solchen Aufbau ist jedoch die Leitfähigkeit zwischen Anode und Kathode außerordentlich unstabil, so daß eine exakte Messung nicht möglich ist. Auch ein bereits vorgeschlagener Meßwertaufnehmer zur transkutanen Messung von Gasen im Blut (vgl. DE-OS 26 40 987) hat einen Hauterhitzungsteil, der eine wärmeleitende Platte, die auf die Haut aufgelegt werden soll, eine elektrische Heizeinrichtung zum Erhitzen der wärmeleitenden Platte und ein Temperaturmeßelement umfaßt, wobei der Hauterhitzungsteil die Elektroden und die Membran nach dem Zusammenbau umgibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Meßgeräts zu beheben und eine zuverlässigere Meßvorrichtung zu schaffen, bei welcher das Meßergebnis verfälschende Störfaktoren weitgehend

unterdrückt sind.

Diese Aufgabe wird bei einer polarographischen Meßelektrodenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung wird die Entstehung eines Faltenwurfs der Membran ausgeschlossen, da die Befestigung der Membran nunmehr nicht wie beim Stand der Technik durch Überziehen der Membran über einen Vorsprung und Festlegung der Membran hinter diesem Vorsprung erfolgt, sondern die Membran gewissermaßen in der die Anode und Kathode abdeckenden Ebene, also ohne Umlenkung, an einem besonderen Membranteil befestigt ist. Dies kann durch Verklebung geschehen. Diese Art der Befestigung erlaubt auch eine die brsteinsteüung der Membran in der Meßvorrichtung stets reproduzierbare Aufbringung neuer Membran, so daß bei einem Auswechseln der Membran keine neuen Eichkurven aufgenommen werden müssen. Die Fixierung der Membran an den stirnseitigen Enden des zylinderrohrförmigen Membranhalters bewirkt auch eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die Membran, so daß insgesamt eine gegenüber dem bekannten Stand der Technik wesentlich exaktere Messung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut möglich ist. Der Hauterhitzungsteil nach der Erfindung ist im Unterschied zum Stand der Technik vom Elektrodenhalter, insbesondere von Kathode und Anode, thermisch getrennt. Es ist möglich, die gesamte erzeugte Heizenergie im wesentlichen ausschließlich zur Erwärmung der zu untersuchenden Hautstelle zu verwenden, so daß Wärmeverluste minimal sind. Dies führt zu einer genaueren Steuerung der Temperatur der Haut und bedingt reduzierte Meßzeilen.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindung.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnitt-Aufrißansicht einer zerlegten erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung,

F i g. 2 eine Schnitt-Aufrißansicht einer zusammengebauten erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung gemäß F i g. 3,

F i g. 3 ein Diagramm, das eine Eichkurve der Elektrodenanordnung mit dem in der F i g. 4 dargestellten Aufbau zeigt,

F i g. 4 ein Diagramm, welches die Ansprechempfindlichkeitskurven der Werte des mit den erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen gemessenen Sauerstoffpartialdruckes zeigt,

F i g. 5 ein weiteres Diagramm, welches die Ansprechempfindlichkeitskurven der Werte des mit den erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen gemessenen Sauerstoffpartialdruckes zeigt

F i g. 6 eine Bodenansicht einer Anordnung aus einer Anode und mehreren Kathoden eines modifizierten erfindungsgemäßen Beispiels, und

F i g. 7 eine Bodenansicht einer Anordnung aus einer Anode und mehreren Kathoden eines modifizierten erfindungsgemäßen Beispiels.

Zunächst sollen einige Merkmale eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen MeBelektrodenvorrichtung kurz erläutert werden.

(1) Die Meßelektrodenvorrichtung umfaß; drei Teile, nämlich einen Elektrodenteil, einen herausnehmbaren Membranteil und einen HeizteiL

Der Elektrodenteil besteht aus oder enthält mindestens eine Kathode mit einer kleinen Oberfläche, eine

Anode, die so angeordnet ist, daß sie die Kathode kreisförmig umgibt und einen Isolator, welcher die Kathode und die Anode festhält. Der Membranteil besteht aus oder enthält eine Elektrodenmembran, die beim Zusammenbau an der wirksamen Oberfläche der Kathode und Anode und an einem Membranhalter, an dem die Elektrodenmembran fixiert ist, befestigt wird. Der Heizteil besteht aus oder enthält eine Manschette (einen Ring) aus einem wärmeleitenden Material, die (der) so geformt ist, daß sie (er) den Membranteil und den Elektrodenteil umfaßt, eine elektrische Heizeinrichtung, die in einer guten Wärmeleitungsverbindung mit der Manschette (dem Ring) angeordnet ist, und eine Hautkontaktplatte, die in einer guten Wärmeleitungsverbindung an der Manschette (dem Ring) befestigt wird und eine oder mehrere öffnungen zum Freilegen eines oder mehrerer spezifischer Teile der Elektrodenmembran durch diese hindurch aufweist.

Die vorstehend beschriebenen Elektroden-, Membran- und Heizteile werden so zusammengebaut, daß der Membranteil in den Heizteil eingesetzt wird und der Elektrodenteil auf den Heizteil wie ein Deckel aufgesetzt wird, so daß die Elektroden in einen Innenhohlraum des Membranhalters eingesetzt werden, wodurch eine starre Elektrodenanordnung entsteht.

(2) In dem Elektrodenteil ist die erfindungsgemäße Kathode dadurch charakterisiert, daß sie eine sehr kleine Fläche ihrer freiliegenden Oberfläche aufweist. Die Form der Kathode ist so, daß ihre Oberfläche vorzugsweise einen sehr feinen Ring bildet oder sehr kleine Punkte aufweist, die in Form eines Kreises angeordnet sind. Die Oberfläche kann auch so geformt sein, daß sie sehr kleine Punkte aufweist, die gleichmäßig in einer kreisförmigen Fläche angeordnet sind. Die Form der reagierenden Oberfläche der Kathode ist ein sehr feiner Ring, kleine Punkte auf einem Kreis oder kleine Punkte, die gleichmäßig in einer kreisförmigen Fläche angeordnet sind, und deshalb kann die Gesamtfläche der Oberfläche der Kathode in dem gewünschten Maße klein gemacht werden. Empirisch wurde gefunden, daß der Sauerstoffpartialdruck nur für die Fläche innerhalb des Bereiches gemessen werden kann, der durch einen Abstand von einem Punkte unmittelbar unterhalb der Kathode definiert ist. Sie liegen beispielsweise dann, wenn die Elektrolytschicht ausreichend dünn ist und die Dicke der Elektrodenmembran etwa 20 μπι beträgt, eine von O2 passierte Fläche, nämlich die Hautfläche, aus der 02-Moleküle zu der Kathodenoberfläche gelangen, innerhalb des Bereiches von etwa 100 μπι ab der Kathode. Das Verhältnis S/E, bei dem es sich um die von O2 passierte Fläche S. bezogen auf die reagierende Oberfläche E der Kathode behandelt, wird groß, wenn die Kathodenoberfläche klein wird. Andererseits ist die Rate des O2-Verbrauchs durch die Kathode nahezu proportional zu der Kathodenoberflächengröße. Wenn das Verhältnis S/E groß ist, wird daher notwendigerweise der O2-Fluß in der Haut klein. So weist beispielsweise eine Kathode mit einem Durchmesser von 0,03 mm einen OrFluß auf, der nur '/so desjenigen einer Kathode mit einem Durchmesser von 2 mm beträgt- Wenn der OrFluß ausreichend klein ist besteht keine Beschränkung für den Durchgang des O2 durch die Haut Im einen solchen Falle bestimmt nicht die Durchlässigkeit der Haut für O2 die Reaktionsgeschwindigkeit sondern der Sauerstoffpartialdruck in der Haut so daß eine genaue Messung des Sauerstoffpartialdruckes durch den Kathodenstrom gewährleistet ist Da der O2-Fluß sehr gering ist bei

einer kleinen Oberfläche der Kalhode(n) und deshalb keine spezielle Membran mil einer niedrigen O2-Durchlässigkeit verwendet wird, sondern eine Membran mit einer hohen O2-Durchlässigkeit verwendbar ist, wird die Ansprechempfindlichkeit der Messung stark verbessert durch Verwendung der Membran mit einer hohen 02-Durchlässigkeit.

Durch Verwendung der Kathode mit einem großen S/E-Verhältnis werden darüber hinaus die Stabilität, die Zuverlässigkeit und das S/N-Verhältnis der Messung deutlich verbessert. Wenn die Oberfläche der Kathode die Form eines feinen Ringes hat, der koaxial zu der Oberfläche der Anode angeordnet ist, oder die Form von kleinen Punkten hat, die auf einem Ring angeordnet sind, der koaxial zu der Oberfläche der Anode angeordnet ist, sind darüber hinaus die Reaktionsbedingungen in bezug auf die Anode auf allen Teilen der Kathode praktisch gleich, wodurch eine genaue Messung der 02-Konzentration sichergestellt wird.

(3) Der Membranteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist so aufgebaut, daß er den Rand der Elektrodenmembran auf der ringförmigen Endfläche des Membranhalters fixiert. Eine bevorzugte Art der Fixierung ist das Ankleben mittels eines Klebstoffes. Durch eine vorfabrizierte Membran, die in einer :i Massenproduktionsanlage mit dem Halter verbunden wird, ist eine gleichmäßige Spannung und glatte Oberfläche der Membran erzielbar, wodurch ein genauer Zwischenraum (Spalt) dazwischen und eine gleichmäßige Kontaktkraft gegenüber der aktiven a, Oberfläche der Kathode sichergestellt werden.

(4) Der Heizteil umfaßt einen Heizweg, der eine Heizeinrichtung, einen Block aus einem wärmeleitenden Material unc! eine Hautkontaktplatte aufweist, die alle miteinander in guter Wärmeleitungsverbindung stehen. Der Heizweg ist im Gegensatz zu der Beheizung mittels der Anode oder der Kathode gemäß dem weiter oben erörterten Stand der Technik von der Kathode und der Anode thermisch getrennt. Durch Verwendung des von der Anode oder Kathode getrennten Heizweges ist die gewünschte große Wärmekapazität erzielbar, wodurch die Genauigkeit der Kontrolle der Temperatur der Haut verbessert wird. Durch Verwendung einer großen Hautkontaktplatte aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise einer Platte aus rostfreiem Stahl, wird eine ausreichend große Fläche der Haut gleichmäßig erwärmt, wodurch eine ausreichende Umwandlung des Blutes in Arterienblut in dem Unterhautgewebe ermöglicht wird, das von der Fläche umgeben ist, die mit der Hautkontaktplatte in Kontakt steht. Dadurch, daß man die öffnung der Hautkontaktplatte so klein wie möglich macht, werden die Gleichmäßigkeit und Genauigkeit der Hauttemperatur an der Fläche, die gemessen werden soll, verbessert.

Die Hautkontaktplatte spielt eine weitere wichtige Rolle bei der Kontrolle des Zwischenraumes (Spaltes) zwischen der Elektrodenmembran und der Elektrodenoberfläche und der Kontaktkraft der Elektrodenmembran gegenüber der Elektrodenoberfläche. Die Hautkontaktplatte weist nämlich eine kleine öffnung auf, durch welche nur die Kathode durch die Membran freigelegt wird, während die Anode damit maskiert wird. Durch geeignete Formgebung des Isolators um die Kathode auf der reagierenden Oberfläche derselben herum wird die Membran zwischen der Hautkontaktplatte und der Oberfläche des Isolators fast eingeklemmt und nur die Fläche der öffnung wird freigelegt. Deshalb ist der Teil der Membran, der auf die Haut gepreßt wird, wenn die Elektrodenanordnung auf die Haut gelegt wird, auf die kleine freiliegende Fläche begrenzt. Dadurch werden der Zwischenraum (Spalt) zwischen der Membran und der Elektrodenoberfläche und der Elektrolytdruck in dem Zwischenraum (Spalt) stabilisiert, wie angegeben, wodurch die Empfindlichkeit der Elektrodenanordnung und damit die Zuverlässigkeit der Messung verbessert werden.

(5) Dadurch, daß man den Isolator, welcher die Kathode und die Anode festhält, so formt, daß die Endfläche (Stirnseite) des Isolators, die mit der Elektrodenmembran in Kontakt kommt, einen Schulterteil aufweist, und andererseits die Hautkontaktplatte und ein Teil der Manschette (des Ringes) eine ringförmige Ecke bilden, die dem Schulterteil entspricht, wird die Elektrodenmembran unter die gewünschte Spannung gesetzt.

Ein bevorzugtes Beispiel für eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1, die eine Schnitt-Aufrißansicht im zerlegten Zustand darstellt, und die F i g. 2, die eine Schnitt-Aufrißansicht im zusammengebauten Zustand darstellt, näher erläutert. Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, umfaßt die erfindungsgemäße Sauerstoffmeßelektrodenanordnungden Elektrodenteil 101, den Membranteil 102 und den Heizteil 103.

Der Elektrodenteil 101 umfaßt einen Elektrodenhalter 7 aus einem isolierenden Material, beispielsweise aus einem technischen Harz, z. B. einem Fluor enthaltenden Harz oder einem Polycarbonatharz. Der Elektrodenhalter hält eine oder mehrere Kathoden sowie eine Anode fest und stellt auch einen Deckelabschnitt der Elektrodenanordnung dar. Eine Kathode 1 des Beispiels gemäß F i g. 1 und F i g. 2 ist ein dünnes zylindrisches Rohr aus Platin oder Gold, das koaxial im Innern einer dicken zylindrischen Silber-Rohranode 2 angeordnet und von einem Isolator 3 aus Glas oder einem Epoxyharz, das dazwischen eingefüllt ist, festgehalten wird. Der Hohlraum im Innern der rohrförmigen Kathode 1 ist ebenfalls mit dem Isolator 3 aus Glas oder dem Harz gefüllt. Die Kathode 11 und die Anode 2 sind jeweils mit Ableitungsdrähten 19' bzw. 19 verbunden.

Wie in den modifizierten Beispielen der in den F i g. 6 und 7 dargestellten Kathodenanordnungen gezeigt, kann die Kathode aus vielen feinen Drähten bestehen, die auf oder im Innern eines Kreises angeordnet sind, der koaxial zu der Oberfläche oder der Endfläche (Stirnseite) der der Membran gegenüberliegenden Anode angeordnet sind. Der Grund dafür, daß die Kathode die Form eines dünnen zylindrischen Rohres oder die Form von feinen Drähten mit einer kreisförmigen Anordnung hat, ist der, daß damit ein hohes S/N-Verhältnis und eine hohe Ansprechempfindlichkeit aus den oben angegebenen Gründen erzielt werden.

Die oben genannte Anode Ά und die oben genannte Kathode 1, die durch den Isolator 3 fest miteinander verbunden sind, sind in den Elektrodenhalter 7 eingeformt, so daß sie den Elekt rodenteil 101 bilden. Die Oberfläche der Anode 2 ist vorzugsweise etwas hinter den Oberflächen der Kathode 1 und des Isolators 3 angedeutet, um einer Elektrodenmembran 4 eine Spannung zu verleihen, wenn letztere an den Oberflächen der Elektroden befestigt wird. Der Elektrodenhalter 7 weist eine Befestigungseinrichtung, beispielsweise Schrauben 20, zum Verbinden desselben mit dem Heizteil 103 beim Zusammenbau auf. Die Ableitungsdrähte 19 und 19' für die Kathode 1 und die Anode 2 sind

von einem isolierenden Mantel 191 umhüllt, der durch ein Schutzrohr 192 an dem Elektrodenhalter 7 befestigt ist.

Der Membranteil 102 umfaßt einen zylindrischen rohrförmigen Membranhalter 16 aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem technischen Harz, und die Elektrodenmembran 4 aus einem für Sauerstoff durchlässigen, hydrophoben Kunststoffilm. Der Membranhalter weist in seinem inneren Hohlraum einen ringförmigen Hohlraum 22 auf. Der ringförmige Hohlraum 22 dient als Vorratsbehälter für den Elektrolyten und die Luft in einem Hohlraum im Innern der Membran. Zwischen der oberen Oberfläche 161 des Membranhalters 16 und der unteren Oberfläche 71 des Deckelabschnittes des Elektronenhalters 7 ist eine ringförmige Füllung eines elastischen fviaterials, beispielsweise ein O-Ring 25, angeordnet, um so den die Anode 2 und den Elektrolyten enthaltenden Hohlraum gegenüber der umgebenden Atmosphäre hermetisch zu verschließen. Bei der Elektrodenmembran sollte es sich um einen für Sauerstoff durchlässigen, hydrophoben polymeren Kunststoffilm handeln, der für Sauerstoff zwar durchlässig, für den Elektrolyten jedoch undurchlässig ist. Solche polymeren Kunststoffe können bestehen aus Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen, Polypropylen und/oder Polyester.

Allgemein gilt, daß dann, wenn die wirksame Fläche ier Kathode groß ist, der Sauerstoffverbrauch durch die Elektrodenreaktion übermäßig groß ist. In einem solchen Falle, bei dem eine genaue Messung, welche den Sauerstoffpartialdruck des Unterhautgewebes reflektiert, schwierig ist, wurde bisher eine Membran mit einer geringen Sauerstoffdurchlässigkeit verwendet, um den Effekt des übermäßigen Sauerstoffverbrauchs zu kompensieren. Die Verwendung einer solchen Membran mit einer geringen Sauerstoffdurchlässigkeit führt jedoch zu einer niedrigen Ansprechempfindlichkeit. Da jedoch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Oberflächengröße der Kathode angemessen ist, kann eine Membran mit einer sehr hohen Durchlässigkeit verwendet werden und dadurch wird eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielt.

In dem praktischen Beispiel ist als Elektrodenmembran 4 eine 15—30μΐη dicke Membran aus Polytetrafluoräthylen, eine 10—20 μΐη dicke Membran aus einem Tetrafluoräthylen-Trifluorpolypropylen-Copolymeren, eine 10—20μηι dicke Membran aus Polypropylen oder eine 5—10 μπι dicke Membran aus Polyvinylidenchlorid bevorzugt Die Polytetrafluoräthylenmembran ist überlegen, da sie eine niedrige Hygroskopizität aufweist, andererseits aber extrem wasserabstoßend ist Daher wird die Polytetrafluoräthylenmembran nur schlecht durch den Elektroden benetzt und vermindert die Stabilität der Elektrodenanordnung. Bei zahlreichen empirischen Tests wurde gefunden, daß die Hygroskopizität einer Polytetrafluoräthylenmembran stark verbessert werden kann durch Ätzen einer Seite der Membran durch Korona-Entladung oder durch Behandlung mit einer ammoniakalischen Lösung von metaiiiscnem Natrium, wodurch die Elektrode reaktionsstabilisiert wird Die obengenannte oder eine ähnliche Behandlung ist auch für andere Arten von Membranen wirksam.

Die Verbindung zwischen der Membran 4 und dem Membranhalter 16 erfolgt durch eine thermoplastische Bindung bei einem thermoplastischen Polymerkunststoffilm, wie Polypropylen, oder durch Klebstoffbindung direkt oder über eine Vorbehandlung. Da einige Polymerklebstoffilme zu Schwierigkeiten bei der thermoplastischen Bindung oder bei der Klebstoffbindung führen, kann eine Bindung mittels eines doppelseitigen Klebefilms angewendet werden. Durch Verwendung eines vorher hergestellten Membranteils 102, bei dem die Elektrodenmembran 4 an dem Membranhalter 16 fixiert ist, kann eine unerwünschte Schwankung der Spannung und Faltenbildung, die bisher als Folge der individuellen Bindung der Membran durch einen ungeschickten Benutzer auftrat und zu einer Schwankung der Durchlässigkeit der Membran für Sauerstoff führte, eliminiert werden, wodurch stabile und zuverlässige Messungen erzielt werden können.

Der Vorrats-Hohlraum 22 in dem Membranhalter 16 dient für die Aufnahme des Elektrolyten und von Luft.

Wenn der Elektrolyt in dem Zwischenraum (Spalt) zwischen der Membran 4 und den Elektroden verbraucht oder erschöpft ist, wird der Elektrolyt oder die erforderliche Komponente desselben aus dem Vorratsbehälter zugeführt, wodurch eine kontinuierliehe Langzeitmessung sichergestellt wird.

Der in der F i g. 1 dargestellte Heizteil 103 umfaßt einen Metallblock 17 aus einem Metall mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, Messing oder Aluminium, und eine wärmeleitende Folie (Platte) oder eine Hautkontaktfolie (Platte) 18 aus einem dünnen elastischen Metall, wie rostfreiem Stahl oder Phosphorbronze. Der Metallblock 17 besteht aus einem dicken Randabschnitt 173 und aus einem scheibenförmigen Abschnitt 171, der über den unteren Teil des Randabschnittes 173 vorsteht. Der Randabschnitt 173 weist ein mit einem Gewinde versehenes Loch 201 für die Aufnahme der Schraube 20 zum Befestigen des Elektrodenteils 101 an dem Heizteil sowie eine ringförmige Rille 175 auf, in der eine Heizeinrichtung 15 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 15 sollte vorzugsweise umfassen oder bestehen aus einem oder mehreren Heizdrähten mit einer geringen Temperaturabhängigkeit bei Änderung des spezifischen Widerstands. So wird für die Heizeinrichtung 15 beispielsweise bevorzugt ein Manganin-Draht oder ein Cu - Ni-Legierungs-Draht verwendet. Innerhalb desselben ist ein Temperauirmeßeiement 6, wie z. B. ein Thermistor, zur Bestimmung der Temperatur des Metallblockes 17 angeordnet. Die Ableitungsdrähte 23 und 23' für die Heizeinrichtung 15 bzw. das Temperaturmeßelement 6 sind jeweils von einem isolierenden Mantel 231 umhüllt, der durch ein Schutzrohr 24 aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen Material an dem Metallblock 17 befestigt ist Der Randabschnitt 173 und der scheibenförmige Abschnitt 171 bilden vorzugsweise eine Einheit, um eine gute Wärmeleitung zu erzielen und einen Hohlraum 174 zu erzeugen, der den Membranteil 102 und die Elektroden des Elektrodenteils 101 aufnimmt Der Metallblock 17 hat eine beträchtliche Wärmekapazität und dient daher der Stabilisierung der Temperatur der Hautkontaktfolie bzw. -platte 18. Der scheibenförmige Abschnitt 171 des Metallblockes weist eine Bohrung 172 auf, deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser der unteren Oberfläche des Isolators 3.

Die Hauptkontaktplatte 18, die beispielsweise eine Platte aus rostfreiem Stahl einer Dicke von etwa 0,05 mm ist, ist durch Schweißen, Löten oder mittels eines geeigneten Klebstoffes mit der unteren Oberfläche des scheibenförmigen Abschnittes 171 wärmeleitend verbunden. Die Hautkontaktplatte 18 weist eine durchgehende Bohrung oder Öffnung 181 einer Größe auf, die genügend kleiner ist als die Hauptkontaktplatte 18,

jedoch etwas größer ist als der Ring der Kathode oder der Kreis der Kathodenanordnung in dem Mittelabschnitt, um die Elektrodenmembran 4 durch dieselbe hindurch freizulegen. Versuche haben gezeigt, daß der Rand der Bohrung 181 von der Position oberhalb der Kathode einen Abstand von 0,5 mm oder mehr haben sollte, um eine hohe Ansprechempfindlichkeit zu erzielen. Ein geeignetes Beispiel für den Durchmesser der Bohrung 181 ist etwa 2,5 mm.

Der Elektrodenteil 101, der Membranteil 102 und der Heizteil 103 werden miteinander vereinigt, indem man den Membrantei! 102 in den Hohlraum 174 des Heizteils 103 einsetzt und außerdem den Elektrodenteil 101 auf den Heizteil 103 und den Membranteil 102 aufsetzt. Während des Zusammenbaus wird eine spezifische geringe Menge des Elektrolyten auf den Mittelabschnitt der Innenseite der Elektrodenmembran 4 aufgebracht. Dann wird ein Teil des Elektrolyten zwischen der Membran 4 und der unteren Endfläche der Kathode 1 und dem Isolator 3 eingeschlossen und der restliche Teil des Elektrolyten bleibt in dem Vorrats-Hohlraum 22. Durch Befestigung mittels Schrauben 20 (in der praktischen Vorrichtung drei Schrauben) werden die Teile der Elektrodenanordnung aneinander fixiert. Die auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellte Elektrodenanordnung ist in der F i g. 2 dargestellt.

Die Elektrodenanordnung wird an der Haut fixiert, indem man die Hautkontaktplatte beispielsweise mit einem ringförmigen zweiseitigen Klebstoffilm dazwischen, mit einem Tropfen Wasser als Kontaktflüssigkeit zwischen der Elektrodenmembran und der Haut an der Haut fixiert.

Im allgemeinen sollte die Elektrodenmembran vorzugsweise so nah wie möglich an der Hautoberfläche angeordnet sein. Wenn die Membran sehr nah an der Haut angeordnet ist, besteht die Gefahr, daß sie übermäßig stark durch die Hautoberfläche zusammengepreßt wird, wodurch die Dicke des Elektrolyt-η und damit der gemessene Wert geändert wird. Wenn man jedoch die Hautkontaktplatte 18 aus einer dünnen, jedoch festen Metallfolie bzw. -platte mit der kleinen Bohrung 181 vor der Membran anordnet, wird ein übermäßig starker Druck auf die Membran vermieden. Durch luftdichtes Anpressen des Teils des Randes bzw. Umfanges der kleinen Bohrung 181 der Hauptkontaktplatte 18 an die Membran 4 und durch Einfüllen eines Teils der Kontaktflüssigkeit seitlich in den Zwischenraum (Spalt) zwischen der Hautkontaktplatte 18 und der Elektrodenmembran 4 kann ein nachteiliger Einfluß auf die Sauerstoffstreuung in den Zwischenraum (Spalt) und die daraus resultierende Herabsetzung der Anspruchempfindlichkeit vermieden werden.

Die Fig.3, 4 und 5 stellen Diagramme dar, die Beispiele für unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung gemessene Kurven zeigen. Die F i g. 3 zeigt eine Eichkurve der Elektrodenanordnung mit dem in F i g. 2 dargestellten Aufbau, deren Details die folgenden sind:

60

Durchmesser der	18 mm
Hautkontakt
platte 18	0,05 mm
Dicke der Hautkontakt
platte 18	2$ mm
Durchmesser der kleinen
Bohrung 181	dickes Silberrohr
Form und Material
der Anode

Innendurchmesser

der Anode Außendurchmesser

der Anode 2

Form und Material der

Kathode

Durchmesser der Kathode

Dicke der Kathode

Elektrolyt

Elektrodenmembran

Zwiichen Kathode und

Anode

angelegte Oleichspannung

3,0 mm
5,0 mm

dünnes Platinrohr
1,0 mm
0,02 mm

wäßrige Lösung von
1 M KCl,0,1 Meines
Äthanolaminpuffers
mit einem pH-Wert von 10 und 50% Glycerin.
50 μπι dicker Tetrafluoräthylenfilm,
dessen Innenseite
durch Natriumbehandlung geätzt worden ist.

0,7 Volt.

Das Eichverfahren besteht darin, daß man die Anode und die Kathode mit dem positiven bzw. dem negativen Pol einer bekannten stabilisierten Gleichstromquelle einer spezifischen Spannung über eine bekannte Strommeßeinrichtung verbindet und die Elektrodenanordnung auf einer Kalibrieröffnung einer Kalibrierkammer befestigt und in die öffnung Kalibriergase einleitet, die mit der Membran in Kontakt kommen. Zuerst wird Luft eingeleitet und der Strom wird gemessen, wobei ein stationärer Wert für Luft von 84,5 nA erhalten wird, wie in F i g. 3 angegeben. Dann wird die Luft in der Kalibrieröffnung durch Stickstoff ersetzt, wonach der Strom schnell auf fast Null abfällt und bei einem spezifischen geringen stationären Wert für Stickstoff von etwa 1,5 nA stabil wird. Danach wird wiederum Luft in die Kalibrieröffnung an Stelle von Stickstoff eingeleitet und der Strom steigt wieder schnell an fast bis auf den ursprünglichen Wert von 84 nA und nimmt dann im weiteren Verlauf langsam zu bis zu dem stationären Wert von Luft von 84,5 nA. Die Versuche zeigen, daß die 80%-Ansprechzeit etwa 20 Sekunden beträgt, daß die 90%-Ansprechzeit etwa 30 Sekunden beträgt und daß die 96%-Ansprechzeit etwa 50 Sekunden beträgt.

Die F i g. 4 zeigt ein Diagramm, welches die Eichkurven von Sauerstoffpartialdrucken darstellt, die mit zwei der obengenannten Elektrodenanordnungen gemessen wurden, die auf einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt der rechten Brust eines neugeborenen Säuglings fixiert wurden. Wie in dem Diagramm dargestellt, steigt der Sauerstoffpartialdruck schnell an bei Verabreichung von Sauerstoff und fällt dann wieder ab bei der Rückkehr zu der Beatmung mit Luft und kommt dann nach einer spezifischen Zeit wieder zurück auf den ursprünglichen Wert. Dabei ist zu beachten, daß auch während der Beatmung mit Luft der Sauerstoffpartialdruck sich ständig ändert. Er fällt beispielsweise beim Stillen etwas ab und beim Schreien fällt er noch weiter ab. Beim Vergleich der Werte der Transkutan-Messung mittels der oben genannten Elektrode mit den Werten des tatsächlich gemessenen Sauerstoffpartialdruckes in dem gesammelten Arterienblut ist zu beobachten, daß der Wert der Transkutan-Messung einen Korrelations-Koeffizienten von etwa 035 hat.

Die Fig.5 zeigt ein Diagramm, welches die

Eichkurven von Sauerstoffpartialdrucken darstellt, die mit zwei modifizierten Elektrod'-nanordnungen A und B gemessen wurden, die auf der Haut eines inneren Vorderarms eines 30 J.-hre alten Mannes fixiert wurden. w>e in der Zeichnung in dem Diagramm dargestellt Jede der Elektrodenanordnungen stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar und weist eine Elektrodenmembran aus einem 12 μπι dicken Polyvinylidenchloridfilm auf. Die Kurven werden aufgezeichnet durch Verwendung eines Doppelfeder-Schreibers, welcher die gemessenen Ströme aufzeichnet, um die Sauerstoffpartialdrukke anzuzeigen, wenn abwechselnd eine Beatmung mit Lufi und mit verabreichten Sauerstoff durchgeführt wird. Die Kurve A wurde mit einer Elektrodenanordnung gemessen, in der die Temperatur des Metallblok kes 17 auf 44° C festgelegt wurde, während die Kurve mit einer anderen Elektrodenanordnung, die auf 42° ( eingestellt wurde, gemessen wurde. Die Pfeile auf dei Kurven geben den Zeitpunkt an, zu dem ein Umstellung von Sauerstoff auf Luft bzw. umgekehr erfolgte. Das Diagramm zeigt, daß die Messung mitte der Elektrodenanordnung, die auf 44° C eingestel worden war, die Änderungen des Sauerstoffpartialdruk

ίο kes in dem Unterhautgewebe viel genauer wiedergib als diejenige, die auf 42° C eingestellt war. Es wurd festgestellt, daß der Korrelations-Koeffizient de gemessenen Transkutan-Wertes gegenüber dem arte riellen Sauerstoffpartialdruckwert etwa QB betrug.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Polarographische Meßelektrodenvorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartial- => druckes in Arterienblut, mit

(a) einem Elektrodenteil, welcher einen wärmeisolierenden und elektrisch isolierenden Elektrodenhalter zur Aufnahme einer ringförmigen Anode und einer gegenüber der Anode isolierten, innerhalb des Ringraums der Anode angeordneten Kathode aufweist, mit

b) einer in einem Abstand zu den freien stirnseitigen Enden von Anode und Kathode angeordne- _;. ten sauerstoffdurchlässigen Membran, wobei

(c) zwischen Membran und dem Elektrodenhalter bzw. Anode und Kathode ein Elektrolyt vorgesehen ist, sowie mit

(d) einem Bauteil zur Erhitzung der Haut, welches eine elektrische Heizeinrichtung und ein Tem- "' peraturmeßelement aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

(e) die Meßelektrodenvorrichtung ein Membranteil (102) mit einem zylinderrohrförmigen Membranhalter (16) aus Kunststoffmaterial ²ⁱ aufweist, welcher an einer seiner ringförmigen Stirnflächen die Elektrodenmembran (4) über ihren Umfangsrand mit einer vorbestimmten Spannung festhält, und daß

(f) der Hauterhitzungsteil (103) einen wärmeleiten- ^J" den Metallblock (17) mit einem ringförmigen Randabschnitt (173) und eine auf die Haut auflegbare wärmeleitende Plattenanordnung (171, 18) am Boden des Metallblocks umfaßt, wobei die Plattenanordnung (171, 18) eine ' Dürchgangsbohrung mit einer Größe ausreichend zur Freigabe des der Kathode (1) gegenüberliegenden Teils der Membran aufweist und die Plattenoberfläche größer als die Flächen der Bohrung ist. und daß

(g) die Meßelektrodenvorrichtung in die drei Bauteile Elektrodenteil (101), Membranteil (102) und Hauterhitzungsteil (103) zerlegbar ausgebildet ist, wobei Elektrodenteil und Membranteil im Ringraum des Metallblocks des Hauterhitzungsteils angeordnet sind.