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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein eine Eichküvette oder -kassette, die zum
Eichen von Sensoren eines Blutparametermeßsystems geeignet ist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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Gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist der Mittelabschnitt Wandteile mit einer hydrophilen Oberfläche auf,
zur Förderung
der Bewegung der Gasblasen an den Wandteilen vorbei.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Einzelheiten zur Erfindung sind in den Merkmalen der Ansprüche definiert.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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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;
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2 ist
eine vergrößerte, in
Längsrichtung
quergeschnittene Ansicht der in 1 gezeigten
Kassette allein;
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3 ist
eine Ansicht ähnlich
wie 2, außer
daß 3 entlang
einer anderen Bezugsebene geschnitten ist;
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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;
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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;
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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;
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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;
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8 ist
eine vergrößerte Seitenschnittansicht
der in 1 dargestellten Meßvorrichtung allein, außer daß optische
Fasern in der Vorrichtung nicht dargestellt worden sind;
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9 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der in 1 gezeigten
Meßvorrichtung;
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10 ist
eine vergrößerte perspektivische
Explosionsansicht der Meßvorrichtung
gemäß 1,
außer
daß ein
Gehäuse
der Meßvorrichtung
entfernt worden ist;
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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;
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12 ist
eine vergrößerte Unteransicht
der in 11 gezeigten Faseranschlußblockanordnung;
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13 ist
eine vergrößerte Seitenschnittansicht
eines Abschnitts der in 11 gezeigten
Faseranschlußblockanordnung;
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14 ist
eine vergrößerte perspektivische
Ansicht einer Einsatzplatte, die Teil der in 11 gezeigten
Faseranschlußblockanordnung
ist;
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15 ist
eine schematische Darstellung, die u. a. die verschiedenen Wege
von optischen Faserbündeln
der in 1 gezeigten Meßvorrichtung zeigt;
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16 ist
eine vergrößerte perspektivische,
teilweise explosionsartige Ansicht eines Teils einer Optikanordnung
der Meßvorrichtung
gemäß 1;
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16a ist eine vergrößerte Seitenschnittansicht
einer Linse der in 16 gezeigten Optikanordnung;
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17 ist
eine vergrößerte Schnittansicht,
geschnitten entlang einer Längsachse
einer optischen Halteschale der in 16 gezeigten
Optikanordnung;
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17a, 17b und 17c sind vergrößerte Ansichten
verschiedener Abschnitte der in 17 gezeigten
optischen Halteschale;
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18 ist
eine Draufsicht der optischen Halteschale, die in 17 gezeigt
ist;
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19 ist
eine Schnittansicht der in 16 und 17 gezeigten
Halteschale, geschnitten entlang einer Bezugsebene senkrecht zur
Längsachse
der Halteschale;
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19a ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts
der in 19 gezeigten Halterung;
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20 ist
eine vergrößerte Draufsicht
einer weiteren optischen Halterung der in 16 gezeigten
Optikanordnung;
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21 ist
eine Schnittansicht, geschnitten entlang einer Längsachse der in 20 gezeigten
optischen Halterung;
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22 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
einer Elektrooptik-Koppelplatte der in 1 gezeigten
Meßvorrichtung;
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23 ist
ein schematisches Blockschaltbild einer elektrischen Anordnung der
Vorrichtung gemäß 1 sowie
ein Teil einer Überwachungseinrichtung;
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24 ist
ein schematisches Blockschaltbild der Überwachungseinrichtung und
zeigt außerdem
eine Verbindung zu der Vorrichtung gemäß 1 zusammen
mit einer Verbindung zu anderen Vorrichtungen;
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25 ist
eine schematische Darstellung eines Herz-Lungen-Maschinenkreislaufs, der die
Kassette und die Vorrichtung gemäß 1 verwendet;
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26 ist
eine Ansicht ähnlich
wie 1, aber in einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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27 ist
eine Ansicht ähnlich
wie 25, aber in einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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28 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht
eines Körpers
einer Blutparametermeßkassette, die
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung aufgebaut ist;
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29 ist eine Ansicht ähnlich wie 28, nur mit Blick in einer anderen Richtung auf
den Körper;
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30 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht
eines exemplarischen Kassettengehäuses zur lösbaren Verbindung mit dem in 28 und 29 gezeigten
Kassettenkörper;
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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;
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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;
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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.
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34 ist eine Ansicht ähnlich wie 31, außer
daß sie
das Kassettengehäuse
gemäß 32 und 33 anstelle
des Kassettengehäuses
gemäß 30 zeigt;
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35 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht
einer Versandkappe zur Verwendung mit dem Kassettengehäuse gemäß 32 und 33;
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36 ist eine Ansicht ähnlich wie 35, nur mit Blick in einer anderen Richtung auf
die Kappe;
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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
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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.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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-518TM (General
Electric Co., Schenectady, NY), die im Beispiel 2 des US-Patents
5 508 509 beschrieben sind. Geeignete Polyurethankleber sind u.
a. FLEXOBOND 431TM (Bacon Co., Irvi ne, CA),
der im Beispiel 3 des US-Patents 5 591 400 beschrieben ist.
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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 1022TM (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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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 R
2 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 (CH
2X)
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;
R
3 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 (CH
2X)
bE,
wobei X und E wie oben definiert sind und b eine ganze Zahl von
0 bis 100 ist;
R
1 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 R
1-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 R
4-Gruppe
unabhängig
voneinander Wasserstoff, Halogen, eine hydrocarbylhaltige Gruppe,
eine heteroacyclische Gruppe, eine heterocyclische Gruppe oder eine
Gruppe mit der Formel (CH
2X)
cE
ist, wobei X und E wie oben definiert sind und c eine ganze Zahl
von 0 bis 100 ist, oder beide R
4-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 R
4-Gruppen gebunden
sein können;
und
Z ist O oder NR
5, wobei R
5 Wasserstoff oder eine hydrocarbylhaltige
Gruppe ist, besonders bevorzugt ist R
5 H oder
eine C
1- bis C
4-Alkylgruppe
und am meisten bevorzugt ist R
5 gleich H.
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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.
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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 (CUPROPHANTM, 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.
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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.
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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 431TM (Bacon Co., Irvine,
VA).
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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.
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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.
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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 DURAPORETM-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.
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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
(CUPROPHANTM, Enka AG, Ohderstraße, Deutschland)
gebunden ist, wobei die Erfassungsschicht mittels des Urethanklebstoffs
FLEXOBOND 430TM auf einer Polycarbonatträgermembran
haftet und die Trägermembran
mit einem CW14TM-Haftklebstoff auf einer
Trennlage versehen ist.
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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.
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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.
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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.
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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}.
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In
einer gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform
ist ein HPTS-Indikator kovalent an ein aminfunctionelles CUPROPHANTM-Substrat gebunden, das mittels Polyurethankleber
FLEXOBOND 431TM mit einer Polycarbonat-Trägermembran
verbunden ist. Das Erfassungssubstrat ist mit einer epoxidharzvernetzten
Dextran-Matrix mit dispergiertem Rußschwarz verbunden.
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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.
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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.
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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 75GTM (Pharmacia Biotech, Inc.,
Piscataway, NJ).
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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.
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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 443TM mit endständiger Vinylgruppe und Polydimethylsiloxan
PE1055TM, beide vertrieben von Petrarch Systems, Inc.
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In
einer gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform,
weist der Kohlendioxidsensor 32 eine Erfassungsschicht
mit einem HPTS-Erfassungsfarbstoff auf den vernetzten Dextranperlen
SEPHADEX 75GTM in einer Siliconmatrix auf,
die auf einer Polycarbonat-Trägermembran
haftet und mit einer deckfähigen
Schicht mit in einer Siliconmatrix despergiertem Eisenoxidpigment überzogen
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Jedes
dieser Monomerkomponentenpaare kann an ein Matrixmaterial, z. B.
Silikon, angebunden und/oder kovalent gebunden werden.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Pumpe 514 hat einen Auslaß, der mit einem Einlaß einer
vierten Länge
einer Schlauchleitung 516 verkuppelt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.