DE2921058C2

DE2921058C2 - Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdruckes im arteriellen Blut sowie Verfahren zur Herstellung einer Membran für eine solche Vorrichtung

Info

Publication number: DE2921058C2
Application number: DE2921058A
Authority: DE
Inventors: Tamotsu Osaka Fukai; Bunji Prof. Suita Hagihara
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1978-05-29
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1983-01-20
Also published as: IT1118735B; DE2921058A1; GB2021784A; JPS5616652B2; GB2021784B; JPS54155682A; FR2427082B1; IT7968148A0; FR2427082A1; SE7904602L

Description

a) einem Elektrodenteil, der eine Kathode und eine die Kathode umfassende Anode aufweist, die durch einen dazwischenliegenden Isolator voneinander isoliert sind,

b) einem die Haut erhitzenden Erhitzerteil mit einer Öffnung, und mit

c) einer sauerstoffdurchlässigen Membrananordnung, die zwischen dem Erhitzterteil und den Stirnflächen des Elektrodenteils angeordnet ist, um den Elektrolyten in einem Spalt zwischen der Membran und den Stirnflächen des Elektrodenteils zu halten,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Membrananordnung eine erste Membranschich' ^St) mit größerer Sauerstoffdurchlässigkeit und eine zweite Membranschichi (82) mit geringerer Sauerstoffdurchlässigkeit als die der ersten Membranschicht (81) aufweist, daß

e) die zweite Membranschicht (82) zwischen der ersten Membranschicht (81) und dem Elektrolyten fliegt, daß

f) die erste Membranschicht (81) eine größere Dicke, z. B. 25 μιτι, und eine größere mechan·- sehe Festigkeit als die zweite Membranschicht (82) aufweist, während die zweite Membranschicht _XZ2) dünner, z.B. 5— 12μπι dick, und hydrophil ist, und 'iaß

g) die zweite Membranschicht (82) eine Beschichtung der ersten Membran' :hicht (81) darstellt und damit eine einslückige. laminatartige Doppelschicht bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine dritte Membranschicht (83) vorgesehen ist, die stärker hydrophil als die zweite Membranschicht (82) ist und auf der anderen Seite der zweiten Membranschicht (82) als die ersu Schicht (81) liegt.

3. Verfahren zur Herstellung einer Membran für eine Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdrucks im arteriellen Blut, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine erste Membranschicht, die stärker hydrophob ist und eine größere Sauerstoffdurchlässigkeit hat, eine zweite Membran- »chicht. die schwächer hyd-ophob ist und eine geringere Sauerstoffdurchlässigkeit hat, aufgeklebt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß ein Polyamid-Heißkleber verwendet wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Membran für eine Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdrucks im arteriellen Blut, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Lösung einer Subslanä,,tjJ.ie schwächer hydrophob ist und eine geringere Sauerstoff-•durchlässigkeit hat, auf eine Membranschicht aus einer ersten Substanz, die stärker hydrophob ist und eine größere Sauerstoffdurchlässigkeit hat, aufgebracht wird und daß

b) man die Lösung zur Bildung einer aus der zweiten Substanz bestehenden Membranschicht auf der ersten Membranschicht austrocknet.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdrucks im arteriellen Blut nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches sowie Verfahren zur Herstellung einer Membran für eine solche Vorrichtung.

Die Theorie der transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdrucks im Blut sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieser Messungen sind an sich bekannt (Medizinal-Markt, Nr. 3,1975, Seiten 64—66 und Archiv für technisches Messen, BI. V 665-5 (November 1969), Seiten 247 — 252). Bei diesen bekannten Vorrichtungen ist eine Cellophanmembran als Stabilisierungsmembran vorgesehen, die die Eiektrodenseeie uimpaniu und zwischen einer äußeren Teflonmembran und der Elektrodenstirnfläche eingefügt ist. Der Elektrolytraum erstreckt sich zwischen den beiden Membranen. Bei diesen Membrananordnungen hat man versucht, die Diffusionsbedingunpen für die Elektrode konstant zu halten, indem man einer Veränderung der Ausdehnung der Elektrolytschicht hinter der Tefionmembran entgegengewirkt hat. Auch hat man versucht, die Druckempfindlichkeit der Meßvorrichtung herabzusetzen. Die bekannten Mangel der üblichen Clark-Elektroden führen alle dazu, daß die Korrelation zwischen dem transkutan gemessenen Sauerstoffpartialdruck zu dem Sauerstoffpartialdruck, der unmittelbar an entnommenem Blut gemessen wird, nicht zuverlässig feststellbar ist. Trotz entsprechender Versuche ist es jedoch bisher noch nicht gelungen, die Diffusionsbedingungen für die Elektrode konstant zu halter, bzw. einen festen Korrelationskoeffizienten zu bestimui^n.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur tianskutanen Messung des Sauerstoffpartialdrucks im arteriellen Blut vorzusehen, die einen höheren Korrelationskoeffizienten sowie eine schnellere Reaktion auf die Messung durch Vorsehen einer verbesserten Membran ermöglicht.

Ein erster Schritt zur Lösung dieser Aufgabe bestand nun darin, daß man untersucht hat, welchen Einfluß die Materialwahl für d'e Membranen und die Dicke der Membranen auf die Zuverlässigkeit der Messungen haben. Diese Einflüsse sind tatsächlich entgegen bisherigen Annahmen beträchtlich.

So haben beispielsweise die Eigenschaften der Membran, nicht nur deren geometrische Anordnung in der Meßvorrichtung, einen großen Einfluß auf den Korrelationskoeffizienten (Verhältnis der transkutan gemessenen Sauerstoffkonzentration zur Sauerstoffkonzentration, die unmittelbar aus dem entnommenen Blut gemessen wird in Prozenten), auf die Stabilität der Messung und auf die Reaktionszeit (beispielsweise 90% Reaktionszeit), Um nun einen hohen Korrelatignskoefjfizienten zu.terhajten, ist.eSinotwendig, eine Membran "mit geringer SaüerslöffdüröHläSsigklit zu verwenden, so daß der Saüerstoffflüß, der sich Vom Blutgefäß zur Hautoberfläche ausbreitet, auf ein Minimum herabgesetzt Wird, Wodurch der Gradient des Saüerstöffköeffizienten im Hautgewebe verringert wird. Andererseits

verschlechtert jedoch die Verwendung einer solchen Membran notwendigerweise die Reaktionszeit.
Nach dieser Erkenntnis wurden die Eigenschaften

Tabelle 1

von Vorrichtungen, die Membranen aus verschiedenen Kunststoffen enthielten, durch Versuche ermittelt,deren Ergebnis in Tabelle 1 zusammengefaßt ist.

Gruppe

Substanz

Korrelationskoeffizient Stabilität

Reaktionszeit

III

rv

] Polyäthylen

2. Tetrafluoräthylen

3. Tetrafluoräthylenhexapropylen-Copolymer

4. Polypropylen

5. Zweiachsig gespanntes
Polyäthylen hoher Dichte

6. Vinylidenchlorid

7. Vinylidenfluorid

8. Vinylfluorid

9. Hartes Vinylchlorid

10. Polyester

11. Cellobioseacetat

12. Vinylchlorid

13. Polycarbonat

schlecht

nicht schlecht

sehr gut

nicht möglich, einen gemessenen Wert zu erhalten nicht schlecht

sehr gut

nicht gut

schlecht

sehr gut

schlecht

nicht schlecht

Die Membranen der Gruppe I haben eine starke hydrophobe Eigenschaft und gute Sauerstoffdurchlässigkeit. Die Membranen dieser Gruppe weisen eine sehr kurze Reaktionszeit auf, jedoch ist der Korrelationskoeffizient mit 30% bis 40% zu niedrig.

Die Membranen der Gruppe II haben eine geringe Sauerstoffdurchlässigkeit im Vergleich mit jener der Gruppe I. Obwohl eine sehr gute Stabilität und eine sehr kurze Reaktionszeit erreicht wird, weisen die Membranen der Gruppe II nur einen Korrelationskoeffizienten von 60% bis 70% auf, der für die Besonderheit der Vorrichtung zur transkutanen Messung des Blutsauerstoffes nicht zufriedenstellend ist.

Die Membranen der Gruppe III haben eine außerordentlich schlechte Sauerstoffdurchlässigkeit im Vergleich mit jener der Gruppe I und demzufolge weisen sie einen Korrelationskoeffizienten von 80% bis 95% auf. Die Reaktionszeit ist jedoch sehr lang und die Stabilität ist schlecht und demzufolge ist die Membran dieser Gruppe III für den praktischen Gebrauch nicht geeignet.

Die Membranen der Gruppe IV ändern ihre Sauerstoffdurchlässigkeit in Abhängigkeit der Feuchtigkeitsaufnahme, und deshalb sind sinnvolle Korrelationen nicht erreichbpr. Das heißt in anderen Worten, daß die Membran dieser Gruppe in der Praxis nicht Verwendung finden kann.

Des weiteren werden die Eigenschaften der Vorrichtung auch wesentlich durch die Dicke der Membran beeinflußt. Versuche haben gezeigt, daß eine Membran mit einer Dicke von weniger als ΐΟμπι nicht die notwendige mechanische Festigkeit hat. Infolge des Mantels an* Steifheit solch dünner Membräneri'be>vegt; sich die elektrolytische Schicht in den Spalt zwischen der Membran und der Elektrödenstifnfläche, wodurch die Eigenschaften 6er Elektrode instabil werden. Wenn die Dicke andererseits mehr als 50 μπι beträgt, verlängert sich die Reaktionszeit, und zwar beinahe proportional zur Dicke.

Auf diesen Untersuchungen basiert nun die Lösung der gestellten Aufgabe durch eine Vorrichtung der im Hauptanspruch gekennzeichneten Art. Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung von Membranen für Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art sind in den Verfahrensansprüchen gekennzeichnet, während die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung charakterisieren.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß durch An^; ringen einer hydrophilen Membranschicht auf der Innenseite der aus dem Stand der Technik bekannten, hydrophoben Membranschicht wesentlich größere Fortschritte in bezug auf den Korrelationskoeffizienten erzielen lassen als durch besondere Anordnungen der Membran selbst, wie sie in der Literaturstelle: Archiv für technisches Messen. Bl. V 665-5 (November 1969) Seiten 247 — 252, beschrieben ist. Außerdem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, daß neben dem hohen Korrelationskoeffizienten die Reaktionszeit nicht verschlechtert wird, und daß eine außergewöhnlich hohe Stabilität bei den Messungen erziel' vird.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden run anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur transkutanen Messung des Blutsauerstoffes;

Fig. 2 einen ve.größerten Schnitt durch die Membran der Vorrichtung zur transkutanen Messung des Blutsauerstoffes; und

Fig.3 einen vergrößerten Schnitt dürfcü^ein anderes Beispiel der Membran.

Wie F i g, 1 zeigt, hat die Vorrichtung zur trahskuta^ nen Messung des Bkiitsauerstoffes einen käppcnförmi· gen Elektrodenteil 1, einen topfförmigen Erhitzerteil 2,

29 2t

der den Elektrodenteil umgibt, einen Membfanleil 3, der eine sauerstoffdurchlässige Membran 8 klemmt und in einem Zwischenraum angeordnet ist, der zwischen dem Elektrodenteil 1 und dem Efhitzefteil 2 gebildet wird, eitlen Dichtungsring 4, der einen Zwischenraum zur s Aufnahme eines Elektrolyten E abdichtet, einen Erhitzer 5, der in einer ringförmigen Aussparung eingelagert ist, die in einem ringförmigen Metallblocklei! des Efhilzefteiles 2 vorgesehen ist, und Verbindungsbolzen 6, die den Elektröderiteil i Und den jo Erhitzerteil 2 mit dem dazwischen angeordneten Membranteil 3 verbinden. Der Erhitzerteil 2 weist einen die Haut erhitzenden, sich zentrisch erstreckenden plattenförmigen Teil 7 auf. der in der Mitte eine runde öffnung 14 besitzt. Der Elektrodenteil 1 weist eine fs dünne, rohrförmige Kathode 10 aus einem Edelmetall, wie Platin oder Gold, eine dicke, rohrförmige Anode 11 aus Silber, die die Kathode koaxial umgibt und einen Isolator 12 aus Glas auf, der die Zwischenräume in der Anode 11 und in der Kathode 10 ausfüllt.

Fig.2 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine Membran mit zwei Schichten. Die Membran 8 weist eine erste Schicht 81 zum Kontakt mit der Hautoberfläche und eine zweite Schicht 82 auf, die laminatartig auf die erste Schicht aufgebracht wird und sich auf der Seite befindet, die der Elektrodenstirnfläche zugekehrt ist und in Kontakt mit dem Elektrolyten Esteht.

Die erste Schicht 81, die mit der Hautoberfläche in Berührung steht, kann aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Fluorharze, wie etwa Tetrafluoräthylen und Tetrafluoräthylenhexapropylencopolymer, und Polyolefinharze, wie etwa Polyäthylen und Polypropylen umfaßt, und hat die folgenden Eigenschaften:

35

1. Ihre Sauerstoffdurchlässigkeit wird durch den Einfluß von Wasser möglichst nicht verändert.

2. Sie hat eine ausreichende Sauerstoffdurchlässigkeit, um nicht die Geschwindigkeit des Sauerstoffdurchlasses der zusammengesetzten, laminatartigen Membran 8 zu beeinträchtigen.

3. Sie hat eine in etwa gummiartige Elastizität.

Die zweite Schicht 82, die in Kontakt mit dem Elektrolyten steht, kann aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Vinylidenhar· ze. Vinylharze, Polyester, Polyamid, Acetylcellobiose, Polyvinylalkohol und Cellophan umfaßt und hat folgende Eigenschaften:

Tabelle 2

4. Sie hat eine geringe SauefstoffdurchiässigkeH, um eine vorbestimmlc, definierte Sauerstöffdufchlässigkeit auch dann zu haben, wenn sie in einer sehr dünnen Schicht ausgebildet wird.

5. Sie hat eine ausreichende mechanische Festigkeit Und Dehnbarkeit, Um dem Einbau an denn Mebranhailer standzuhalten.

6; Sie ist hydrophil.

7. Sie hat einen hohen elektrischen Widerstand.

Die Laminierung der ersten Schicht mit der zweiten Schicht kann entweder durch bekannte Klebeverfahren oder durch ein Beschichtungsverfahren erfolgen, wobei eine Lösung aus einem Material der zweiten Schicht 82 und ein Lösungsmittel auf dem Film des Materials der ersten Schicht 81 aufgebracht und danach durch Verdampfen des Lösungsmittels die zweite Schicht 82 gebildet wird.

Fig. 3 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine Membran mit drei Schichten. In der Membran der Fig.3 werden auf die erste Schicht 81, die der Hautoberflächenseite zugewandt ist und die obenerwähnten Eigenschaften I bis 3 aufweist, eine zweite Schicht 82 mit den obenerwähnten Eigenschaften 4 bis 7 und eine dritte Schicht 83 aufgebracht, wobei die dritte Schicht 83, die der Elektrolytseite zugewandt ist, aus einem Material mit starken hydrophilen Eigenschaften, wie Oillobioseacetat oder Polyvinylalkohol, besteht. Bei diesem Beispiel kann die Stabilität der Vorrichtung durch die dritte, stark hydrophile Schicht 83 verbessert werden.

Beispiel 1

Als erste Schicht 81, die sich auf der Seite befindet, die der Hautoberfläche zugewandt ist, wird ein 25 μίτι dicker Film aus FEP (Tetrafluorätylenhexapropylencopolymer) verwendet, wobei eine Seite davon durch chemisches Ätzen zum Zwecke des guten Klebens aufgerauht ist, und als zweite Schicht 82, die der Seite des Elektrolyten zugewandt ist, ein 15 μίτι dicker, harter Vinylchloridfilm verwendet. Zur Bildung der laminatartigen Membran 8 werden die erste Schicht 81 und die zweite Schicht 82 durch bekannte Polyamid-Heißkleber unter Verwendung bekannter Vorrichtungen verbunden. Die Membran weist zufriedenstellende Eigenschaften auf, wie im nachfolgenden anhand der Tabelle 2 gezeigt wird.

Vergleich zwischen Membranen bei der vorliegenden Vorrichtung und Membranen bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik

Art der Membran

Korrelations-Jcoeffizient Stabilität

95% Reaktionszeit

1) Laminatartiger FUm aus 97% 25 μπι FEP und 15 um hartem Vinylchlorid

2) Einzelner Beschichtungsiilm aus 66% 25 μπα FEP (Stand der Technik)

3) Einzelner Beschichtungsfllm aus 68% 50 μπι FEP (Stand der Technik)

Stabilität in der Anfangsstufe, nach 30 see

einem Ablauf der Zeit und nach Wiederholung mit Yeränderter Sauerstoffkonzentration ist zufriedenstellend

Stabilität in der Anfangsstufe und 25 see

nach Ablauf der Zeit sind annehmbar

desgi. 44 see

Fortsetzung

ArI der Membran

korrclationskoefrizicnl

Stabilität

95% Reaktionszeil

4) Einzelner Beschichtungsfilm aus 92%
15μπι hartem Vinylchlorid

5) Eih/elner Beschichtungsfilm aus 95%
25 μηί hartem Vinylchlorid

Stabilität nach einem Ablauf der Zeit 30 see
ist nicht gut, wird durch Feuchtigkeit
beeinflußt

desgL 52 see

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, weist die laminatartige Membran einen hohen Korrelationskoeffizienten im Vergleich zu den Filmen nach dem Stand der Technik is auf. Darüber hinaus hat die laminaiartige Membran eine außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit. Außerdem wird eine Reaktionszeit von 30 see erreicht, die gleich derjenigen des harten Vinylchlorides ist (siehe Posten Nr. 4 der Tabelle 2^; und dsr Reaktionszeit dsr zweiten Schicht 82 entspricht.

Beispiel 2

Zur Bildung einer laminatartigen Membran 8 wird als erste Schicht 81, die sich auf der Seite befindet, die der Hautoberfläche zugewandt ist, ein 25 μίτι dicker Film aus FEP verwendet, wobei dessen beide Seiten durch chemische Ätzung zum Zwecke der besseren Verbindung aufgerauht sind, und als zweite Schicht 82 auf der Eiektrolytseite ein Vinylchloridfilm der unten angegebenen Dicke verwendet. Die erste Schicht 81 und die zweite Schicht 82 werden durch bekannte Polyamid-Heißkleber unter Verwendung bekannter Vorrichtungen verbunden. Es wurden zwei Versuche di ^rchgeführt, wobei der Film 82 aus Vinylidenchlorid einmal die Dicke von 6 μιτι und einmal 12 μιτι aufwies.

Beispiel 3

In diesem Reisniej wirH die ianunatarii^e Membran durch Auftragen einer Vinylidenchlorid enthaltenden Lösung auf den 25 μήτ dicken FEP-FiIm erzeugt, wobei Lösungsmittel zur Bildung einer Vinylidenchloridbeschichtung von 5 μιη bis 10 μιτι verdampft wird.

Die Membranen nach den Beispielen 2 und 3 zeigen hohe Korrelationskoeffizienten, die nicht mit einem einzelnen Beschichtungsfilm aus FEP erreicht werden können, und eine außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit, die mit einem einzigen Film aus Vinylidenchlorid nicht erreichbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 130 253/405

Claims

ti ι ι

Patentansprüche:

t. Vorrichtung zur transkutanen Messung des Sauerstoffpartialdrucks im arteriellen Blut, mit