SENSOR, ESPECIALLY FOR THE DETERMINATION OF THE PARTIAL PRESSURE OF DISSOLVED GASES

Abstract: 1. A measured value pick-up in particular for the determination of the partial pressure of dissolved gases, e.g. a transcutaneous oxygen electrode, consisting of a carrier member (1) for at least one noble metal wire serving as a measuring electrode (7) and an annular reference electrode (4), the measuring electrode (7) being arranged in the opening (6) of the annular reference electrode (4), and for an element (8) for heating the measured value pick-up, the element (8) at the same time fulfilling the function of a heater and of a temperature sensor, characterized in that the annular reference electrode (4) is of a special pot-shape with the opening (6) in the base of the pot, the element (8) for heating the measured value receiver is directly arranged on the base of the pot-shaped reference electrode (4) around the opening (6).

Description: Messwertaufnehmer, insbesondere zur Bestimmung des Partialdruckes von gelösten Gasen Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwertaufnehmer, insbesondere zur Bestimmung des Partialdruckes von gelösten Gasen, z.B. transkutane Sauerstoffelektrode, bestehend aus einem Trägerteil für wenigstens eine Messelektrode und eine Referenzelektrode sowie eine Heizeinrichtung zum Beheizen des Messwertaufnehmers. Es sind Elektrodenanordnungen bekannt, mit denen elektrochemisch der Partialdruck von gelösten Gasen bestimmt wird, beispielsweise der Sauerstoff-Partialdruck mit einem polarographischen Verfahren. Soll nun mit einer solchen Elektrodenanordnung der Sauerstoff Parti21druck tianskutan, also durch die Hautoberfläche eines bebewesens hindurch, gemessen werden, so muss die Haut zur Messung aktiv hyperämisiert werden. Dazu wird im allgemeinen der Nesswertaufnehmer auf eine gegenüber Körpertemperatur erhöhte Temperatur beheizt. Aus der DE-OS 21 45 400 ist eine Anordnung für derartige transkutane Messungen bekannt. Bei dieser wird als Messelektrode (Kathode) ein massiver Kupferblock verwendet, der stirnseitig mit Platin beschichtet ist und um den eine ringförmige Bezugselektrode (Anode) aus Silber angeordnet ist. Kathode und Anode sind mit einem Elektrolytfilm bedeckt und gemeinsam mit einer Membran überzogen, die als Auflagefläche der gesamten Anordnung auf der Haut anliegt. Die Kathode steht dabei in thermischem Kontakt mit einem Temperaturfühler und einer Heizeinrichtung, mittels der die Messelektrode auf eine gegen über Körpertemperatur höhere Temperatur. zwecks Hyperämisierung der Haut aufgeheizt wird. Eine solche Anordnung, in der Heiz- und Temperaturelement separat angeordnet sind, ist mechanisch und elektrisch aufwendig. Jedes im Aufnehmer angeordnete Element benötigt separate Zuleitungen, wodurch erfahrungsgemäss die Störanfälligkeit der Verbindung zwischen Abnehmer und zu gehörige Betriebsgerät erhöht wird. Weiterhin müssen für Heiz- und Temperaturelement Massnahmen für einen besonders guten Wärmeübergang zur Messfläche geschaffen werden.Ferner kann es durch die Beschränkung der Heizung auf die Kathode zur Ausbildung von Temperaturgradienten innerhalb der polarographischen Messzelle kommen. Weiterhin ist aus der DE-AS 26 40 987 eine transkutane Sauerstoffelektrode bekannt, bei der die Beheizung der Haut auf eine erhöhte Temperatur durch eine den Elektroden vorgeschaltete Heizscheibe mit Gasöffnungen erreicht wird. Hierbei wird die Haut unmittelbar bcheizt und es geht nur wenig Heizleistung durch Märmc- leitung verloren. Allerdings ist eine Stabilisierung einer solchen Heizscheibe mit Gasdurchtrittsöffnungen auf konstante Temperatur, die für eine zuverncssize transkutane Messung notwendig ist, problematisch. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Messwertaufnehmer der eingangs genannten Art zu schaffen, der einfach aufgebaut ist, eine hohe Messstabilität aufweist und dessen Messfläche problemlos auf konstante Temperatur beheizbar ist. Die Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine der Elektroden, vorzugsweise die Referenzelektrode, topfförmig mit wenigstens einer Öffnung zur Aufnahme wenigstens einer darin angeordneten anderen Elektrode, vorzugsweise Messelektrode, ausgebildet ist, und dass unmittelbar auf dem Boden des Topfes ein Element angeordnet ist, das gleichzeitig die Funktion einer Heizung und eines Temperaturfühlers erfüllt.lnbe- vorzugter Ausbildung der Erfindung ist die Messelektrode Kathode und die Referenzelektrode Anode einer polarographischen Messzelle. Dabei weist die topfförmige Elektrode vorzugsweise eine kreisförmige Grundfläche mit zentraler Öffnung auf. Das Element zur Heizung und Temperaturmessung ist als eine temperaturabhängige Widerstandsstrecke ausgebildet. Durch einen solchen Aufbau eines Messwertaufnehmers wird der Wärmeübergang vom Heizelement zur Messfläche optimiert und in der gesamten Messzelle eine konstante, messbare Temperatur erreicht. Es ergeben sich so auch über längere Zeiten stabile Verhältnisse, so dass ein solcher Messwertaufnehmer mit reproduzierbaren Messwerten zur Langzeitüberwachung verwendet werden kann. Der Messwertaufnehmer nach der Erfindung ist also sowohl hinsichtlich seines Aufbaus als auch bezüglich seiner Handhabung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Aufnehmern wesentlich vereinfacht. Eine separa te Temperaturmessung mittels Thermoelement, Thermistor od.dgl. ist bei Verwendung der beheizbaren Widerstandsstrecke nicht mehr notwendig. Als Widerstandsstrecke wird vorzugsweise ein Metalldraht mit einem Widerstand von etwa 100 Ohm gewählt. Bei Verwendung von beispielsweise Platin beträgt die relative Widerstandsänderung mit der Temperatur im Anwendungsbereich 3,85. 10 3 pro Grad. Der Absolutwiderstand der Wider standsstrecke gibt gleichzeitig die am Messwertaufnehmer vorliegende Temperatur an. Durch Messung des Widerstandes des Heizelementes und Vergleich mit einem Sollwert kann also eine Regelgrösse für die Heizspannungsversorgung abgeleitet werden. Der Messwertaufnehmer nach der Erfindung hat in bevorzugter Ausgestaltung um den eigentlichen Elektrodenteil ein volumenmässig wesentlich grösseres Trägerteil, das applikationsseitig als ringförmige ebene Auflagefläche ausgebildet ist. Der in diesem Ring zentrisch angeordnete Anodentopf weist eine zentrale Ausnehmung auf, in der sich die Kathode befindet. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Anodentopf gegen über der ebenen Ringfläche konvex auszubilden. Wird der Aufnehmer zur transkutanen Sauerstoffmessung verwendet, so wird vor der Messung unter Einschluss eines Elektrolyten eine sauerstoffdurchlässige Membran auf der Elektrodenfläche fixiert. Verwendet man eine Klebevorrichtung mit beidseitigen Klebeflächen, in die die sauerstoffdurchlässige Membran eingelegt bzw. eingeklebt ist, so lässt sich eine solche Membran gleichzeitig mit Anbringen der Klebehalterung fixieren. Durch die konvexe Ausbildung der Anodenfläche ergibt sich dabei eine erwünschte Vorspannung der formelastischen Mcmbran. Der Messwertaufnehmer wird so zu einer polaro graphischen Messzelle komplettiert. Besonders vorteilhaft erweist sich dabei auch bei Verwendung des Messwertaufnehmers, dass für den gemeinsamen Betrieb von polarographischer Messzelle und temperaturgeregelter Widerstandsstrecke nur noch drei Zuleitungen für den Anschluss an ein entsprechend ausgelegtes Betriebsgerät notwendig sind. Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Kombination mit den weiteren Unteransprüchen. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt eines kompletten, appli zierten Messwertaufnehmers nach der Erfindung und Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf den Aufnehmer nach Fig. 1. Fig. 3 eine schematische Aufsicht auf die zugehöri ge Klebehalterung mit sauerstoffdurchlässi gar Membran und Fig. 4 eine in den Messwertaufnehmer einsetzbare Heizscheibe in vergrösserter Darstellung. In der Fig. 1 ist mit 1 das Trägerteil eines Messwertaufnehmers bezeichnet, der auf der Hautoberfläche 20 eines Patienten als Messort für eine transkutane Sauer stoffmesslmg aufgesetzt und fixiert ist. Das Träger- teil 1 ist als flache zylindrische Scheibe ausgebildet und hat einen Anschluss 2 mit gleichzeitiger Zugentlastung für elektrische Leitungen. Das Trägerteil 1 besteht aus gut wärmeisolierenden Kunststoffmaterialien, beispielsweise Epoxydharz. Zur Applikationsseite hin hat das Trägerteil 1 eine ringförmige Auflagefläche 3, die eine genügende Sicherheit gegen Verkippungen, Verschiebungen od.dgl. gewährleistet. Zentral im Trägerteil 1 ist ein Hohlzylindertopf 4 als Anode eingegossen. Dieser Topf 4 besteht aus Silber und ist in geeigneter Weise ausgeformt. Die Zylinderwandung schliesst mit ihrer unteren Kante bündig mit der Ringfläche 3 des Trägerteils 1 ab. Die Grundfläche 5 des Topfes 4 ist als Teil einer Kugelfläche ausgebildet, so dass sie gegenüber der Ringfläche 3 eine konvexe Auswölbung bildet. Die konvexe Grundfläche 5 weist in der Mitte eine zentrale Ausnehmung 6 auf, in die ein Platin-Draht 7 von 20/um isoliert eingesetzt ist. Die polierte Stirnfläche schliesst bündig mit der konvexen Fläche 5 ab und bildet so die wirksame Kathode. Auf dem Boden des Anodentopfes 4 sitzt elektrisch isoliert eine Wicklung aus isoliertem Metalldraht, deren äusserer Durchmesser durch die innere Wandung des Anodentopfes 4 und deren innerer Durchmesser durch die Ausnehmung 6 vorgegeben ist. Der zwischen Anodentopf 4, Kathodendraht 7 und Heizwicklung 8 seitlich noch verbleibende Raum ist mit gut wärmeleitendem Material ausgefüllt. Oberhalb der Heizwicklung 8 wird der verblei bende Raum mit thermisch isolierendem Material ausgefüllt. Da das Material des Trägerteils 1, beispielsweise Epoxydharz, nur geringe Wärmeleitfähigkeit hat, wird also praktisch die gesamte in-der Heizwicklung 8 erzeugte Wärme zur Elektrodenfläche geleitet. Anode 4, Kathode 7 und Heizwicklung 8 sind über elektrische Zuleitungen 9 bis 12 über den Kabelanschluss 2 mit einem externen Mess- bzw. Heizspannungsversorgungsgerät verbunden. Dabei sind die Leitungen 9 bis 12 zweckmässigerweise so geschaltet, dass im Anschluss 2 nur drei Einzelleitungen zum Betriebsgerät geführt werden. Die Handhabung des Messwertaufnehmers ist dadurch besonders unempfindlich gegen Störungen. Zwischen Elektrodenmessfläche und Hautoberfläche 20 sind für die Messung ein Elektrolyt 16 sowie eine sauerstoffdurchlässige Membran 13 angeordnet. Zwischen ringförmigem Trägerteil 1 und Haut 20 befindet sich noch zur Langzeitfixierung des gesamten Messwertaufnehmers am Messort eine Klebehalterung 14 mit Klebefolien 15 und 17 sowie Anfasslaschen 18 und 19. Durch die konvexe Auswölbung der Anodenunterfläche 5 wird beim Aufbringen der sauerstoffdurchlässigen Membran 13 und Fixieren mittels Klebehalterung 14 gleichzeitig eine gewisse Vorspannung der formelastischen Membran 13 erzielt. Dadurch ist in einfacher Weise gewährleistet, dass keine Luftblasen im Elektrolyten zwischen Elektrodenunterfläche 5 und Membran 13 verbleiben können. Die Figuren 2 und 3 verdeutlichen den konzentrischen Aufbau der einzelnen Teile des erfindungsgemässen Aufnehmers und zugehöriger Klebehalterung zum Fixieren des Aufnehmers am Messort. Das Trägerteil 1 mit seiner ebenen Ringfläche und Kabelanschluss 2 umschliesst die Anodenfläche 5 mit zentraler Ausnehmung 6. In der Aus nellmung 6 ist punktförmig die wirksame Kathodenfläche 7 angeordnet. Die zugehörige Klebehaltcrung 14 nach Fig. 3 besteht zur zwei aufeinanderLiegerlden Kleberingen (nicht sicht- bar) mit Anfasslaschen 15 Z\#SC1j#h riemen äie sauer stoffdurchlässige Membran 13 eingelassen ist. In Fig. 3 ist die Klebehalterung 14 durch ein nicht klebendes Abdeckpapier 21, das gleichermassen die Anfasslasche 19 umfasst, abgedeckt. Im Ausführungsbeispiel wird als heizbares Widerstandselement vorzugsweise eine Platindrahtwicklung verwendet, die einen Gesamtwiderstand von etwa 100 Ohm aufweisen soll. Ein Wert dieser Grössenordnung hat sich bei Untersuchungen als zweckmässig erwiesen, da einerseits die bei Temperaturänderungen auftretenden Widerstandsänderungen noch mit guter Auflösung erfasst werden können und andererseits die zur Beheizung der Widerstandsstrecke notwendigen Versorgungsspànnungen bzw. -ströme in einer solchen Grössenordnung liegen, wie sie durch üblicherweise verwendete Bauelemente sowie Vorschriften für biomedizinische Abnehmer vorgegeben sind. Bei einem Widerstandstemperaturkoeffizienten von 3,85 ¯ 10 beträgt dann die Widerstandsänderung etwa 0,4 Ohm und der zur Temperierung des auf der Haut applizierten Abnehmers auf 420C notwendige Strom etwa 20 bis 100 mA. Statt Platin können natürlich ebensogut Anordnungen aus anderen Materialien mit geeigneten Widerständen und Temperaturkoeffizienten, beispielsweise Kupfer oder Nickel, als Heizelemente verwendet werden. So können in weiterer Ausbildung der Erfindung als Heizeinrichtung auch Widerstandselemente in Schichttechnologie benutzt werden. Solche Widerstandselemente bestehen beispielsweise aus auf einem Substrat durch Aufdampfen, elektrolytische Abscheidung od.dgl. aufgebrachten Nickelschichten. Diese Elemente können wegen ihrer besonders flachen Bauweise unmittelbar mit dem Anodentopf in thermischen Kontakt gebracht werden. In Fig. 4 ist ein Substrat mit 30 und eine darauf aufgebrachte Nickelschicht mit 31 bezeichnet. Die als Heizwiderstand wirkende Nickelschicht 31 ist in geeigneter Weise dabei als Mäanderband ausgebildet. Durch Vorgabe definierter Geometrie und Schichtdicke lassen sich Widerstände in gewünschter Grossenordnung herstellen. Auch solche Widerstandselemente in Schichttechnologie lassen sich in geeigneter Weise gleichermassen als Heizung und Temperaturmessfühler verwenden.

Claims: Patentansprüche 1. Messwertaufnehmer, Insbesondere zur Bestimmung des Partialdruckes von gelösten Gasen, z.B. transkutane Sauerstoffelektrode, bestehend aus einem Trägerteil für wenigstens eine Messelektrode und eine Referenz- elektrode sowie eine Heizeinrichtung zum Beheizen des Messwertaufnehmers, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine der Elektroden, vorzugsweise die Referenzelektrode (4), topfförmig mit wenigstens einer Öffnung (6) zur Aufnahme wenigstens einer darin angeordneten anderen Elektrode (7), vorzugsweise Messelektrode, ausgebildet ist, und dass unmittelbar auf dem Boden des Topfes (4) ein Element (8) angeordnet ist, das gleichzeitig die Funktion einer Heizung und eines Temperaturfühlers erfüllt. 2. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelektrode (7) Kathode und die Referenzelektrode (4) Anode einer polarographischen Messzelle ist. 3. Messwertaufnehmer nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anodenfläche (5) wenigstens 10 mal grösser ist als die wirksame Kathodenfläche. 4. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die topfförmige Elektrode (4) eine kreisförmige Grundfläche (5) mit zentraler Öffnung (6) aufweist. 5. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,¯, dass die Kathode (7) durch die Stirnfläche eines Edelmetall drahtes, vorzugsweise aus Gold oder Platin, von weniger als 100/um Durchmesser gebildet ist. 6. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Element (8) eine temperaturabhängige Widerstandsstrecke ist. 7. Messwertaufnehmer nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Widerstandsstrecke einen elektrischen Widerstand in der Grössenordnung von 100 Ohm aufweist. 8. Messwertaufnehmer nach Anspruch 6 und 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Widerstandsstrecke (8) durch eine Flachspule aus dünnem Draht, beispielsweise Kupfer, Nickel oder Platin, gebildet ist. 9. Messwertaufnehmer nach Anspruch 6 und 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Widerstandsstrecke (8) von auf einem Substrat (30) aufgebrachten Widerstandsschichten (31) gebildet ist. 10. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Trägerteil (1) eine Auflagefläche (3) für eine Klebehalterung (14) zum Fixieren des Messwertaufnehmers auf der Haut (20) des Messortes aufweist. 11. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1 und 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die topfförmige Elektrode (4) mit ihrem äusseren Boden (5) konvex zur Auflagefläche (3) des Trägerteils (1) ausgebildet ist. 12. Messwertaufnehmer nach Anspruch 8 und 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Auflagefläche (3) ringförmig um die Bodenfläche (5) der topfförmigen Elektrode (6) verläuft. 13. Verwendung eines Messwertaufnehmers nach Anspruch 1 bis 11, zur transkutanen Sauerstoffmessung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine sauerstoffdurchlässige Membran (13) unter Einschluss eines Elektrolyten (16) dicht mit Vorspannung auf der durch die Elektroden (4, 7) gebildeten Messfläche fixiert wird, so dass sich aus Elektroden (4,7), Elek trolyt (16) und Membran (13) eine komplette polarographische Messzelle ergibt.

Inventors: REICHENBERGER, HELMUT, DR. DIPL.-PHYS., ZACHMANN, WILFRIED
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1979
Main classification: A61B5
IPC codes: G01N27, A61B5