Транскутанний електрохімічний датчик парціального тиску кисню в крові

1 Транскутанний елеісгрохімічний датчик парціального тиску кисню в крові, до складу якого входять розміщений на осі датчика платиновий катод та коаксіально розташований срібний анод, відокремлений від катода електричною ІЗОЛЯЦІЄЮ, газопроникна мембрана, яка накриває катод і торцеву ділянку поверхні анода, закріплена гумовими кільцями на корпусі датчика, нагрівник та датчик температури, який відрізняється тим, що срібний анод конструктивно виконано як торцеву частину срібного корпусу датчика, на якій передбачено кільцеву канавку для електроліту, на боковій поверхні срібного корпусу виконана принаймні одна канавка для закріплення мембрани гумовими кільцями, а датчик температури має безпосередній тепловий контакт з приосьовою частиною анода 2 Датчик за п 1, який відрізняється тим, що електрична ІЗОЛЯЦІЯ складається з шару скла, який нанесено безпосередньо на бічну поверхню платинового катода, та композиційного матеріалу на основі фотополімеру та наповнювача у вигляді порошку скла, що заповнює проміжок між анодом та катодом 3 Датчик за пп 1, 2, який відрізняється тим, що композиційний матеріал містить до 80 % масових порошку скла Винахід стосується медичної техніки, а саме пристроїв для діагностики та контролю стану пацієнтів у процесі лікування шляхом визначення парціального тиску кисню в кров транскутанним методом Прилади, основною складовою частиною яких є електрохімічні амперметричні датчики, широко застосовуються практично в усіх галузях медицини Відомий датчик для визначення парціального тиску кисню в крові описаний в патенті США №5007424 (16 05 1991) Він містить корпус, виготовлений з електроізоляційного матеріалу, на торцевій поверхні якого розміщені катод, анод та електрод порівняння, виготовлений з такого ж благородного металу як і катод, резервуар для електроліту, газопроникну мембрану, закріплену гумовими кільцями, термостат, розташований всередині корпусу Недоліком такого датчика є наявність порівняльного електроду, що ускладнює прилад, а також неефективне прогрівання шкіри, що є наслідком використання корпусу з електроізоляційного матеріалу, який має невисоку теплопровідність Крім того, оскільки місця з'єднання електродів з корпусом контактують з агресивним електролітом, то надійність такого датчика в цілому невисока Вказані недоліки частково усунуті в датчику для транскутанного вимірювання парціального тиску кисню в крові живих організмів (патент України №2057484, 10 04 96), який за функціональними та конструктивними ознаками є найближчим аналогом винаходу Цей датчик містить розташовані на торцевій поверхні корпуса датчика катод і анод, причому розміщений в центрі платиновий катод відокремлений електричною ІЗОЛЯЦІЄЮ від розміщеного навколо нього анода, резервуар для електроліту, газопроникну мембрану, закріплену гумовими кільцями, термостат, розташований всередині датчика Цей датчик має ряд недоліків, а саме - недостатню експлуатаційну надійність та стабільність роботи із-за наявності клеєвих з'єднань між срібним анодом та корпусом датчика, корпусом датчика та катодом, які контактують з агресивним електролітом і є найменш надійними в процесі експлуатації датчиків, - нерівномірне та повільне розігрівання шкіри при використанні корпусу з ІЗОЛЯЦІЙНОГО матеріалу, що вносить додаткову похибку вимірювань парціального тиску кисню артеріальної крові о> 00 ю 58119 Задачею даного винаходу є зменшення похибки вимірювання парціального тиску в крові, підвищення надійності та стабільності роботи датчика Розв'язання цієї задачі досягається тим, що в транскутанному електрохімічному датчику парціального тиску кисню в крові, до складу якого входять розміщений на осі датчика платиновий катод та коаксіальне розташований срібний анод, відокремлений від катоду електричною ІЗОЛЯЦІЄЮ, газопроникна мембрана, яка накриває катод і торцеву ділянку поверхні анода, закріплена гумовими кільцями на корпусі датчика, нагрівник та датчик температури, при цьому срібний анод конструктивно виконано як торцеву частину срібного корпуса датчика, на якій передбачено кільцеву канавку для електроліту, на боковій поверхні срібного корпуса виконано принаймні одна канавка для закріплення мембрани гумовими кільцями, а датчик температури має безпосередній тепловий контакт з при осьовою частиною анода Крім того електрична ІЗОЛЯЦІЯ складається з шару скла, який нанесено безпосередньо на бічну поверхню платинового катоду, та композиційного матеріалу на основі фотополімерута наповнювача у вигляді порошку скла, що заповнює проміжок між анодом та катодом При цьому композиційний матеріал може містить до 80% масових порошку скла Суть винаходу полягає в тому, що конструктивне виконання аноду як торцевої частини срібного корпусу значно збільшує співвідношення катодної та анодної площ порівняно з найближчим аналогом, що зменшує похибку вимірювання парціального тиску кисню Оскільки анод має практично постійний потенціал при протіканні струму, який генерується в широкому діапазоні концентрацій кисню, це дає йому можливість виконувати функції допоміжного та порівняльного електродів За рахунок високої теплопровідності срібного корпусу підвищується швидкість і покращується однорідність розігріву шкіри, що додатково зменшує похибки вимірювання парціального тиску кисню В запропонованому датчику усунуто клеєве з'єднання між анодом і корпусом датчика, оскільки срібний анод одночасно є несучим корпусом датчика Також усунуто клеєве з'єднання між катодом та корпусом, який в запропонованій конструкції датчика є срібним анодом В свою чергу електрична ІЗОЛЯЦІЯ, ЯКОЮ електричне розділені катод та анод, одночасно механічно фіксує катод на осі анода, її виконання у вигляді шару скла, що покриває катод, з близьким до платини коефіцієнтом температурного розширення, та шару композиційного матеріалу на основі скла та фотополімеру і наповнювача у вигляді порошку скла, що заповнює кільцевий проміжок між анодом та катодом, забезпечує пластичність і запобігає розтріскуванню скла при механічних ударах, а також узгоджує коефіцієнти температурного розширення матеріалів, що запобігає розтріскуванню скла при змінах температури, підвищує надійність конструкції датчика і стабільність його роботи Запропонована конструкція датчика, зокрема виконання кільцевої канавки для електроліту на торцевій ДІЛЯНЦІ срібного корпуса, накритої мембраною, забезпечує підвищення експлуатаційної надійності за рахунок усунення безпосереднього контакту агресивного електроліту з іншими матеріалами окрім срібла катоду і матеріалу мембрани, а тим більше зі стиками інших матеріалів, використаних в конструкції датчика Суть винаходу пояснюється Фіг 1, на якій представлена схема електрохімічного датчика парціального тиску кисню Транскутанний електрохімічний датчик парціального тиску кисню в крові має основу 1 та механічно з'єднаний з нею срібний анод 2, який одночасно виконує функцію несучого корпуса датчика На осі датчика встановлено платиновий катод 3 Анод 2 та катод 3 відділені між собою електричною ІЗОЛЯЦІЄЮ, яка складається з шару скла 4, який нанесено безпосередньо на платиновий катод, та шару композиційного матеріалу 5 на основі фотополімеру з наповнювачем у вигляді порошку скла, що заповнює проміжок між анодом та катодом, причому фотополімер може містити до 80 % порошку скла На торцевій частині срібного корпуса датчика виконано кільцеву канавку 6 призначену для заповнення електролітом, і закриту газопроникною поліпропіленовою мембраною 7, яка відмежовує електроди від середовища, аналіз якого здійснюється Гумові кільця 8 закріплюють газопроникну мембрану 7 на аноді 2 Датчик температури 9 має безпосередній тепловий контакт з приосьовою частиною анода 2, а нагрівник 10 - з внутрішньою поверхнею торцевої ділянки анода 2 Струмовідводи 11 призначені для з'єднання анода 2, катода 3, датчика температури 9 та нагрівника 10 з діагностичним приладом (не показано на Фіг 1) Для вимірювання парціального тиску кисню датчик закріплюють на шкірі пацієнта За допомогою нагрівника 10 срібний анод 2 та шкіру в зоні контакту нагрівають до температури (42-ь44) С , підтримують цю температуру в процесі вимірювання пристроєм термостабілізацм розташованим в діагностичному приладі, до якого приєднано вихід датчика температури 9 Кисень артеріальної крові дифундує послідовно через стінки капілярів, безсудинний епідерміс, роговий шар, мембрану датчика 1, електроліт, що заповнює канавку 6, та потрапляє на катод 3, де, в результаті відновлення кисню до ІОНІВ гідроксилу, виникає електричний струм ВІДПОВІДНИЙ електричний сигнал надходить до діагностичного приладу, який після обробки дає відповідне значення парціального тиску кисню Важливою перевагою розробленої конструкції датчика кисню є більш рівномірне прогрівання шкіри при визначенні кисню транскутанним методом, що забезпечує більшу достовірність виміряного значення парціального тиску кисню в крові На Фіг 2 представлені результати розрахунків розподілу теплового поля для датчика з вклеєним анодом (найближчий аналог) Ліни ізотерм проведені через 0,5 градуса При розрахунках температура тканини на "нескінченній" глибині приймалася рівною 37°С, температура поверхні 58119 шкіри під нагрівачем-44°С, коефіцієнт теплопровідності шкіри та тканини приймався постійним 3 Фіг 2 видно, що на платиновому катоді встановлюється температура лише 41,5°С, а розподіл температури в робочій області датчика нерівномірний, що може привести до локального перегріву шкіри В конструкції, що заявляється відстань між срібним анодом та платиновим катодом зменшена майже ВДВІЧІ, збільшено поверхню срібного аноду, яка знаходиться в тепловому контакті з шкірою, що з врахуванням високої теплопровідності срібла забезпечує рівномірне прогрівання шкіри Похибку вимірювання парціального тиску кисню в артеріальній крові можна розділити на дві складові - відносна похибка вимірювання парціального тиску кисню самого датчика, зумовлена матеріалом складових датчика, точністю задания потенціалів, складом електроліту, конструктивними особливостями, - відносна похибка вимірювання парціального тиску кисню, зумовлена процесами, які протікають безпосередньо в шкірі пацієнта, в основному співвідношенням швидкостей доставки кисню до датчика та споживанням кисню тканинами, які в свою чергу в значній мірі залежать від температури Визначення відносної похибки вимірювання парціального тиску кисню самого датчика проводилося по атестованим повірочними газовим сумішам (ПГС) у ВІДПОВІДНОСТІ ДО ГОСТ13329-81 Визначення похибки вимірювання парціального тиску кисню артеріальної крові проводилося порівнянням значень одержаних транскутанним методом та інвазивним на приладі AVL фірми Radiometer Стабільність роботи датчиків визначалася, як відсоток (%) відхилення показників парціального тиску кисню датчиків від початкових через 8 годин роботи Для оцінки надійності роботи датчиків, пов'язаної зі СТІЙКІСТЮ клейових швів визначали як відсоток (%) виходу придатних для роботи датчиків після прискорених випробувань на протікання, в ході яких використовували модельні зразки вузлів склеювання, електроліти (рН>12), фенолфталеїн (індикатор протікання) Технічні характеристики датчика парціального тиску кисню артеріальної крові, що пропонується, та прототипу представлені в Таблиці 1 Датчик парціального тиску кисню артеріальної крові, що пропонується, порівняно з об'єктомпрототипом має наступні переваги Використання суцільного срібного аноду усуває необхідність використання клеєвих швів, що підвищує надійність та ДОВГОВІЧНІСТЬ роботи датчика, приводить до зменшення відносної похибки вимірювання парціального тиску кисню в ПГС та покращення стабільності роботи датчика Крім того, така конструкція та запропонований склад композиційного матеріалу забезпечують високий вихід придатних для роботи датчиків, тобто зменшують їх вартість Збільшення співвідношення катодної та анодної площ приводить до зменшення відносної похибки вимірювань парціального тиску кисню Важливою перевагою розробленої конструкції датчика кисню є більш рівномірне прогрівання шкіри при визначенні кисню транскутанним методом, що приводить до зменшення відносної похибки вимірювання парціального тиску кисню артеріальної крові Таблиця 1 Об'єкт Датчик парціального тиску кисню артеріальної крові за винаходом Датчик парціальноготиску кисню артеріальноікрові запрототипом Відносна похибка вимірювання парціального тиску кисню в ПГС,% Відносна похибка вимірюВихід при- Відхилення вихідного вання парціальноготиску датних дат- сигналу датчиків за 8 кисню артеріальної крові, чиків, % годин роботи, % % 1 7 90 1,5 2 10 40 4,5 58119 Комп'ютерна верстка Н Лисенко Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна