專利名稱：用于體內(nèi)或離體測量活組織二氧化碳分壓的電化學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生理傳感器，特別是針對二氧化碳分壓(pCO2)，例如體內(nèi)或離體，例如在身體組織或器官的表面之中或之上。
局部缺血是用來描述器官供血不足的醫(yī)學(xué)術(shù)語。如果嚴重的話，它能導(dǎo)致受影響組織的死亡(梗塞)。可以提供傳感器用來測量組織pCO2，pCO2是在局部缺血的早期和可逆階段期間顯著增加的參數(shù)。這種傳感器優(yōu)選提供通過實時數(shù)據(jù)來鑒別組織缺血事件發(fā)生的能力。
局部缺血是在西方世界中引起死亡的最普遍的原因。因此，例如心肌梗塞、腦梗塞和以一或多個器官低灌注為特征的其它病況是致死的主要因素。
如果及時檢測到局部缺血，再灌注，也即組織缺血的逆轉(zhuǎn)，經(jīng)常是可能的。因此，局部缺血的早期檢測，之后接適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)治療(例如使用試劑比如鏈激酶、尿激酶或t-PA來溶解血栓或栓塞)或外科介入能夠挽救受影響的器官以及患者的生命。
盡管使用心電圖儀(ECG)可以連續(xù)監(jiān)測心臟的局部缺血，但是在檢測到任何癥狀之前，其它器官可能已經(jīng)嚴重局部缺血并遭受不可逆的損傷。事實上，當(dāng)其局部缺血時，很多器官是“沉默的”。沉默的心肌梗塞現(xiàn)象現(xiàn)在被廣泛認可。此外，在器官損傷不可逆之前，肝和腎的嚴重局部缺血可以是沒有任何警報癥狀的。
已經(jīng)知道在器官表面中或上的pCO2和該器官中存在局部缺血之間具有顯著的相關(guān)性。在組織代謝性酸中毒期間，例如在任何器官或組織局部缺血時發(fā)生的厭氧代謝期間，形成大量的二氧化碳。CO2實際上可自由滲透細胞膜，并且因為缺乏轉(zhuǎn)運出CO2的缺血血流或其受到限制，在局部缺血組織中將出現(xiàn)CO2積累并且在局部缺血組織中或上的pCO2將增加。通常在健康身體中，血液(靜脈血)中最大pCO2是7-10kPa并且在健康(需氧)組織中最大pCO2大約高出1-6kPa，盡管不同器官之間該最大值可以變化，例如腎為8-12kPa、肝為7-11kPa、腸漿膜(intestinal serosa)為8-12kPa、和腸粘膜為12-19kPa。在氧供應(yīng)下降到低于臨界氧遞送水平的地方，組織中測量的pCO2值可以升高3-10倍并且升高的pCO2水平是厭氧代謝的明確指征，并且如果合適，也是局部缺血的明確指征。
一種特別適于pCO2測量的簡單傳感器，特別是作為監(jiān)測局部缺血技術(shù)的一部分，被描述于WO 00/004386。
該傳感器包含至少部分的以基本不透水的二氧化碳滲透膜為界限的封閉室。該室含有至少兩個電極和膜狀基本無電解質(zhì)的液體，比如去離子水。該液體與所述膜和兩個電極接觸，以致于跨膜二氧化碳增加所述液體中碳酸氫根離子的濃度并因而增加所述液體的傳導(dǎo)性。
本發(fā)明人已經(jīng)確認，在一些情況下，如果有足夠大的跨膜滲透壓梯度存在，即使是基本不透水的膜也可以允許流體的跨膜轉(zhuǎn)運。例如，如果在體內(nèi)使用傳感器，身體和室中液體之間摩爾滲透壓濃度(osmolality)的差異可以引起足夠大的跨膜滲透壓從而引起水跨越膜。因為室中的碳酸氫根離子濃度將受影響，這是不期望的。
本發(fā)明試圖尋求解決這個新近被確認的問題。
從第一方面看，本發(fā)明提供一種測量pCO2的生理感應(yīng)裝置，該裝置包含至少部分的以二氧化碳滲透膜為界限的封閉室；和所述室內(nèi)的至少兩個電極，其中所述室含有與所述電極和膜接觸的基本不含電解質(zhì)的液體和其中所述液體含有非離子賦形劑。
因此，根據(jù)本發(fā)明，所述室中的液體含有非離子賦形劑。如此，能夠增加室中液體的摩爾滲透壓濃度從而防止液體跨越膜流出，而不影響液體的電特性。
所述賦形劑應(yīng)該至少有等滲透壓的濃度，即應(yīng)該與0.9％w/v NaCl的水溶液是等滲透壓的。因此，所述室中賦形劑的摩爾滲透壓濃度可以大于0.9％w/v NaCl水溶液，優(yōu)選大于1.8％w/v NaCl水溶液的摩爾滲透壓濃度(兩倍等滲透壓濃度)。大于4.5％w/v NaCl水溶液(5倍等滲壓濃度)或甚至大于9％w/v NaCl水溶液(10倍等滲壓濃度)的摩爾滲透壓濃度也可以使用。
可以應(yīng)用任何合適的賦形劑，其被加到所述室中的碳酸氫鹽反應(yīng)中。賦形劑也應(yīng)該在液體中例如水中是可溶的。也期望賦形劑是制藥可接受的賦形劑，用于靜脈內(nèi)使用并具有簡單填充所述室的低粘度。賦形劑應(yīng)該優(yōu)選是能滅菌的和保存穩(wěn)定的。理想的是，所述賦形劑可以抑制微生物的生長。
合適的賦形劑是聚乙二醇(PEG)和當(dāng)前優(yōu)選的賦形劑是丙二醇。
基本無電解質(zhì)，意思是指所述液體的離子摩爾滲透壓濃度不大于37℃下5mM氯化鈉水溶液，優(yōu)選不超過500μM氯化鈉溶液，更尤其不超過10-5-10-6M HCl溶液的離子摩爾滲透壓濃度。
優(yōu)選地，與電極接觸的液體是含水的，特別優(yōu)選是水，如上定義基本無電解質(zhì)。同樣可以使用與CO2反應(yīng)而增加或降低其電導(dǎo)率的其它溶劑，例如通過離子的產(chǎn)生或中和來增加或降低其電導(dǎo)率。然而實際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)加或不加強酸(例如HCl)至濃度為0.1-100μM、優(yōu)選0.5-50μM、更優(yōu)選約1μM的去離子水或蒸餾水可以特別良好的工作。這種少量添加的酸的功能通常是維持液體的pH值在6或以下，以避免羥基離子對電導(dǎo)率的顯著影響并維持pCO2測量的線性。
pCO2傳感器的主要組件是電極室、形成電極室壁至少一部分的CO2滲透膜、在所述室內(nèi)具有表面(或提供內(nèi)表面至所述室)的第一和第二電極、和在電極室中與所述膜和第一與第二電極接觸的液體(通常為基本無電解質(zhì)的水)。該傳感器包括或可連接至AC電源、電導(dǎo)(或電阻)測定裝置、信號發(fā)生器(其可以是所述測定裝置的部分)和任選的信號發(fā)射器。
使用本發(fā)明傳感器裝置確定pCO2的機制是易懂的。在純質(zhì)子溶劑中，例如水中，因為缺少離子性物質(zhì)而電阻高。CO2的加入導(dǎo)致(與水)形成H+和HCO-3離子并且由此引起電阻降低。因為唯一負責(zé)傳感器中電阻降低的因素是穿越膜的CO2，所以能通過電阻變化來測量pCO2。
從對于H2O+CO2至H++HCO-3平衡的平衡常數(shù)，CO2濃度等于αpCO2(其中α在25℃是0.310)。質(zhì)子的電導(dǎo)率是GH+＝349.8 S.cm2/mol，羥基的電導(dǎo)率是GOH-＝198.3 S.cm2/mol，和碳酸氫根的電導(dǎo)率是GHCO3-＝44.5 S.cm2/mol。H+和OH-的濃度成反比，并且H+和HCO-3的濃度與pCO2成正比。因此溶液的總電導(dǎo)與pCO2有效的成比例，因為OH-的影響是最小的。溶液的電導(dǎo)率G溶液在如下給出G溶液＝θH+[H+]GH++θOH-[OH]GOH-+θHCO3-[HCO3]GHCO3-其中θH+、θOH-和θHCO3-是三種離子性物質(zhì)的活度系數(shù)。
作為實例，下面的表1顯示測量的pCO2和pH值以及對H+、OH-和HCO3-濃度的相應(yīng)計算值，其顯示隨著pCO2增加H+和HCO3-也增加。
(用標(biāo)準(zhǔn)血氣分析儀ABLSystem 625在37℃測量pCO2和pH)在本發(fā)明傳感器中的溶劑膜中測量電導(dǎo)率。這可以如下實現(xiàn)向電極施加恒定電壓(或電流)并測量因CO2經(jīng)膜進入溶劑而引起電導(dǎo)率變化所對應(yīng)的電流(或電壓)變化。然而，優(yōu)選的是，施加具有恒定峰值的交流正弦波函數(shù)電壓并且測量跨電極的電壓降。于是溶液的電導(dǎo)率等于通過電極的電流除以跨電極的電壓降。
pCO2傳感器可以如下工作，向電極施加交流電勢從而在液體中產(chǎn)生交流電流。液體應(yīng)該可與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)從而改變其電導(dǎo)。電勢的頻率可以是20-10,000Hz，優(yōu)選100-4,000Hz。
本發(fā)明的pCO2傳感器提供有或連接至電源，該電源被安排用來施加跨電極的具有100-10,000Hz頻率的交流電勢。頻率優(yōu)選大于1kHz。頻率優(yōu)選小于5kHz，更優(yōu)選小于2kHz。在頻率低于100Hz時，由于電極化作用pCO2測定的靈敏度降低，而且儀器的響應(yīng)時間變得非常慢，而在頻率超過10kHz時，由于傳感器中電容的低阻抗使靈敏度再次變低。
電源可以是AC電源或作為替代與振蕩器連接的DC電源，即一起組成AC電源的組合。
電源優(yōu)選使得通過電極處液體的最大電流密度不超過50A/m2，優(yōu)選不超過30A/m2，更優(yōu)選不超過20A/m2，尤其是不超過10A/m2，和最優(yōu)選約1A/m2或更小。20A/m2或更大的較高電流密度值僅在較高頻率下使用，例如1-10kHz。由檢測限確定最小的最大電流密度，但是該值下降到10-8A/m2是可使用的。然而最小的最大電流密度通常是至少0.1μA/m2。
通過在此電流密度和電壓頻率下操作，和通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，該傳感器能夠測定液體的電導(dǎo)/電阻，CO2遷移入該液體中而沒有引起任何由于電極的電極化而導(dǎo)致的準(zhǔn)確度的明顯喪失。
對于特別高的準(zhǔn)確度，使用與電壓發(fā)生器或電源設(shè)定相同頻率的鎖定放大器測定跨電極的電勢或電流(并由此電極之間液體的電阻或電導(dǎo))。
而且優(yōu)選在檢測中整合高通濾波器以篩選出頻率小于100Hz的電流，優(yōu)選小于150Hz。該濾波器優(yōu)選無源濾波器，例如電容器和電阻器。
如果期望，本發(fā)明的傳感器可以包括電源和檢測器電路。在此情況下，如果期望傳感器是無線的，也將優(yōu)選配備能遙測信號的裝置，例如發(fā)射器，例如RF發(fā)射器。以此方式，傳感器可以被植入，例如植入有風(fēng)險的患者中。
可以提供另外的電極電連接至患者，例如連接至患者的皮膚。為了抵消來自患者的電磁噪聲，來自該另外電極的信號可以與來自傳感器的信號一起處理。
通過增加電極與液體接觸的表面積可以相當(dāng)大的降低電極化的影響，例如通過將電極置于偏離膜平面的孔中或通過使用非平面電極表面，例如粗糙的或有紋的表面。因此通常期望有盡可能大比例的電極表面積與液體接觸，并且在它盡可能與膜接觸的區(qū)域上盡可能淺的液體深度。以此方式降低響應(yīng)時間，降低電極化，可以使用更低的頻率并相當(dāng)大的降低了雜散電容的影響。
通過限制經(jīng)過液體與膜接觸區(qū)域處電極之間液體的電通路的截面積，可以實現(xiàn)相對于電極處電阻的電阻增加，例如通過降低電極之間一部分通路的液體深度，和/或通過確保每個電極和液體之間相對大的接觸面積。
通過使用結(jié)構(gòu)元件限定跨電極之間膜的液體通道，例如將膜布置成跨過形成這種通道的絕緣室壁部分或與之臨近，例如通過蝕刻，可以增加在膜處以及電極之間液體的電阻。同樣地，多孔間隔物(spacer)可以被布置在膜和室壁之間以限定液體的深度。
事實上，在使用所經(jīng)歷的壓力條件下，對于測量電導(dǎo)隨壓力變化，當(dāng)膜足夠柔性并且膜后液體深度足夠小時，使用這種間隔物是重要的。
在一個優(yōu)選方案中，傳感器包含具有縱軸的傳感器體；在傳感器體縱軸的橫向上排布的至少兩個電極；從傳感器體的軸向外延伸并限定在鄰近支持膜之間至少一個液體通道的多個支持物，所述液體通道提供電極間的流體通路；和由支持物支持并提供液體通道外壁的氣體滲透膜。
這種方案提供具有適于插入器官中的縱向幾何形狀的傳感器緊湊結(jié)構(gòu)。此外，所述支持物能夠?qū)δぬ峁┪锢碇С?，以及限定允許準(zhǔn)確測量的小截面液體通道。
為了減少上述的電極化影響，電極可以位于比液體通道具有更大橫截面的傳感器體的凹處。這樣，通過較大的液體體積降低了電極周圍的電流密度。
傳感器的電極可以縱向延伸，例如平行于傳感器體的縱軸。
相似的，液體通道可以是橫向的，例如垂直于傳感器體的縱軸。在一個優(yōu)選方案中，傳感器包括很多液體通道。例如，傳感器可以包括至少三個液體通道。
支持件可以垂直于傳感器體的縱軸。例如，支持件可以在圓周方向上垂直于傳感器體的縱軸。在一個優(yōu)選方案中，支持件是在傳感器體縱軸周圍形成的環(huán)形物。支持物的橫截面可以是任何合適的形狀?，F(xiàn)已經(jīng)特別的發(fā)現(xiàn)，通過注射成型特別容易形成具有三角形、尤其是鋸齒狀截面的支持件。作為替代，可以使用基本矩形的截面。支持件可以與傳感器體整合形成整體，例如通過注射成型。傳感器優(yōu)選包含至少四個支持件。
傳感器體和/或傳感器通?？梢允菆A柱形?？梢园才拍@傳感器體。
所述幾何形狀可以應(yīng)用于任何合適的傳感器。在優(yōu)選方案中，傳感器是pCO2傳感器。
當(dāng)用液體膜原位構(gòu)造傳感器時，電極優(yōu)選惰性材料、或用惰性材料鍍制，使得液體的電阻率在保存期間不發(fā)生明顯改變。合適的材料包括鉑(尤其是黑鉑)、金、銀、鋁和碳。尤其優(yōu)選金。通常優(yōu)選不產(chǎn)生溶劑化離子的惰性電極。
所述膜可以是允許CO2滲透的任何材料，并且該材料基本不允許液體溶劑、任何電解質(zhì)和水的滲透。可以使用聚四氟乙烯，例如Teflon、硅橡膠、聚硅氧烷、聚烯烴或其它絕緣聚合物膜，例如厚度為0.5-250μm。通常，膜越厚，傳感器的響應(yīng)時間將越慢。然而，膜越薄，不均一性的風(fēng)險或穿孔或其它損害的風(fēng)險將越大。然而方便的是，膜的厚度是1-100μm，優(yōu)選50-100μm。
本發(fā)明的傳感器的室壁可以是任何合適的材料，例如塑料。優(yōu)選的是，該物質(zhì)應(yīng)該能夠經(jīng)受住正常消毒的情況，例如輻射滅菌(例如使用伽馬射線)或熱滅菌(例如在高壓消毒中使用約121℃的溫度)。在熱滅菌情況中，滅菌后，液體通常以無菌方式填充到傳感器中。所述的室壁和膜可以是相同材料，例如Teflon，其經(jīng)過機械加工而具有自我支持的壁和更薄的氣體滲透膜。
本發(fā)明的傳感器通常是相對便宜的，并且其不象現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器，它可以是單次使用的裝置。而且，能夠毫無困難的制備非常小的電極室(不象現(xiàn)有技術(shù)的含玻璃電極的傳感器，對其進行小型化具有不可克服的障礙)。
該方案提供傳感器，尤其是pCO2傳感器，其能夠容易的插入動物的組織中，包括人，所述傳感器在監(jiān)測期間能保留在組織中并且當(dāng)監(jiān)測完成時能夠很容易被去除。
該裝置是足夠小的，使得它對待監(jiān)測組織不引起不適當(dāng)?shù)母蓴_。因此，該裝置的最大直徑可以為2mm，優(yōu)選1mm。
很容易生產(chǎn)出具有適宜大小和構(gòu)造的根據(jù)本發(fā)明的傳感器，其特別適于測量器官、管或組織中或其表面上的pCO2，例如腦、心、肝、腎、腸或肌肉。這是特別有益的，因為它允許監(jiān)測器官、管或組織發(fā)揮功能，例如在移植期間和之后、在重癥監(jiān)護中、受損傷后，等等，并且因此允許對局部缺血的早期檢測。
由傳感器確定的分壓可以是量化的值或者它可以僅簡單指示pCO2在局部缺血或非局部缺血指征的閾值之上或之下的一個或多個值，所述值可以根據(jù)pCO2測量位點的位置而改變。
可以將該傳感器用于pCO2的單次測量，或更優(yōu)選地，可以用于連續(xù)或重復(fù)監(jiān)測，特別是對有風(fēng)險的患者，例如在重癥監(jiān)護中的患者、經(jīng)受器官或組織移植手術(shù)或從中恢復(fù)的患者、被評估為具有不穩(wěn)定心絞痛的患者、從冠狀動脈搭橋手術(shù)中恢復(fù)的患者、遭受外傷(例如骨骼肌的)、或遭受血容量過低(例如休克)的患者。
所述裝置可以包含多個傳感器用于不同的生理參數(shù)。例如，該裝置可以包含一系列傳感器。例如，這些傳感器可以測量二氧化碳分壓、氧分壓、溫度、pH或葡萄糖濃度中的一或多種。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，該裝置包括溫度傳感器和pCO2傳感器。
在此將僅以舉例的方式，參照附圖來描述本發(fā)明的實施方案，其中

圖1是整合了本發(fā)明傳感器的完整傳感系統(tǒng)的示意圖；圖2是舉例說明圖1系統(tǒng)中傳感器測量原理的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的局部剖面圖；圖4是沿圖3中A-A線的橫截面圖；圖4a是表示圖4中圓形區(qū)指示細節(jié)的放大圖；和圖5是圖3的傳感器去除膜后的圖。
根據(jù)本發(fā)明，pCO2傳感系統(tǒng)包括可拋棄傳感器單元1、電子表面單元2、和監(jiān)視單元3，如圖1所示。
可拋棄傳感器單元1是以包裝和無菌的方式遞送。它由直徑小于1毫米的膜保護電導(dǎo)傳感器4、和集成于傳感器單元中的溫度探頭5組成。線6通過連接器將傳感器4和探頭5電連接到電子表面單元2。作為替代，可以在傳感器單元1和表面單元2之間提供無線連接。
電子表面單元2向和從傳感器單元1發(fā)送和接收信號。它被置于患者皮膚上，實施信號處理并向監(jiān)視單元5發(fā)送條件信號。
監(jiān)視單元3是基于具有PCMCIA輸入/輸出卡8和Labview軟件(可從National Instruments Corporation of Austin，Texas獲得)的便攜個人電腦7。
根據(jù)圖2所示的測量原理，pCO2傳感器4用于測量流體中CO2(pCO2)的水平(分壓)。測量室由兩個小腔組成，每個小腔之中定位有一個電極10。兩個腔9通過一或多個被半透膜12圍起的通道11連接，所述半透膜即只允許CO2向傳感器4容積內(nèi)和外運送的膜。全部體積用去離子水和5％丙二醇填充。水的電導(dǎo)依賴于pCO2，并通過測量容積中電極10之間的電導(dǎo)率可以得出關(guān)于pCO2的信息。
如圖3-5中所示，傳感器單元1包含注射成型的塑料支持物23，其基本是圓柱形并被半透膜12圍繞。支持物23在其遠端具有圓錐形的頂端24和從頂端24近軸向延伸的主體部分25。通過粘合在主體部分25上固定兩個金電極10。電極10沿著主體部分25的對側(cè)縱向延伸并且被容納于主體部分25中各自的凹處。
在頂端24和主體部分25之間，提供截頭圓錐體狀凸出26用于通過摩擦配合來固定膜12。在主體部分25的近端提供相應(yīng)的凸出26。膜12可以被粘合到支持物23，但是選擇用來固定膜12和電極10的膠是非常重要的，以使其不流出離子進入在支持物23和膜12的主體部分25之間形成的填充水的室。而且，為了避免形成離子可以流動的水膜，可以使支持物23的密封面選擇性疏水。
如果必要，膜12也可以通過壓接連接(crimp connection)和軟襯墊(soft gasket)固定到支持物23。膜12可以用作襯墊，特別是在膜12是由硅橡膠形成時。熱收縮絲可以用來形成壓接連接。作為替代，可以在對應(yīng)密封凸出的地方使用金屬壓接環(huán)。
支持物23的主體部分25具有多個脊(ribs)27，其形成為容易成型的鋸齒狀外形。脊28對膜12提供機械支持并且也限定了對于傳感器4有效發(fā)揮功能所需的流體通道11。在每個電極10和在脊27間形成的流體通道之間提供貯液池(reservoir)9，其通過電極10所定位的凹處而形成。為了降低電極化影響，貯液池9在電極10周圍提供相對低的電流密度的區(qū)域。
在制造期間，膜12被固定到支持物23上，同時浸入去離子水和丙二醇溶液中，從而使由膜12、電極10、和脊27限定的室被液體完全填充。由此，該室形成如圖2所示的pCO2傳感器。
傳感器1能夠包括超過一個傳感室。例如，可以在支持物23的每一側(cè)提供兩個由壁構(gòu)件分開的平行電極10。由此通過支持物23頂部的脊27之間的流體通道11在支持物一側(cè)上一個電極10至支持物另一側(cè)上一個電極10之間形成感測室。在支持物11底部上的余下電極10和流體通道11之間形成對應(yīng)的傳感室。來自每個這些室的電極10可以電連接到另一個室的對應(yīng)電極，使得來自傳感器的電信號反映兩個室的電導(dǎo)率。
嵌入支持物23近端的是熱電偶形式的溫度傳感器5。溫度傳感器5既用于pCO2的校正計算又用于測量組織溫度并顯示在監(jiān)視器3上，其是醫(yī)療診斷的信息。溫度傳感器5最小測量范圍為33-42℃并且最小精確度是+/-0.2℃。
帶狀電纜6以電和機械方式連接到電極10和溫度傳感器5。電極10形成為帶狀電纜6的導(dǎo)體的延伸。作為替代，電極可以通過鍍在支持物23上而形成。在電纜6和到支持物23的連接足夠強時，可以從其使用位置用電纜6拖出傳感器單元1。作為替代，可以提供Kevlar線，例如將其與帶狀電纜6整合從而提供強的外部機械連接。
膜12可以從具有電纜6的支持物23附近延伸以在電纜6周圍形成導(dǎo)管。作為替代，可以提供單獨的導(dǎo)管28。在此情況中，導(dǎo)管28靠近電極10和膜12而被連接到支持物23。
在外科手術(shù)過程中，整合有傳感器4的導(dǎo)管頂端被置于器官組織0.5-4cm深處，從而在長達兩周期間監(jiān)測局部缺血。傳感器可以用于整形和再造外科，并可用于器官如肝、腎、心肌、腦和腸?？梢允褂貌迦牍ぞ?未顯示)用于傳感器4的放置，并且可以作為固定輔助設(shè)備以保持傳感器頂部在位。
傳感器單元1的最大直徑為1mm和從導(dǎo)管頂部到傳感器元件的最大距離是2mm。傳感器4的最小pCO2測量范圍是2-25kPa，其最小可檢測pCO2差異為0.2kPa。傳感器4的最大響應(yīng)是20秒。在流體室的任何區(qū)域中最大可允許測量電流使得j＜1mA/cm2，同時測量輸出電壓不超過50mV RMS。
電極10是鍍金的并且其總面積接近0.3mm2。測量頻率f測量應(yīng)該高于100Hz。在更低頻率下，測量室中的極化作用將支配測量。在頻率超過10kHz時，電容的低阻抗將成為顯著的問題。測量電阻R-測量在500kOhm-7Mohm范圍內(nèi)。
傳感器4通過帶狀電纜6電連接到位于患者皮膚上的電子表面單元2，所述電纜的長度在5cm和1米之間。電纜/導(dǎo)管的最大直徑是1mm和優(yōu)選的電纜/導(dǎo)管長度是25cm。所述電纜/導(dǎo)管是軟的和柔性的，使得它可以不必過多干擾鄰近的組織和器官。電纜/導(dǎo)管及其連接也是足夠堅固的，從而抵抗強牽引力，該牽引力可以由正常和“非正?！笔褂盟稹?br> 在滅菌、保存和轉(zhuǎn)運過程中，用去離子、無菌和無內(nèi)毒素的水覆蓋傳感器單元1，從而確保貯液池(reservoir)基本沒有水的凈損失。
如圖1和2中所示，電子表面單元2包括正弦發(fā)生器13，其提供至少5伏特的電壓和50mV的電流輸出，并且由電池14供應(yīng)電源。提供濾波器15用于過濾或拉平(averaging)鎖定放大器16的輸入。可以使用無源濾波器，以降低電流消耗。預(yù)放大器與伺服機構(gòu)結(jié)合從而從信號中去除DC電流以減少電解作用。根據(jù)伺服機構(gòu)，預(yù)放大器的輸出通過低通濾波器被反饋到其輸入。因此，只有輸出的DC組分被反饋并且去除任何從pCO2傳感器引出的DC電流。這樣，確保沒有可破壞電極的DC電流通過pCO2傳感器。在此階段應(yīng)用的op-amp消耗最少的電流并且具有大CMMR值。與此同時，偏置電流是最小的。鎖定放大器16放大來自傳感器4的AC信號。這可以用op-amp或使用在低于1kHz的頻率進行信號檢測具有至少1％精度的IC件(package)建立。提供電流分配器(galvanic division)19，比如光耦合器(optocoupler)或線圈耦合器，從而防止從監(jiān)視單元3和相關(guān)線纜18傳輸?shù)脑肼暋Ｓ捎谠肼曅盘柕谋嚷?，通常光耦合器是?yōu)選的。提供溫度信號放大和條件單元20，來放大來自溫度傳感器5的信號。電子單元2通過可充電和可更換的標(biāo)準(zhǔn)型電池14供電。該電池容量足夠14天連續(xù)監(jiān)測。表面單元2也裝配有開/關(guān)指示器LED 21，和電池狀態(tài)指示器(未顯示)。表面單元2和監(jiān)測器3之間的通訊是通過屏蔽電纜18的模擬信號。然而，表面單元2可以包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使得表面單元2和監(jiān)測器3之間的通訊可以是數(shù)字信號，例如通過數(shù)字有線傳輸或數(shù)字無線傳輸。纜18至少4m長并且是輕的和柔性的。
如圖1和2中所示，通過正弦發(fā)生器13產(chǎn)生AC電流并且流向一個pCO2傳感器電極10和流向鎖定放大器16。來自另一個pCO2電極10的高通信號通過濾波器15流向低噪放大器17并且由此流向鎖定放大器16，在此與正弦發(fā)生器13產(chǎn)生的參比信號進行比較。信號的異相組分，即非期望組分，被排除并放大余下的信號部分。放大的信號與pCO2(或電導(dǎo))成比例并且被傳遞用于記錄或進一步操作至監(jiān)視器3。
表面單元2也可以電連接到參比電極(未顯示)，所述參比電極被電連接到患者皮膚?？梢允褂脕碜詤⒈入姌O的信號來補償來自傳感器單元1受到患者產(chǎn)生電磁噪聲影響的信號。
單個表面單元2可以接收來自幾個傳感器單元1的信號并且向監(jiān)視單元3提供多路輸出。
監(jiān)測器單元3包括便攜PC 7，其包括CD RW和IR端口，和PCMCIAI/O卡8，其可以同時收集來自至少4個不同表面單元2的信號。PCMCIA卡8可以具有集成的非電流耦合。用于監(jiān)視單元3的電源22是經(jīng)醫(yī)學(xué)核準(zhǔn)型的在110V和230V下操作。
監(jiān)視單元3的軟件功能可以通過Labview完成，該軟件包可以從National Instruments of Austin，Texas獲得并且能夠同時處理多達4個不同的表面單元。該軟件提供三個校正點幫助傳感器校正和二階校正函數(shù)。可以更改該軟件以支持其它任何數(shù)目的校正點和校正函數(shù)類型。該軟件也可以輔助在確定時間間隔上平順化來自傳感器4的信號。它可以至少具有兩個用于測量值的警報水平和兩個用于其梯度的警報水平。測量值梯度用個別確定的時間間隔來計算。警報既是可視的又是可聽的。能夠停止一種警報指示，同時保持其它警報起作用。監(jiān)測器3能夠記錄所有測量值、參數(shù)設(shè)置和整個期間內(nèi)的報警。隨著30秒的記錄間隔，可在硬盤上至少有10個兩周時間段的存儲容量。時間段的記錄可以Microsoft Excel可讀形式保存到可寫CD上。
總之，用于測量pCO2的生理傳感裝置包括至少部分的以二氧化碳滲透膜為界限的封閉室。在所述室內(nèi)有兩個電極。所述室含有與電極和膜接觸的基本不含電解質(zhì)的液體。為了防止在使用中由跨膜滲透壓梯度引起的水溢出，所述液體含有非離子賦形劑。
權(quán)利要求
1.一種用于測量pCO2的生理傳感裝置，該裝置包含至少部分的以二氧化碳滲透膜為界限的封閉室；和所述室內(nèi)至少兩個電極；其中所述室含有與電極和膜接觸的基本不含電解質(zhì)的液體和其中所述液體含有非離子賦形劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生理傳感裝置，其中非離子賦形劑是丙二醇。
全文摘要
一種用于測量pCO
文檔編號A61B5/00GK101023352SQ200580023944
公開日2007年8月22日 申請日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月16日
發(fā)明者托雷·奧姆法伊特, 佩伊曼·米爾塔海爾 申請人:阿列特斯醫(yī)療公司