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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Monitor für diffundierbare chemische
Substanzen und insbesondere einen Monitor, der verwendet werden kann,
um das Körperfluid
eines Tieres (einschließlich eines
Menschen) zu analysieren, um das Vorhandensein diffundierbarer chemischer
Substanzen zu bestimmen.
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Um
eine optimale Behandlung für
einen Patienten zum Beispiel während
einer Intensivpflege bereitzustellen, ist es wichtig, regelmäßig Information über den
Zustand des Patienten zu sammeln. Wichtige Information kann durch
das Analysieren des Blutes des Patienten zur Bestimmung des Vorhandenseins
und der Menge von diffundierbaren chemischen Substanzen wie Blutgasen,
Elektrolyten, Metaboliten (wie Glucose oder Harnstoff) oder H+-Ionen erhalten werden.
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U.S. 5,058,416 offenbart
eine Vorrichtung zur Bestimmung des Partialdrucks eines in einem Fluid
gelösten
Gases. Die Vorrichtung umfasst einen doppelt gebohrten Koaxialkatheter
sowie eine Pumpe zur Anlieferung eines kontinuierlichen Flusses
einer Trägerflüssigkeit
in einen Raum zwischen den inneren und äußeren Röhren des Katheters. Die Vorrichtung
umfasst auch eine Massentransfereinheit, um den Partialdruck des
Gases in dem Trägerfluid auf
einen zuvor festgelegten Wert zu bringen.
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EP 0 549 394 offenbart eine
Vorrichtung mit einem Dialysekatheter und einer extrakorporalen
Abnahme sowie einer Zapfleitung, die Blut aus der extrakorporalen
Abnahme abzieht, das Blut durch einen Aufnahmebehälter zur
Analyse führt,
bevor das Blut zu der extrakorporalen Abnahme zurückgeführt wird.
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Es
ist auch wichtig, dass jeglicher Monitor, der für diese Art regelmäßiger Analyse
verwendet wird, dem Patienten so wenig des Körperfluids (wie Blut) wie möglich entnimmt.
Ansonsten wäre
die kumulierende Wirkung von vielen Einzelbestimmungen für den Patienten
schädlich.
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Ein
Monitor für
die in vivo-Bestimmung des Vorhandenseins von diffundierbaren Chemikalien
in einem Körperfluid,
bei dem dem Patienten keine Flüssigkeit
entzogen wird, wird in
U.S. 4,221,567 beschrieben.
Der Monitor umfasst eine mit Flüssigkeit gefüllte Sonde
mit einer durchlässigen
Membran, die, wenn sie in das Körperfluid
eingeführt
ist, es den chemischen Substanzen von Interesse ermöglicht,
aus dem Körperfluid
in die Flüssigkeit überzutreten,
Sensoren, welche auf die chemischen Substanzen von Interesse empfindlich
reagieren und die entlang des Strömungspfades der Flüssigkeit
angeordnet sind; sowie eine Pumpe zum Transportieren von Flüssigkeit
aus dem Bereich der Membran zur Analyse durch die Sensoren nach
dem Zustande kommen des Gleichgewichts zwischen den diffundierbaren Chemikalien
in dem Körperfluid
und in der Flüssigkeit.
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Da
das Probenvolumen der Flüssigkeit,
die die diffundierbaren Chemikalien enthält, im Vergleich zu dem Volumen
der Flüssigkeit
zwischen den Sensoren und der Membran relativ gering ist, muss die Pumpe
genau betrieben werden, um sicherzustellen, dass Flüssigkeit
aus der richtigen Region der Sonde durch die Sensoren analysiert
wird. Zudem muss die Pumpe die Flüssigkeit in einer gleichmäßigen und dennoch
schnellen Weise transportieren, um eine Dispersion der chemischen
Substanzen aus dem äquilibrierten
Volumen zu vermeiden. All dies erfordert ein relativ teures Pump-
und Steuerungssystem.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Monitor zur Verfügung zu
stellen, der ein größeres Probenvolumen
bereitstellt und der die Probleme des Pumpens verringert, die mit
der zuvor beschriebenen Vorrichtung in Zusammenhang stehen.
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Dies
wird durch die Erfindung von Anspruch 1 erreicht, wie sie dort beschrieben
wird. Durch die Anordnung, dass die Flüssigkeit relativ schnell zurück zirkuliert
wird, wird ein größeres Probenvolumen,
nämlich
das gesamte Flüssigkeitsvolumen
des geschlossenen Strömungspfades,
zur periodischen Analyse zur Verfügung gestellt, was es wiederum
ermöglicht,
dass ein weniger genaues Pump- und Steuerungssystem verwendet wird.
Zudem dient die Dispersion, die unweigerlich zustande kommt, dazu,
die Diffusion der Chemikalien durch die durchlässige Membran der Sonde zu
beschleunigen.
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Am
nützlichsten
ist es, wenn das Pumpsystem eine Pumpe wie eine relativ kostengünstige peristaltische
Pumpe umfasst, die adaptiert ist, um einen pulsierenden Flüssigkeitsstrom
zur Verfügung
zu stellen. Dies kann die Dispersion der diffundierbaren Chemikalien
in der gesamten Sondenflüssigkeit
beschleunigen, um deren Diffusionsgeschwindigkeiten über die
durchlässige
Grenzschicht weiter zu verbessern.
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Obwohl
jede Art von Sensoren der Sensoreinheit entlang des Strömungspfades
der Sonde positioniert sein kann, kann es vorteilhaft sein, die
Sensoreinheit von der Sonde zu trennen und Extraktionsmittel wie
eine Mikroliterspritzenpumpe, eine Unterdruckampulle oder einfach
eine Ventilanordnung zur Verfügung
zu stellen, die in einer Weise positioniert sind, um eine Probe
aus der Sonde zu extrahieren und diese zu den Sensoren innerhalb
der Sensoreinheit zu bringen. Auf diese Weise wird der Strom durch die
Sensoren unabhängig
von dem durch die Sonde gestaltet, so dass die Reaktionszeiten der
Sensoren nicht mit der Zirkulationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
abgeglichen werden müssen.
Dies ermöglicht dem
System einen schnellen kontinuierlichen Strom innerhalb der Sonde
bei gleichzeitiger Verringerung der Anforderungen an die Sensoren.
Zudem kann die Trennung der Sensoreinheit und des Flüssigkeitsströmungspfades
das systematische Rauschen verringern, wie es durch die mechanische
Bewegung der Sensoreinheit als ein Ergebnis des pulsierenden oder
schnellen Stroms ausgelöst
werden kann, und so die Empfindlichkeit des Monitors verbessern.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
der Figuren beschrieben werden, bei denen:
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1 einen Patienten zeigt, der mit Intensivpflegezubehör einschließlich einem
Monitor gemäß der vorliegenden
Erfindung verbunden ist.
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2 Details
einer Ausführungsform
des Monitors zeigt, der in der Situation von 1 verwendbar
ist.
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3 Details
einer Sensoreinheit zeigt, die mit dem Monitor von 2 verwendbar
ist.
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4 zeigt
Details einer alternativen Sensoreinheit eines Monitors gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Bei
der Betrachtung der 1 wird ein Patient 1 mit
einer Anzahl von Elementen eines Intensivpflegezubehörs verbunden,
das typischerweise in einer Intensivpflegeeinheit eines Krankenhauses
eingesetzt wird. Der Patient 1 ist zum Beispiel mit einer ECG-Vorrichtung 2 verbunden,
die durch Elektroden 3, die mit verschiedenen Positionen
auf dem Patienten 1 verbunden sind, die Herzsignale des
Patienten aufnimmt und analysiert. Zudem ist ein Beatmungsgerät 4 mit
dem Patienten 1 über
die Gasleitungen 5 zur Unterstützung oder Steuerung der Atmung
des Patienten verbunden. Ein Infusionssystem 6 ist mit dem
Patienten 1 über
die Infusionsleitung 7 zur Belieferung des Patienten mit
Nährstofflösung, Plasma oder
anderen Substanzen verbunden, die während der Intensivpflege infundiert
werden können.
Ein Monitor 8 gemäß der Erfindung
umfasst einen Katheter 9 zur Verbindung des Blutsystems
des Patienten 1 mit einem Gehäuse 10, in dem eine
Sensoreinheit (nicht gezeigt) positioniert ist. Für Klarheitszwecke wird
der Katheter 9 in unverhältnismäßiger Länge gezeigt. Tatsächlich sollte
der Katheter 9 so kurz wie möglich sein, um das Gesamtflüssigkeitsvolumen
in dem Katheter zu verringern und das Gleichgewicht dieses Volumens
mit dem Blut zu beschleunigen. Die Anordnung 8 wird daher
normalerweise sehr nahe zu dem Patienten 1 positioniert
sein, wenn nicht sogar in direktem Kontakt mit dem Patienten 1 stehen,
wie es in der 1b gezeigt wird.
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Eine
zentrale Steuereinheit 11 ist mit allen Vorrichtungen 2, 4, 6, 8 verbunden,
die in die Intensivpflegebehandlung des Patienten involviert sind, zur
Aufzeichnung, Analyse und Steuerung (automatisch oder durch vorgeschlagene Änderungen)
der Behandlung, die dem Patienten 1 verabreicht wird. Eine
Anzeige 12 kann verschiedene Kurven oder Messergebnisse
in Bezug auf den Patienten 1 wie ECGs, Atmungskurven, Blutgasgehalt,
etc., anzeigen.
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Nun
wird auf 2 Bezug genommen, die eine Ausführungsform
des Monitors 8 gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, der in der Intensivpflegesituation nützlich ist,
wie sie in 1 dargestellt ist. Die Kathetersonde 9 enthält eine
konzentrische Anordnung von jeweils inneren und äußeren Lumen 13, 14. Das äußere Lumen 14 besteht
aus einem flüssigkeitsdichten
Material außer
einer Region 15, die bei der Verwendung dazu vorgesehen
ist, mit dem Blut des Patienten in Kontakt zu stehen, und die aus
einem durchlässigen
Material hergestellt ist, das ausgewählt ist, um es den Chemikalien
von Interesse zu ermöglichen,
dadurch zu wandern. Das innere Lumen 13 ist für diese
Chemikalien undurchlässig
und endet kurz vor der Katheterspitze 16.
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Beide
Lumen 13,14 sind mit einem Gehäuse 10 verbunden,
in dem die Lumen 13 und 14 getrennt werden. Das
innere Lumen 13 wird durch die Wand des äußeren Lumens 14 zu
einer peristaltischen Pumpe 17 und zurück in das äußere Lumen 14 geführt, das
in dem Gehäuse 10 endet.
Auf diese Weise wird ein geschlossener Strömungspfad (durch die Pfeile
innerhalb des Katheters 9 gezeigt) für ein Sondenfluid wie eine
Salzlösung
gebildet.
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Innerhalb
des Gehäuses 10 ist
das innere Lumen 13 mit einer Sensoreinheit 19 in
einer solchen Weise verbunden, die es der Einheit 19 ermöglicht, von
der strömenden
Sondenflüssigkeit
isoliert zu sein. Bezug nehmend auf die 3 sind zwei
Ventile 20 und 21, eines auf jeder Seite einer
Probenkammer 23 der Sensoreinheit 19, angeordnet
und öffnen
und schließen
synchron, um periodisch Flüssigkeitsproben
mit dem inneren Lumen 13 auszutauschen. Das heißt, dass
bei beiden geöffneten
Ventile 20, 21 die Pumpe 17 arbeitet,
um Flüssigkeit
aus dem Lumen 13 entlang des Strömungspfades 22 durch
das Ventil 20 und in die Probenkammer 23 zu führen, wobei
die gleiche Menge an Flüssigkeit
aus der Sensoreinheit 19 durch das Ventil 21 verdrängt wird,
um in das innere Lumen 13 zurückgeführt zu werden. Wenn die neue
Probe die alte in der Sensoreinheit 19 ersetzt hat, dann
werden die Ventile 20, 21 geschlossen und es wird
durch die Sensoren 18a..c eine neue Analyse durchgeführt. Weil
das Probenvolumen in diesem System erheblich geringer als das Gesamtvolumen der
Sondenflüssigkeit
ist, werden die Ventile 20, 21 wesentlich länger geschlossen
als sie offen sind, so dass die Sondenflüssigkeit mehrfach an der durchlässigen Region 15 des
Katheters 9 vorbeigeführt wird,
bevor eine neue Probe entnommen wird. Somit wird ein großes, im
Wesentlichen das ganze Volumen der Flüssigkeit mit dem Blut äquilibriert.
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Es
wird betont, dass eine Änderung
in der Behandlung (mittels eines Beatmungsgerätes oder anderen Zubehörs) eines
Patienten normalerweise keine sofortige Wirkung auf die gemessene
Menge von diffundierbaren Blutchemikalien haben wird, da ein systemischer
Austausch zwischen der Behandlung und dem Körper (wie der Gasaustausch
zwischen Gasen in den Lungen und dem Blutsystem) zuerst zustande
kommen muss, bevor der Parameter von Interesse beeinflusst wird.
Dies könnte
in einigen Fällen
abhängig
von dem einzelnen Fall und dem zu messenden Parameter bis zu ein
paar Minuten in Anspruch nehmen. Es kann daher ausreichend sein,
die Ventile 20, 21 periodisch in einer dazu ähnlichen Häufigkeit
zu öffnen,
was in den meisten Fällen
sicherstellen wird, dass das gesamte Flüssigkeitsvolumen zwischen den
Probenextraktionen äquilibriert wird.
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Einer
oder mehrere der bekannten optischen, elektrochemischen oder ähnlichen
Sensoren 18a..c werden innerhalb der Kammer 23 zum
Analysieren eines Fluids positioniert und können in so einer Weise angeordnet
werden, um mit externen Vorrichtungen des Monitors 8 unter
Verwendung jeglicher bekannter telemetrischer Techniken zu kommunizieren,
zum Beispiel über
elektrisch leitende Kabel 24; optische oder Radiofrequenztransmitter/Receiveranordnungen
(nicht gezeigt). In dem vorliegenden Fall, in dem es gewünscht wird,
Blutgase zu analysieren, können
geeignete Sensoren eine Sauerstoffelektrode 18a, wie eine
Elektrode vom Clark-Typ, eine Kohlendioxidelektrode 18b,
wie normal verfügbare Glaselektroden,
oder ein IonenSelektiver FeldEffektTransistor (ISFET) und eine Elektrode
wie ein ISFET mit einer geeigneten chemisch empfindlichen Beschichtung 18c sein,
um selektiv das Vorhandensein von Elektrolyten zu erkennen. Diese
sind alle auf dem Gebiet wohlbekannt, so dass es nicht notwendig ist,
die Sensoren 18a..c in weiterem Detail zu beschreiben.
Zudem ist die oben genannte Auswahl, weil solche Elektroden auf
dem Gebiet wohlbekannt sind und abhängig von den zu messenden Parametern
ausgewählt
werden können,
nicht dazu vorgesehen, eine Beschränkung des Umfangs der vorliegenden
Erfindung zu sein.
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Ein
zweiter Strömungspfad 25 wird
innerhalb der Einheit 19 zur Verfügung gestellt, der auch eine Fluidverbindung
mit der Probenkammer 23 über die Steuerventile 26, 27 bereitstellt
und dazu verwendet wird, Kalibrierungsfluid in die Sensoren einzuführen, z.
B. von außerhalb
des Gehäuses 10,
typischerweise wenn die Ventile 20, 21 geschlossen
sind. Dieser zweite Strömungspfad 25 kann
auch verwendet werden, um eine Spülflüssigkeit in die Kammer 23 einzuführen, wenn
es wünschenswert
ist, die Sondenflüssigkeit
nicht mit Kalibrierungsfluid zu verunreinigen, oder er kann verwendet
werden, um neue Sondenflüssigkeit
in den Monitor 8 einzuführen.
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Die
Ventile 20, 21, 26, 27 können alle
unter Verwendung von üblichen
mikromechanischen Techniken hergestellt werden oder sie können übliche magnetische
oder durch Druck gesteuerte Ventile sein.
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Es
wird eine weitere Ausführungsform
einer Sensoreinheit 19 mit alternativen Extraktionsmitteln 28 in 4 gezeigt,
die in dem Monitor gemäß der vorliegenden
Erfindung nützlich
ist. Komponenten, die sowohl dieser Figur wie auch denen der 2 und 3 gemeinsam
sind, werden die gleichen Bezugszahlen zugeordnet. Hier wird eine
Miniaturspritze 28 verwendet, um eine Probe der Sondenflüssigkeit
für die
Analyse durch die Sensoren 18a..c zu extrahieren. Die Spritze 28 wird
mit einer Flüssigkeitsleitung 29 verbunden,
die zwischen dem inneren Lumen 13 und den Sensoren 18a...c
angeordnet ist, und zwar mittels eines variablen Strömungspfades wie
z. B. eines Abzweigventils. Das Abzweigventil 30 ist zwischen
einer Position, bei der die Flüssigkeit von
dem inneren Volumen 13 in die Spritze 28 aufgezogen
werden kann, und einer Position, bei der die Flüssigkeit aus der Spritze 28 ausgestoßen werden kann,
um eine Probe an den Sensoren 18a..c zur Verfügung zu
stellen, beweglich.
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Obwohl
die hierin enthaltenen Ausführungsformen
in Verbindung mit dem Überwachen
von Blutgasen beschrieben werden, ist dies nicht als eine Beschränkung des
Umfangs der Erfindung vorgesehen. Man wird verstehen, dass der Monitor
der oben genannten Ausführungsformen
leicht adaptiert werden kann, um andere diffundierbare chemische
Substanzen wie Glucose oder H+-Ionen zu
messen; dass der Doppellumenkatheter durch jeden Katheter vom Dialysetyp ersetzt
werden könnte,
ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, vorausgesetzt dass der
Katheter es der Sondenflüssigkeit
ermöglicht, mehrmals
entlang eines geschlossenen Flüssigkeitsströmungspfads
an der durchlässigen
Region des Katheters vorbei zu zirkulieren, wie es hierin beschrieben
wird, und dass die Körperflüssigkeit
während
der Analyse nicht innerhalb des Körpers vorliegen muss.