請求の範囲
1 血管内へ差し込むのに十分な小サイズである
と共に液体−水非透過性且つ高い酸素透過性を有
する多孔性被覆物と、可視波長により励起可能で
あり可視波長を有する可視光線を発生可能であり
且つ発光安定性と経時安定性と良好な酸素消光感
度とを有した非毒性染料と、該染料分子を担つて
多孔性被覆物内に収容され且つ個々の染料分子に
対して多孔性被覆物内に取り込まれる酸素が衝突
するのを許容するように染料分子を露出して担つ
た高い酸素透過性を有した多孔性染料支持体と、
多孔性被覆物内の染料を励起するための励起可視
光線を伝達すると共に染料からの酸素消光された
ルミネツセンスを集光するために、その端末を染
料に対して光学的に露出するように多孔性被覆物
の一端に気密的に固着した光フアイバー手段とか
ら構成した、生きた動物の血液や組織の酸素分圧
PO2を測定するための探針を有する酸素分圧測定
装置。
2 染料がペリレンジブチレート(色指数59075)
であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載
の酸素分圧測定装置。
3 多孔性染料支持体を多孔性有機ポリマーから
選択したことを特徴とする請求の範囲第1項又は
第2項に記載の酸素分圧測定装置。
4 多孔性染料支持体がシリカゲルから成ること
を特徴とする請求の範囲第1項に記載の酸素分圧
測定装置。
5 多孔性染料支持体が多孔性吸着粒状高分子物
質から成ることを特徴とする請求の範囲第1項に
記載の酸素分圧測定装置。
6 多孔性染料支持体を疎水性架橋ポリマーから
なるイオン交換樹脂から選択したことを特徴とす
る請求の範囲第1項に記載の酸素分圧測定装置。
7 多孔性被覆物を多孔性物質のチユーブ状外包
物から形成したことを特徴とする請求の範囲第1
項に記載の酸素分圧測定装置。
8 チユーブ状外包物を多孔性ポリプロピレンシ
ート材から形成したことを特徴とする請求の範囲
第7項に記載の酸素分圧測定装置。
9 多孔性被覆物を、熱融着によりチユーブ状に
形成し且つその一端を閉じてその閉端部を先細り
先端形状とした多孔性ポリプロピレンシート材か
ら形成したことを特徴とする請求の範囲第1項に
記載の酸素分圧測定装置。
10 光フアイバー手段を、その一端が多孔性被
覆物内に延び且つ染料に対して光学的に露出する
少なくとも1ストランドの透明プラスチツクフア
イバーから形成したことを特徴とする請求の範囲
第1項に記載の酸素分圧測定装置。
11 光フアイバー手段を、多孔性被覆物内に延
び且つ染料に対して光学的に露出した端部を有す
る2ストランドの可撓性を有した透明プラスチツ
クフアイバーから形成したことを特徴とする請求
の範囲第1項に記載の酸素分圧測定装置。
12 光フアイバー手段を、多孔性被覆物内に延
び且つ染料に対して光学的に露出した一端を有し
た1ストランドの透明プラスチツクフアイバーか
ら形成し、且つ該プラスチツクフアイバーの他端
に光学的に結合して光フアイバーを伝達する光か
ら2本の分離された光線を形成するための光線分
割手段と、互いに分離された2本の分離光線の通
過する光路内に配設され且つ各分離光線の光度に
応じた光電信号を発生する光電信号発生手段と、
及び光電信号発生手段の出力端に接続された酸素
分圧演算回路手段とから構成したことを特徴とす
る請求の範囲第1項に記載の酸素分圧測定装置。
13 光線分割手段と光電信号発生手段との間
に、前記の2本の分離光線の光路内に各々異なつ
た色フイルター手段を配設したことを特徴とする
請求の範囲第12項に記載の酸素分圧測定装置。
14 一方の色フイルター手段が染料のルミネツ
センス波長に対応した色の光線のみを通過し、他
方の色フイルター手段が染料に露光する入射光の
散乱光で染料から反射されてくる散乱光の波長に
対応した色の光線のみを通過することを特徴とす
る請求の範囲第13項に記載の酸素分圧測定装
置。
本発明の分野
本発明は酸素分圧の測定に関し、特に血液や組
織中の酸素分圧を測定するため注入する光フアイ
バー探針装置に関する。
本発明の背景
生理学上の酸素測定は以下のごとく、種々の理
由により重要である。
Γ 移動機能(第1図)は酸素の運搬と分配の基
本的な決定素である。
Γ ヘムへのO2の吸着は、動物界において酸素
の蓄積と運搬の最も広く用いられているメカニ
ズムである。
Γ ヘムをはめ込む対応の蛋白質変化(グロビ
ン)はその吸着特性を制御し、移動機能の形を
決め、ヘムを特殊な種の要求に適合させる。
Γ グロビン鎖も、生物化学信号、特に重要な
PH、2,3−ジホスホグリセレートおよびCO2
に曲線を調節するための制御ループの一部分で
ある。
Γ 人類では、約200のヘモグロビンの遺伝変態
が知られており、大部分は、無害だが、中には
運搬機能の変質作用(鎌形セルの疾患等)によ
り病的なものがある。
Γ それゆえ、酸素分圧PO2の直接測定は生理学
上の調査における個体の酸素運搬行動を観察す
るうえで必要である。
さらに、適切な組織の酸素処理は、即応答性の
サンプリングやPO2レベルの連続的な監視を必要
とする様々な外科や集中看護の立場から最も重要
な容易に使えるものの一つである。
いくつかの技術やシステムが知られているが、
それらはどれも最適とは言えない。たとえば、
クラーク電極(膜−拡散、電流)は小型化には
寄与しない。
拡散作用に依存したものは、標準化や偏差とい
う問題がつきまとう。
厳密な電位差(酸化還元)電極は特に困難であ
る。
米国特許4201222(Haase)は、血液流の酸素気
体の分圧を測定するため生体の血管に挿入し得る
ようにした、光フアイバーを用いた光学カテーテ
ルについて開示している。このカテーテルは血液
の気体分を通過させ、血液の液体分の侵入を防ぐ
半透壁部材から成る。光フアイバーに入る反射可
視光線の強度は、入射光線の強度と比較した時、
血液流の酸素気体の分圧に正確に対応している。
米国特許3814081(Mori)は、生きている動物
の体の血液流を飽和する酸素の含有百分率を測定
するための、光学カテーテルについて開示してい
る。発光光フアイバーシステムと受光システムを
互いに隣接して設ける。カテーテルの先端を動物
の血液運搬器官に差し入れる。酸素飽和度を、血
液流から反射し、光フアイバーで受ける光波の光
吸収分光分析によつて測定する。
米国特許3807390(Ostrowski他)は、生体の心
臓血管系の中にカテーテルチツプを差し込み、活
発な状態の人間の血液流の血液酸素飽和の状態を
監視するための、光フアイバーカテーテルについ
て開示している。
米国特許4033330(Willis他)は、血液中の二酸
化炭素濃度及び血液のPHを決定するための皮膚を
貫く光学PH測定装置を示した一般的関連事項を示
す。
米国特許4041932の動脈血管内の酸素及び二酸
化炭素のような気体の濃度や分圧、そして種々の
期間の血液のPHの測定、及び監視に用いる装置を
教示する一般的関連事項を示している。
PO2電極の文献はかなり多くあるが、有用な電
極はまだない。
ルミネツセンス消光による酸素の測定も教示さ
れている。1930年代にそのアイデアは生まれはし
たが、実用化はほとんどされておらず、螢光の酸
素消光は害として広く知られている。米国特許
3612866(Stevens)は、芳香族分子、その誘導
体、および脂肪族ケトンへの気体状酸素の分子ル
ミネツセンス消光効果に基づいた、液体あるいは
気体の酸素含有濃度を測定するための装置につい
て開示している。
酸素測定用のルミネツセンス消光の他の応用例
は、
(1) 「シリカゲル吸着染料の効果の初期観察」
H.カウツキー(Kautsky)とA.ヒルシエ
(Hirsch)1930年代初期、例えばH.カウツキー
とA.ヒルシエの「無機及び一般化学」222、
126−34、1935。
(2) 「藻の照光によるO2の測定」、M.ボラツク
(Pollack)、P.プリングスハイム
(Pringsheim)、D.ターウツド(Terwood)、
化学物理ジヤーナル(J.Chem.Phys)、12、295
−9、1944。
(3) 「有機分子のシンチレーシヨン.インタレス
トの酸素消光感度の要覧」I.B.ベールマン
(Berlman)“芳香族分子の螢光スペクトルの
ハンドブツク”、アカデミツク出版
(Academic Press)、1965。
(4) 「アクリルシート上のアクリフラビンを用い
た10-5torrで測定したO2」、Gy.オーバン
(Orban)、Zs.スエンテイーメイ
(Szentirmay)、J.パツコ(Patko)、“Proc.of
the Intl.Conf.on Luminescence”,1966.V.1、
611−3、1968。
(5) 「ロツド(rods)のりん光観察により測定し
たアクリル類中のO2の拡散効率」、G.シヤウ
(Shaw)、トランス.フアラデーソサエテイー
(Trans.Faraday Soc.)63、2181−9、1967。
(6) 「消光率対PO2によつて測定したアクリルフ
イルムのO2透過性」P.F.ジヨーンズ(Jones)、
ポリマーレターズ(Polymer letters)6、487
−91、1968。
(7) 「プラスチツクフイルムおよび多孔性ビーコ
ー(Vycor)へ吸着したフルオランゼン
(fluoranthene)に基づくPO2測定機器」I.バー
グマン(Bergman)、ネーチヤー(Nature)
218、396、1968。
(8) 「細胞内O2測定用の探針(Probe)として用
いた酪酸」、J.A.クノツブ(Knopp)、I.A.ロン
グミユール(Longmuir)、生物化学及び生物
物理(Biochimica et Biophysica Acta)
279、393−7、1972。
(9) 「種々の膜で囲んだ形態におけるピレン酪酸
のDMF溶液を用いる生理学的PO2の測定」D.
W.ラツパー(Lubber)、N.オピツツ(Opitz)、
Z.ネーチユアフ(Naturf)、30c、532−3、
1975。
本発明の要約
以上により、本発明の目的は上記のような公知
技術の欠点を解決することにある。
本発明の他の目的は、改良された生体内のPO2
測定を提供することである。
また、本発明の他の目的は改良されたPO2測定
装置、特にルミネツセンス消光を用いた酸素測定
に基づき、また光フアイバー探針を有する装置を
提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、作動原理として
ルミネツセンス消光を用い、光学倍率管を組み合
わせた比較的単純な光学システムと、該光学倍率
管によつて作動し、該光学システムによつて検知
した該ルミネツセンス消光に基づきPO2の直接ア
ナログ計算をするようにした電子演算回路を組み
合わせて成る光フアイバー探針を使用した、PO2
の測定装置を提供することにある。
本発明による螢光消光の原理に基づいた酸素分
圧測定用の典型的な光フアイバー探針は、直径
0.6mm、長さ約5mmの多孔性断面のプラスチツク
チユーブ形状の端末を有する2本の150マイクロ
メーターストランドのプラスチツク光フアイバー
から成る。このチユーブは吸着性粒状支持体上に
ある染料を収納している。この基本的な構造は、
ピーターソン(Peterson)等の米国特許4200110
に開示されている生理学上のPH探針と同様であ
る。
本発明の探針の開発では、上述の消光原理の応
用においてかつて遭遇しなかつた3つの主な問題
を解決する必要があつた。すなわち、
1 染料は適切な酸素消光感度(活性状態の寿命
が長い)、可視光による螢光励起、および退色
抵抗等の兼ねそなわつた特性を有するものを見
つけなくてはならない。450nmより短い波長の
光を伝えるプラスチツク光フアイバーは用いら
れない。紫外線透過性無機フアイバーは、もろ
いので本発明には不適当である。
2 適切な疎水性、高酸素透過性外包物が必要で
あつた。
3 吸着性支持体は耐湿性を保持して染料を活性
化させる必要があつた。従来のシリカ染料支持
体は水質媒体の中では使用に適さない。
本発明の探針装置は、皮ふ針を介して組織や血
管に注入するのに適した小型で低価格の探針を提
供するものである。
光フアイバー探針は、以下のように優れた点を
有する。
a 直径0.5mm以下のように極端に小さなサイズ
が可能である。
b 可撓性があり、小さな血管を縫うように通す
ことができいろいろな組織の中に入つて行くこ
とができる。
c 価格が安く、処分可能で、製造も容易であ
る。
d 電気的な障害を生じない。
e 動的な測定にくらべ静的な測定に適してい
る。
酸素測定の機構としてのルミネツセンス消光を
選択する理由は、以下の要因に基づく。
1 可逆性指示薬がPO2探針に必要である。酸素
用の可逆性比色定量(吸光度)指示薬は不適当
である。遷移金属錯体の酸素吸着剤は必要な安
定性を有してない。
2 芳香族分子は光吸収による活性化の際、酸素
と伴に電荷移動錯体を形成する。これは酸素に
特有の不活性の螢光状態のメカニズムを生じ
る。衝突エネルギー移動による活性酸素を形成
するほど高い分子の活性化エネルギーは必要は
ない、すなわち、消光現象はルミネツセンスの
可視光活性化で観察することができる。
螢光(および燐光)消光は活性分子のルミネツ
センス崩壊と拮抗する非ルミネツセンス崩壊モー
ドの結果であり、活性状態の平均寿命が減少し発
光強度も減少する。(第2図参照)
一定の照光によれば、励起状態の崩壊率は種々
の崩壊モードの率の合計であり、衝突崩壊率は活
性状態の平均寿命と衝突率に比例し(おおよそ、
螢光寿命に匹敵)、衝突率は消光気体の圧力に比
例する。これら拮抗する崩壊率は酸素の分圧PO2
と発光強度Iのシユテルン−フオルマーの式とな
る。
I0/I=1+PO2/P′
(O.シユテルン&M.フオルマー、フイジカリ
ツシエ、ツアイトシユリフト、20、183−8、
1919)、ここで、I0は消光が行われていない状態
の発光強度、P′は定数で半消光状態の圧力。定数
は螢光寿命を意味する対応する消光の比例を有す
るので、上記の式は観察した発光寿命、T0およ
びTを用いて表わすことができる。
T0/T=1+PO2/P′
消光の良好な感度は、長い平均寿命の励起状態
を必要とする。極端に長い寿命(数秒)を持つ燐
光は消光に対し過敏であるが、強度は弱い。螢光
は消光に対し感度は弱いが、高輝度を有する(高
量子収量)。P1は輝度と感度の最良の妥協点を得
るため、測定すべき圧力の等級にある。(第3図
参照)
【図面の簡単な説明】
本発明の他の目的および利点は以下の説明およ
び特許請求の範囲、そして添付の図面より明らか
になろう。ちなみに、第1図は人体の血液の酸素
の古典的な濃度対圧力の関係を示したグラフであ
る。第2図は光学的に励起した分子の不活性化の
拮抗モードの概略説明図である。第3図はP′と
PO2の関係を示す概略説明図である。第4図は本
発明によるPO2探針の実施例の図解である。第5
図は本発明による典後的な観察データとシユテル
ン−フオルマーの理論値を比較したグラフであ
る。第6図と第7図は本発明による光学システム
および検査探針を用いた単純なアナログ機器の電
子演算システムをそれぞれ概略示した図である。
望ましい実施例の詳細な説明
添付図面、特に第4図において、本発明のPO2
探針は8で示されるように構成される。PO2探針
8は使用する過程ですでに開発されたPH探針の後
に作られたものである。(米国特許4200110、ピー
ターソン外、参照)このPO2探針8では、吸着支
持体16の染料15は断面形状が多孔性のポリエ
チレン製チユーブ10の内側に入れられ、まわり
の酸素との迅速な平衡を得、染料吸着支持体16
を汚染からまもる。チユーブ10はその一端がチ
ユーブの軸方向に向かつて次第に先細となつて閉
じられた先端部9を備えている。一対の可撓性プ
ラスチツク光フアイバー12,14は、たとえば
150マイクロメーターストランドのプラスチツク
光フアイバーを用い、チユーブ10の他端にフア
イバーの端末が染料吸着支持体16内の染料15
に光学的に露出するように固着する。チユーブ1
0は約5mmの長さ、0.6mmの直径の断面多孔性ポ
リマーチユーブから成る。
青い光の照光が一方の光フアイバー12を通つ
て染料15を励起して螢光をおこす。散乱した青
光を伴つた緑の螢光光線は他方の光フアイバー1
4に入り測定機器に伝わる。(第6図、第7図参
照)。青色の強度I0は光学補正用の基準値として
用い、緑光の強度Iは酸素消光の尺度を示してい
る。
シユテルン−フオルマーの関係は消光を利用し
てPO2を測定するための線形の定量基準を提供す
るものである。(第5図参照)曲線の関係は広く
見られるものであり(シユテルン−フオルマーに
基づきブロツトしたデーターの文献は多数ある)、
等式に実験データが適合するように酸素圧に指数
をつけることをしばしばおこなう。
この指数関係式の理論的解釈は理解困難である
が、曲線データーは強度測定の際オフセツト定数
によつて適切に合わすことができ、これは機器を
用いる背景や非消光ルミネツセンスの際、説明で
きる。しかし機器の設計のためには、強度比に指
数mを付すようにするか、或は中括弧で括つた差
[(I青/I緑)−1]に指数nを付すようにし
て補正した補正式を用いることはより実用的であ
る。
PO2=P′〔(I青/I緑)m−I〕o
簡単なアナログ機器を探針の測定値を算出する
ために構成した。(第6図および第7図参照)最
も1mmHgPO2に近いPO2の測定は0.1%の強度測
定誤差以上の精度を必要とする。機器的には、限
界要因として光源の安定性がある。
上述のごとく、適切に選択する必要のある上記
システムの3つの特徴、すなわち染料15、染料
支持体16、およびチユーブ状被覆物10があ
る。
適切な染料15は以下のような特性を有する。
a 鋭角に曲げた時に破損せず、高可撓性を有
し、焼き着けなどで容易に光学的結合ができる
形状のプラスチツク光フアイバーによつて伝え
ることが可能な可視波長によつて励起可能、且
つ可視波長を有する可視光線の発生を可能とし
なくてはならない。
b 光に対し安定で適切な経時抵抗性を持たなく
てはならない。
c 有毒であつてはならない。
d 1mmHgPO2に最も近い測定を行うのに必要
とするに充分な酸素消光感度(励起状態の長い
平均寿命)を持たなくてはならない。
染料15の選択にあたつて多くの紫外線励起染
料が高消光感度(ベンゼンはその最も高いものの
一つである)を有するという問題があり、可視光
線励起の要求は、この要求に適合する染料を見つ
けるのをより困難にする。望ましい染料はペリレ
ンジブチレートである。他の望ましい染料はピラ
ンプロダクト(Pylan Products)LX7878。最適
ではないが使用可能な染料はテラジル、ブリリヤ
ント、フラビン(Terasil Brilliant Flavine)
8GFF、ナイロサン ブリリヤント フラビン
(Nylosan Brilliant Flavine)、アクリジン、イ
エロー(Acridine Yellow)、ブリリヤント サ
ルフアフラビン(Brilliant Sulfaflavine)、2,
7−ジクロル フルオレセイン、アクリジン オ
レンジ(Acridine Orange)、クマリン
(Coumarin)34、クマリン6、フルオレセイン
ナトリウム(オーラニン,Auranine)、およびあ
る種のローダミンである。その他は前記の参考文
献に記載されている。
望ましい染料支持体16に関しては、昔から消
光効果がシリカゲルに観察されており、高感度が
この支持体で得られる。高い酸素透過性を有する
染料吸着支持体は個々の染料分子を酸素衝突にさ
らすため必要である。液体または固体中の染料溶
液はこれらの物質の低酸素透過性のおかげで、感
光性がない。
無機吸着剤による問題は、消光が湿度に敏感で
あるという点であり、消光および/または螢光は
生理学上の測定条件である湿度100%で破壊され
てしまう。
多孔性ポリマーのような有機吸着剤は、消光感
度を犠牲にしてこの湿度の問題を回避しており、
この記載についての繰り返し試験により決定し得
るポリマーを選択するのが望ましい。多孔性ポリ
マー、ロース&ハース社製の疎水性架橋ポリマー
からなるイオン交換樹脂の商品名「アンバーライ
トXAD4」(Rohm&Haas“AmberliteXAD4”)、
非イオン性疎水ポリマーは望ましい支持体16で
ある。他の例は、ガスクロムQ(Gas Chrom
Q)、アンバーライト(Amberlite)XAD2,
XAD8、ダウ(Dow)XFS 4022、ジヨーンズ−
マンヴイレ クロモソーブ(Johns−Manville
Chromosorb)Nos,10,102,103,104,105,
106,107,108、ウオーターズ ポラパツク
(Waters Porapak)Nos.N,P,PS,Q,R,
S,QS,T;ハミルトン(Hamilton)Co.PRP
−1。
PO2探針8の図示実施例において、高酸素透過
性の液体−水非透過性容器が本実施例の高い酸素
透過性を有する多孔性被覆物10に必要である。
セラニーズ社製の多孔性ポリプロピレンシート材
の商品名セラニーズ(Celanese)「セルガード
(Celgard)」を熱融着することによつてチユーブ
形状にしたものが望ましい。
上記実施例は気体システムにおいてと同様に水
質媒体の中で行い、試験動物で満足のいく働きを
した。
光フアイバーと酸素測定用のルミネツセンス消
光の組み合わせ使用は新規で優れたものであると
考えられる。上述のごとく本発明の重要な特徴
は、多孔性ポリマー支持体の使用と、染料の適切
な選択と、多孔性被覆物または外包物の使用であ
る。染料支持体16として多孔性ポリマーを用い
ることは酸素分圧測定には最も重要な要件の一つ
である。上記のごとく、望ましい被覆物10はセ
ルガード(Celgard)で形成したものであるが、
他の多孔性物質も使うことができる。
様々な態様が可能であり、探針を作る別の方
法、たとえば2本の光フアイバーではなく単一の
フアイバーと、適当に機器部を改良したものを用
いて、探針のサイズを小さくすることができる。
第7図の典型的な光学システムにおいて、フア
イバー14の光学出力はコリメーターレンズ18
を介して45゜に傾けた二色フイルター19に伝え
られる。透過光成分は青フイルター20を通り、
第1光学倍率管21に至る。反射光成分は緑フイ
ルター22を通り、第2光学倍率管23に至る。
第6図に示すごとく、光学倍率管21,23から
の出力電流は、各々電流−電圧変換回路24,2
5に供給され、その得られた電圧信号は各々能動
フイルター26,27を通して、商(I青/I
緑)に指数mを与える手段を有する除算回路28
の入力となる。回路28の出力を最終演算回路2
9に供給してPO2アナログ値を算出する。すなわ
ち演算回路29では入力信号から数量1を引き、
第6図に示すように係数P′をつける。
本発明の範囲からはずれることなく種々の変更
が可能であり、本発明が図に示された内容や明細
書に記載の内容に限定されないことは当業者に明
白と考えられる。 Claim 1: A porous coating that is small enough to be inserted into a blood vessel, is liquid-water impermeable and has high oxygen permeability, and is excitable by visible wavelengths and emits visible light having visible wavelengths. A non-toxic dye that can be generated and has luminescence stability, stability over time, and good oxygen quenching sensitivity; a porous dye support with high oxygen permeability that bears exposed dye molecules to allow collisions with oxygen incorporated into the chemical coating;
Porous to optically expose its ends to the dye to transmit excitation visible light to excite the dye within the porous coating and to collect oxygen-quenched luminescence from the dye. the partial pressure of oxygen in the blood and tissues of a living animal, consisting of an optical fiber means hermetically affixed to one end of the covering;
Oxygen partial pressure measuring device with a probe for measuring PO 2 . 2 The dye is perylene dibutyrate (color index 59075)
The oxygen partial pressure measuring device according to claim 1, characterized in that: 3. The oxygen partial pressure measuring device according to claim 1 or 2, wherein the porous dye support is selected from porous organic polymers. 4. The oxygen partial pressure measuring device according to claim 1, wherein the porous dye support is made of silica gel. 5. The oxygen partial pressure measuring device according to claim 1, wherein the porous dye support is made of a porous adsorbed granular polymer material. 6. The oxygen partial pressure measuring device according to claim 1, wherein the porous dye support is selected from ion exchange resins made of hydrophobic crosslinked polymers. 7. Claim 1, characterized in that the porous coating is formed from a tube-shaped envelope of a porous material.
The oxygen partial pressure measuring device described in . 8. The oxygen partial pressure measuring device according to claim 7, wherein the tube-shaped outer envelope is formed from a porous polypropylene sheet material. 9. Claim 1, characterized in that the porous covering is formed from a porous polypropylene sheet material formed into a tube shape by heat fusion, one end of which is closed, and the closed end has a tapered tip shape. The oxygen partial pressure measuring device described in . 10. The optical fiber means of claim 1, wherein the optical fiber means is formed from at least one strand of transparent plastic fiber, one end of which extends into the porous coating and is optically exposed to the dye. Oxygen partial pressure measuring device. 11. Claims characterized in that the optical fiber means is formed from two strands of flexible transparent plastic fiber extending within a porous coating and having ends optically exposed to the dye. The oxygen partial pressure measuring device according to item 1. 12. The optical fiber means is formed from one strand of clear plastic fiber with one end extending into the porous coating and optically exposed to the dye, and optically coupled to the other end of the plastic fiber. a beam splitting means for forming two separated light beams from the light transmitted through the optical fiber; photoelectric signal generating means for generating a photoelectric signal according to the
and oxygen partial pressure calculation circuit means connected to the output end of the photoelectric signal generating means. 13. The oxygen according to claim 12, characterized in that, between the light beam splitting means and the photoelectric signal generation means, different color filter means are disposed in the optical paths of the two separated light beams. Partial pressure measuring device. 14 One color filter means passes only light of a color corresponding to the luminescence wavelength of the dye, and the other color filter means corresponds to the wavelength of the scattered light reflected from the dye in the scattered light of the incident light exposing the dye. 14. The oxygen partial pressure measuring device according to claim 13, wherein only light of a certain color passes through the oxygen partial pressure measuring device. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the measurement of oxygen partial pressure, and more particularly to an injectable fiber optic probe device for measuring oxygen partial pressure in blood or tissue. BACKGROUND OF THE INVENTION Physiological oxygen measurements are important for a variety of reasons, including the following. The Γ transfer function (Figure 1) is a fundamental determinant of oxygen transport and distribution. Adsorption of O2 on Γ heme is the most widely used mechanism of oxygen accumulation and transport in the animal kingdom. The corresponding protein changes (globins) that frame the Γ-heme control its adsorption properties, shape the transfer function, and adapt the heme to the needs of specific species. The Γ globin chain also plays a role in biochemical signals, especially
PH, 2,3-diphosphoglycerate and CO2
is part of the control loop for adjusting the curve. Γ Approximately 200 genetic mutations of hemoglobin are known in humans, most of which are harmless, but some are pathological due to altered transport function (such as sickle cell disease). Γ Therefore, direct measurement of oxygen partial pressure PO 2 is necessary to observe the oxygen transport behavior of individuals in physiological studies. Furthermore, adequate tissue oxygenation is one of the most important and readily available from various surgical and critical care positions that require rapid sampling and continuous monitoring of PO2 levels. Although several technologies and systems are known,
None of them can be called optimal. For example, Clark electrodes (membrane-diffusion, current) do not contribute to miniaturization. Anything that relies on diffusion is fraught with problems of standardization and deviation. Strictly potentiometric (redox) electrodes are particularly difficult. US Pat. No. 4,201,222 (Haase) discloses an optical fiber-based catheter that can be inserted into a blood vessel in a living body to measure the partial pressure of oxygen gas in a blood stream. This catheter consists of a semipermeable wall member that allows the gaseous portion of the blood to pass through and prevents the liquid portion of the blood from entering. The intensity of the reflected visible light entering the optical fiber, when compared to the intensity of the incident light, is
It corresponds precisely to the partial pressure of oxygen gas in the blood stream. US Pat. No. 3,814,081 (Mori) discloses an optical catheter for measuring the percentage of oxygen content that saturates the blood flow of the body of a living animal. A light emitting optical fiber system and a light receiving system are provided adjacent to each other. Insert the tip of the catheter into the animal's blood-carrying organ. Oxygen saturation is measured by optical absorption spectroscopy of light waves reflected from the blood stream and received by an optical fiber. U.S. Pat. No. 3,807,390 (Ostrowski et al.) discloses a fiber optic catheter for inserting a catheter tip into the cardiovascular system of a living body and monitoring the state of blood oxygen saturation in an active human blood stream. . US Pat. No. 4,033,330 (Willis et al.) shows a generally related matter showing a transcutaneous optical PH measuring device for determining carbon dioxide concentration in blood and blood PH. No. 4,041,932 is of general interest teaching an apparatus for use in measuring and monitoring the concentration and partial pressure of gases such as oxygen and carbon dioxide in arterial blood vessels and the PH of blood over various periods of time. Although there is quite a lot of literature on PO2 electrodes, there are still no useful electrodes. Measurement of oxygen by luminescence quenching is also taught. Although the idea originated in the 1930s, it has rarely been put to practical use, and oxygen quenching of fluorescent light is widely known to be harmful. US patent
No. 3,612,866 (Stevens) discloses an apparatus for measuring the oxygen-containing concentration of liquids or gases based on the molecular luminescence quenching effect of gaseous oxygen on aromatic molecules, their derivatives, and aliphatic ketones. Other applications of luminescence quenching for oxygen measurements include (1) “Initial observation of the effect of silica gel adsorbed dyes”
H. Kautsky and A. Hirsch Early 1930s, e.g. H. Kautsky and A. Hirsch "Inorganic and General Chemistry" 222 ,
126−34, 1935. (2) “Measurement of O 2 by illumination of algae”, M. Pollack, P. Pringsheim, D. Terwood,
Journal of Chemical Physics (J.Chem.Phys), 12 , 295
-9, 1944. (3) "Scintillation of Organic Molecules. A Compendium of Oxygen Quenching Sensitivity of Interests," IB Berlman, "Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules," Academic Press, 1965. (4) “O 2 measured at 10 −5 torr using acriflavin on acrylic sheets”, Gy. Orban, Zs. Szentirmay, J. Patko, “Proc.of
the Intl.Conf.on Luminescence”, 1966.V.1,
611-3, 1968. (5) “Diffusion efficiency of O 2 in acrylics measured by phosphorescence observation of rods”, G. Shaw, trans. Trans.Faraday Soc. 63 , 2181-9, 1967. (6) " O2 permeability of acrylic films measured by extinction ratio versus PO2 ", PF Jones,
Polymer letters 6 , 487
−91, 1968. (7) “PO 2 measurement device based on fluoranthene adsorbed on plastic film and porous Vycor” I. Bergman, Nature.
218, 396, 1968. (8) “Butyric acid used as a probe for intracellular O 2 measurement”, JA Knopp, IA Longmuir, Biochimica et Biophysica Acta
279, 393-7, 1972. (9) “Measurement of physiological PO 2 using DMF solutions of pyrenebutyric acid in various membrane-enclosed forms” D.
W. Lubber, N. Opitz,
Z. Naturf, 30c , 532-3,
1975. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to overcome the drawbacks of the known techniques as mentioned above. Another object of the invention is to provide improved in vivo PO2
It is to provide measurements. It is also an object of the present invention to provide an improved PO 2 measurement device, in particular a device based on oxygen measurement using luminescence quenching and having an optical fiber probe. Furthermore, another object of the present invention is to provide a relatively simple optical system using luminescence quenching as the working principle and combined with an optical magnification tube, and a system which is operated by the optical magnification tube and detected by the optical system. PO 2 using an optical fiber probe combined with an electronic arithmetic circuit that performs direct analog calculation of PO 2 based on the luminescence quenching.
The purpose of this invention is to provide a measuring device for A typical fiber optic probe for measuring oxygen partial pressure based on the principle of fluorescence quenching according to the present invention has a diameter of
It consists of two 150 micrometer strands of plastic optical fiber with plastic tube-shaped ends of a porous cross section of 0.6 mm and a length of about 5 mm. The tube contains the dye on an absorbent particulate support. This basic structure is
U.S. Patent 4200110 to Peterson et al.
It is similar to the physiological PH probe disclosed in . In developing the probe of the present invention, it was necessary to solve three main problems not previously encountered in the application of the extinction principle described above. Namely: 1. A dye must be found that has a combination of properties such as suitable oxygen quenching sensitivity (long active state lifetime), fluorescence excitation by visible light, and resistance to fading. Plastic optical fibers that transmit light at wavelengths shorter than 450 nm are not used. Ultraviolet-transparent inorganic fibers are brittle and therefore unsuitable for the present invention. 2. A suitable hydrophobic, high oxygen permeable envelope was required. 3. The adsorptive support needed to maintain moisture resistance and activate the dye. Traditional silica dye supports are not suitable for use in aqueous media. The probe device of the present invention provides a small, low-cost probe suitable for injection into tissue or blood vessels via a skin needle. The optical fiber probe has the following advantages. a Extremely small sizes, such as diameters of 0.5 mm or less, are possible. b. It is flexible and can thread through small blood vessels and enter various tissues. c. It is cheap, disposable, and easy to manufacture. d.Does not cause electrical interference. e Suitable for static measurements compared to dynamic measurements. The reason for choosing luminescence quenching as the mechanism for oxygen measurement is based on the following factors. 1. A reversible indicator is required for the PO 2 probe. Reversible colorimetric (absorbance) indicators for oxygen are inappropriate. Transition metal complex oxygen adsorbents do not have the necessary stability. 2 Aromatic molecules form charge-transfer complexes with oxygen upon activation by light absorption. This results in an inert fluorescent state mechanism characteristic of oxygen. The molecular activation energy is not required to be high enough to form active oxygen by collisional energy transfer, i.e. the quenching phenomenon can be observed with visible light activation of luminescence. Fluorescence (and phosphorescence) quenching is the result of a non-luminescent decay mode that competes with the luminescent decay of the active molecule, reducing the average lifetime of the active state and reducing the emission intensity. (See Figure 2) With constant illumination, the decay rate of the excited state is the sum of the rates of various decay modes, and the collisional decay rate is proportional to the average lifetime of the active state and the collision rate (approximately,
(comparable to the fluorescence lifetime), the collision rate is proportional to the pressure of the quenching gas. These competing decay rates are determined by the partial pressure of oxygen PO 2
is the Schüthern-Folmer equation of emission intensity I. I 0 /I = 1 + PO 2 /P' (O. Schüthern & M. Follmer, Fujikaritssier, Zeitschrift, 20 , 183-8,
(1919), where I 0 is the emission intensity in the unquenched state, and P′ is a constant and the pressure in the semi-quenched state. The above equation can be expressed in terms of the observed emission lifetimes, T 0 and T, since the constant has a corresponding extinction proportionality that refers to the fluorescence lifetime. T 0 /T=1+PO 2 /P' Good sensitivity of quenching requires excited states with long mean lifetimes. Phosphorescence, which has an extremely long lifetime (several seconds), is sensitive to quenching, but the intensity is low. Fluorescence is less sensitive to quenching, but has high brightness (high quantum yield). P 1 is in the pressure class that should be measured to obtain the best compromise between brightness and sensitivity. (See FIG. 3) BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other objects and advantages of the invention will become apparent from the following description and claims, and from the accompanying drawings. Incidentally, FIG. 1 is a graph showing the classical relationship between blood oxygen concentration and pressure in the human body. FIG. 2 is a schematic illustration of the competitive mode of inactivation of optically excited molecules. Figure 3 shows P′ and
FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing the relationship between PO 2 . FIG. 4 is an illustration of an embodiment of a PO 2 probe according to the invention. Fifth
The figure is a graph comparing typical observed data according to the present invention with theoretical values of Schütern-Folmer. FIGS. 6 and 7 schematically illustrate an electronic computing system for a simple analog device using an optical system and a test probe according to the invention, respectively. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the accompanying drawings, particularly in FIG.
The probe is configured as shown at 8. The PO 2 probe 8 was created after the already developed PH probe in the process of use. (See US Pat. No. 4,200,110, Peterson et al.) In this PO 2 probe 8, the dye 15 of the adsorption support 16 is placed inside a polyethylene tube 10 with a porous cross-sectional shape, and is rapidly exchanged with surrounding oxygen. Obtain equilibrium and dye adsorption support 16
protect from contamination. The tube 10 has a distal end 9 at one end which tapers gradually toward the axis of the tube and is closed. The pair of flexible plastic optical fibers 12, 14 are, for example,
Using a 150 micrometer strand of plastic optical fiber, the end of the fiber is attached to the dye 15 in the dye adsorption support 16 at the other end of the tube 10.
to be optically exposed. tube 1
0 consists of a cross-sectional porous polymer tube approximately 5 mm long and 0.6 mm in diameter. Illumination with blue light passes through one optical fiber 12 and excites the dye 15, causing it to fluoresce. The green fluorescent light with the scattered blue light is connected to the other optical fiber 1.
4 and is transmitted to the measuring equipment. (See Figures 6 and 7). The blue light intensity I 0 is used as a reference value for optical correction, and the green light intensity I indicates a measure of oxygen quenching. The Schüthern-Folmer relationship provides a linear quantitative criterion for measuring PO2 using extinction. (See Figure 5) The relationship between the curves is widely seen (there are many publications on data blotted based on Schüthern-Folmer),
Oxygen pressure is often indexed to fit experimental data to the equation. Although the theoretical interpretation of this exponential relationship is difficult to understand, the curve data can be properly fitted by an offset constant during intensity measurements, which can be accounted for in the instrumental context and in non-quenched luminescence. However, for equipment design, corrections are made by attaching an index m to the intensity ratio, or by attaching an index n to the difference enclosed in curly brackets [(I blue / I green) - 1]. It is more practical to use a correction formula. PO 2 =P′ [(I Blue/I Green) m − I] o A simple analog device was constructed to calculate the probe measurements. (See Figures 6 and 7) Measurement of PO 2 closest to 1 mmHgPO 2 requires an accuracy of more than 0.1% intensity measurement error. Instrumentally, the limiting factor is the stability of the light source. As mentioned above, there are three features of the system that need to be selected appropriately: the dye 15, the dye support 16, and the tubular coating 10. Suitable dyes 15 have the following properties: a. Excitable by visible wavelengths that can be transmitted by a plastic optical fiber that does not break when bent at an acute angle, has high flexibility, and has a shape that allows easy optical coupling by baking etc. In addition, it must be possible to generate visible light having visible wavelengths. b. Must be stable to light and have adequate resistance over time. c. Must not be toxic. d Must have sufficient oxygen quenching sensitivity (long average lifetime of excited states) to make measurements closest to 1 mmHgPO 2 . The problem with selecting dye 15 is that many UV-excited dyes have high quenching sensitivities (benzene is one of the highest), and the requirement for visible light excitation makes it difficult to select dyes that meet this requirement. Make it more difficult to find. A preferred dye is perylene dibutyrate. Another desirable dye is Pylan Products LX7878. Dyes that are not optimal but can be used are Terasil Brilliant Flavine
8GFF, Nylosan Brilliant Flavine, Acridine Yellow, Brilliant Sulfaflavine, 2,
7-dichlor fluorescein, Acridine Orange, Coumarin 34, Coumarin 6, sodium fluorescein (Auranine), and certain rhodamines. Others are described in the references cited above. Regarding the preferred dye support 16, a quenching effect has traditionally been observed in silica gel, and high sensitivities are obtained with this support. A dye adsorption support with high oxygen permeability is necessary to expose individual dye molecules to oxygen bombardment. Dye solutions in liquids or solids are not photosensitive due to the low oxygen permeability of these materials. The problem with inorganic adsorbents is that the quenching is sensitive to humidity, and the quenching and/or fluorescence is destroyed at 100% humidity, which is the physiological measurement condition. Organic adsorbents such as porous polymers avoid this moisture problem at the expense of quenching sensitivity.
It is desirable to select polymers that can be determined by repeated testing of this description. Porous polymer, product name of ion exchange resin “Amberlite XAD4” (Rohm & Haas “Amberlite
A nonionic hydrophobic polymer is a preferred support 16. Another example is Gas Chrom Q
Q), Amberlite XAD2,
XAD8, Dow XFS 4022, Johns
Johns-Manville Cromosorb
Chromosorb) Nos, 10, 102, 103, 104, 105,
106, 107, 108, Waters Porapak Nos.N, P, PS, Q, R,
S, QS, T; Hamilton Co.PRP
-1. In the illustrated embodiment of the PO 2 probe 8, a high oxygen permeability liquid-water impermeable container is required for the high oxygen permeability porous coating 10 of this embodiment.
It is preferable to use a porous polypropylene sheet material manufactured by Celanese Co., Ltd. under the trade name Celanese "Celgard" which is heat-sealed to form a tube shape. The above examples were carried out in aqueous media as well as in gaseous systems and worked satisfactorily in test animals. The combined use of fiber optics and luminescence quenching for oxygen measurements is believed to be new and superior. As mentioned above, important features of the invention are the use of porous polymeric supports, the appropriate selection of dyes, and the use of porous coatings or envelopes. The use of a porous polymer as the dye support 16 is one of the most important requirements for oxygen partial pressure measurement. As mentioned above, the preferred coating 10 is formed from Celgard;
Other porous materials can also be used. Various embodiments are possible, including reducing the size of the tip by using other methods of making the tip, such as a single fiber rather than two optical fibers, and appropriate equipment modifications. Can be done. In the typical optical system of FIG. 7, the optical output of fiber 14 is
is transmitted to a two-color filter 19 tilted at 45 degrees. The transmitted light component passes through a blue filter 20,
The first optical magnification tube 21 is reached. The reflected light component passes through the green filter 22 and reaches the second optical magnification tube 23.
As shown in FIG. 6, the output currents from the optical magnification tubes 21 and 23 are respectively
5, and the obtained voltage signals are passed through active filters 26 and 27, respectively, and the quotient (I blue/I blue/I
a division circuit 28 having means for giving an index m to (green)
becomes the input. The output of the circuit 28 is sent to the final calculation circuit 2.
9 to calculate the PO 2 analog value. That is, the arithmetic circuit 29 subtracts the quantity 1 from the input signal,
Add a coefficient P' as shown in FIG. It will be obvious to those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the scope of the invention and that the invention is not limited to what is shown in the drawings or described in the specification.