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Meßsonde und Verfahren zu ihrer Anwendung
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ie Erfindung betrifft eine Sonde für Messungen in schwer zugänglichen
Hohlräumen. In besonderer Ausgestaltung ist diese Sonde für medizinische Anwendungen#
vorgesehen, insbesondere für Messungen in Körperhöhlen, z. B. in Blutgefäßen eines
Patienten. Je nach Art der in der Sonde verwendeten Meßfühler sind verschiedene
Arten von Meßwerten erfaßbar, u. a. Analysenwerte von Substanzen, die in einer Körperflüssigkeit
gelöst sind.
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Es sind verschiedene Ausführungen von Meßsonden nach obiger Begriffsbestimmung
bekannt, aus dem Bereich der medizinischen Anwendungen z. B. aus den US-Patentschriften
3 415 730, 3 528 403 und 3 959 107. Im Prinzip gleichen sich alle diese bekannten
Meßsonden darin, daß sich die meßaktiven Teile an der äußeren Oberfläche der im
wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Sonde befinden, entweder -an der Stirnfläche
oder an der Mantelfläche des zylindrischen Sondenkörpers.
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Durch Versuche und daran anknüpfende Überlegungen konnte nun festgestellt
werden, daß diese Anordnung der meßaktiven Teile häufig zu Störungen Anlaß gibt.
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Bereits bei der Handhabung im nicht eingeführten Zustand besteht die
Gefahr, daß die empfindlichen Obcrflächen der meßaktiven Teile durch Anstoßen oder
blosses Berühren beschädigt oder zumindest in ihren Eigenschaften beeinträchtigt
werden. Noch mehr gilt dies für den Vorgang des Einführens, bei dem eine mechanische
Beanspruchung kaum vermieden werden kann, so daß auch hier Veränderungen und Ueeintrdchtigungen
der Meßeigenschaften eintreten können, deren Kontrolle nachträglich nicht mehr möglich
ist. Auch im eingeführten Zustand können durch Berührung zwischen den empfindlichen
Oberflächen der meßaktiven Teile und den Wänden des Hohlraumes unkontrollierbare
Veränderungen eintreten, die die Gültigkeit der Meßergebnisse in Frage stellen.
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Zur Verdeutlichung dieser Problematik genügt es, daran zu denken daß
das Meßsignal eines U2-Sensors von der in US-PS 3 415 730 beschriebenen Art von
der 02-Diffusion aus dem Meßmedium durch eine dic mcßcmfindlichc Oberfläche bildende
Membran und den von dieser eingeschlossenen Elektrolytraum zur Kathode hin bestimmt
wird.
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In die Eichung des Meßfühlers geht der resultierende 02-Diffusionswiderstand,
bestehend aus den Diffusionswiderständen der genannten Teile, als proportionaler
Faktor ein. Durch eine Berührung der meßempfindlichen Oberfläche z. B. mit der Innenwand
eines Blutgefäes kann der Diffusionswiderstand in unvorhersehbarer Weise erheblich
verändert werden, z. B. durch Veränderung der Schichtstärke des Elektrolyten zwischen
der Membran und der Kathode, durch teilweises Abdecken und damit Unwirksamwerden
der Membranoberfläche im Bereich der Berühruny
und durch Veränderung
der Strömungsverhältnisse in unmittelbarer Nähe der meßempfindlichen Fläche, da
ein erheblicher Teil des 02-Diffusionswiderstandes im Meßmedium selbst liegt und
somit von den dort herrschenden Strömungsbedingungen abhängt.
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ähnliche überlegungen gelten z. B. für eine Sonde zur Druckmessung.
Auch hier wird das Meßsignal durch eine Berührung der meßempfindlichen Membran mit
einer Innenwand des Hohlraumes sowie durch die im Bereich der meßempfindlichen Membran
herrschenden Strömungsverhältnisse beeinflußt. Bei medizinischen Anwendungen solcher
Druckmeßsonden z. B. kommt es häufiq darauf an, den zeitlichen Verlauf des mit dem
Herzschlag periodisch veränderlichen Druckes zu analysieren. ies ist jedoch unter
den genannten Störeinflüssen nur mit begrenzter Zuverlässigkeit möglich.
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Als weiteres Beispiel sind Meßverfahren zu nennen, bei denen die optische
Reflexion am Meßmedium zu Analysezwecken benutzt wird. Auch hier kommt es durch
die Berrung der meßempfindlichen Fläche mit den Wänden des Hohlraumes zu Meßfehlern.
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1)er Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Sonden mit einem Meßelement
oder mehreren Meßelementen für Messungen in schwer zugänglichen Hohlräumen zu schaffen,
bei denen die genannten Störungen vermieden werden. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht
die Erfindung vor, daß die Meßelemente im Inneren eines an seinem mit dem Meßmedium
in Berührung stehenden Ende offenen rohr- oder schlauchförmigen Körpers angeordnet
sind.
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Aus diesem Prinzip und seinen weiteren Ausgestaltungen
ergeben
sich insbesondere für Anwendungen in der Medizin weitere Vorteile, und zwar hinsichtlich
der Kompatibilität von Meßobjekt und Meßsystem. Bekanntlich reagiert der Organismus
auf jede eingebrachte Fremdoberfläche je nach deren Eigenschaften mehr oder weniger
stark. Im Blut kommt auf diese Weise zu Gerinnungsvorgängen auf der Oberfläche von
eingeführten Sonden, was nicht nur für deren Meßeigenschaften nachteilig ist, sondern
auch für den Patienten eine Gefahr darstellt.
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Dem sucht man dadurch zu begegnen, daß man Antikoagulantien zur Minderung
der Gerinnungstendenz zuführt.
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In vielen Fällen kann dies als zulässig gelten, bei traumatisierten
oder frischoperierten Patienten entstehen jedoch durch die auf diese Weise hervorgerufene
Blutungsneigung erhebliche Gefahren, so daß die Anwendung solcher Techniken in derartigen
Fällen bisher ausgeschlossen werden mußte.
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Auch dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst, und zwar durch
ein besonderes Anwendungsverfahren der erfindungsgemäßen Meßsonden, welches darin
besteht, daß das Meßmedium, in diesem Falle Blut, nur für relativ kurze Zeit in
den Innenraum des rohr- oder schlauchFörmigen Körpers eingesaugt wird oder durch
seinen eigenen Überdruck eindringt, während in den übrigen Zeitabschnitten, in denen
keine eigentliche Messung erforderlich ist, der Innenraum der Meßsonde von Eich-
oder Spülmedien durchströmt wird.
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Einzelheiten der Meßsonden wie auch des Verfahrens zu ihrer Anwendung
und weitere Eigenschaften und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Abbildungen.
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Fs S 7 ei(Jt : Fig. 1 - die Gesamtansicht einer Katheter-Meßsonde,
Fig. 2 - eine Teil-Axialschnittansicht einer Katheter Meßsonde mit einem Meßfühler,
Fig. 3 - eine Teil-Axialschnittansicht des Anschlußkopfes einer Katheter-Meßsonde,
Fig. 4 - ein Schema einer Anordnung zum Betrieb einer Katheter-Meßsonde, Fig.5a-c-Tcil-Axialschnittansichten
von meßaktiven Teiten einer Katheter-Meßsonde für ionenselekti Messungen und Tig.
6 - eine Ansicht, teilweise im Axialscillitt, einer weiteren Ausführungsform einer
Katheter-Meßsonde.
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In Fig. 1 ist eine Meßsonde gemäß der Erfindung in allgemeiner Form
dargestellt. Sie besteht aus einem langgestreckten rohr- oder schlauchförmigen Körper
1 mit einem durchgehenden Strömungskanal, der am unteren, in den Meßraum einzuführenden
Ende 2 offen ist und am oberen, außerhalb des Meßraumes liegenden und ebenfalls
offenen Ende ein Verbindungsstück 3 trägt, durch das über ein passendes Gegenstück
eine Verbindung zu einer äußeren Leitung hergestellt werden kann. Von der Meßsonde
zweigen eine oder mehrere Meßleitungen 4 ab. Hierbei kann es sich um elektische
Leitungsdrähte, Lichtleiter oder auch um elektrolytische Leiter (z. B. mit Elektrolytflüssigkeit
gefüllte Schläuche) oder feste Ionen leiter sowie eine beliebige Kombination derartiger
Leitungen handeln, die in erster Linie der Ableitung der Meßsignale zu entsprechenden
Meßgeräten dienen, während der erwähnte Strömungskanal zum Ansaugen des Meßmediums
und zur Zuführung von Eich-/oder Spülmedien oder Infusionslösungen gegebenfalls
unter Zusatz eines oder mehrerer Medikamente oder anderer Wirkstoffe dient.
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Fig. 2 zeigt rein schematisch in Schnittdarstellung den unteren, in
den Meßraum einzuführenden Teil einer Meßsonde mit dem Strömungskanal 5 , der in
den Meßraum mündet. Im Inneren des Strömungskanals, z. B. an oder in seiner Wandung,
ist ein Meßelement 6 angeordnet, das in der Abbildung nicht näher spezifiziert ist.
Es kann sich beispielsweise um einen elektrochemischen Sensor nach Art einer pH-Elektrode,
einer ionenselektiven Elektrode, um einen Drucksensor, Temperatursensor oder dergleichen
handeln. Über Leitungen 7 , die der Art des Jeweiligen Sensors entsprechen und in
der Wand der Meßsonde verlaufen, steht das Meßelement mit einem äußeren Meßgerät
in Verbindung. Es kann notwendig sein, zusätzlich eine Abschirmung 8 und 8a in 1
orm einer elektrisch leitenden Zwischenschicht vorzusehen, die das Meßelement und
seine Leitungen gegen äußere elektrische Störfelder bzw. über den Strömungskanal
5 eintretende elektrische Störfelder abschirmt.
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Eine Schnittzeichnung des oberen Teils der Meßsonde, an dem die Meßleitungen
abzweigen, zeigt Fig. 3.
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in Fig. 4 ist rein schematisch eine bevorzugte Ausführung des Gesamtsystems
für den Betrieb der Meßsonde gezeigt.
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Der Strömungskanal der Meßsonde 1 , die mit ihrem Ende 2 in den Hohlraum,
in dem der Meßwert aufgenommen werden soll, eingeführt ist, steht über eine Schlauchleitung
10, eine Absperrvorrichtung 9a und eine Pumpe 11 mit einem Vorratsbehälter 12 für
ein Spülmedium in Verbindung. Bei einer medizinischen Anwendung würde es sich bei
diesem Spülmedium z. B. um eine Infusionslösung handeln, die dem Patienten in den
meisten Fällen ohnehin zugeführt werden muß. Durch die Antriebsgeschwindigkeit der
Pumpe 11, die z. B. als peristaltische Schlauchpumpe ausgeführt sein kann, ist bei
geöffneter Absperrvorrichtung 9a die Zufuhrgeschwindigkeit
des
Spülmediums nach Bedarf einstellbar. Von Ausnahmefällen abgesehen (z. B. sind Druckmessunde
bei nicht zu hoher Durchflußgeschwindigkeit weitgehend unverfälscht möglich), findet
in diesem Zustand keine Messung statt; die Apparatur befindet sich im Bereitschaftszustand.
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Zur Messung, z. B. zur Analyse einer Probe des im Hohlraum (z. B.
Blutgefäß) befindlichen Mediums, genügt es, für kurze Zeit die Förderrichtung der
Pumpe 11 umzukehren und, falls die Messung eine etwas längere Zeit erfordert, die
Pumpe für eine entsprechende Dauer unzuhalten. Auf diese Weise wird eine Probe des
Mediums in den Innenraum der Meßsonde gebracht und unter definierten Bedingungen,
die von den Vorgängen und Verhältnissen an der Außenseite der Meßsonde nicht beeinflußt
werden, vermessen. Die Menge der aufgenommenen Probe muß hierbei natürlich ausreichend
groß sein, so daß, z. B. zum Zwecke einer Analyse, die im oder am Strömungskanal
liegenden Meßelemente vollständig mit dem Meßmedium in Berührung kommen. Durch eine
entsprechende Anzahl von Umdrehungen der Pumpe 11 in Saugrichtung ist dies ohne
weiteres steuerbar.
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Nachdem sich der Meßwert stabilisiert hat, oder nach einer anderen
beliebig vorgebbaren Zeit, kann das System wieder auf den vorherigen Bereitschaftsbetrieb
umgeschaltet werden, bis eine erneute Messung angefordert wird.
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Lin wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist, daß die Kontaktzeit
zwischen dem Meßmedium und den meßempfindlichen Oberflächen der Meßelemente auf
das gerade erforderliche Maß beschränkt werden kann. Die Auswirkungen von wechselseitigen
Inkompatibilitäten zwischen dem Meßmedium
und den meßempfindlichen
Teilen können dadurch duf ein Minimum reduziert werden. Als Beispiel sei crwähnt,
daß Glas, wie es bei manchen Meßfühlern (z.U.
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Thermistoren oder pH-Sensoren) vorteilhaft verwendet wird, bei Berühruny
mit Blut in relativ kurzer Zeit eine Gerinnung auslöst, so daß eine Dauermessung
in Blut mit solchen Sensoren nicht möglich ist. Mit dem hier vorgesehenen Verfahren,
bei dem die Kontaktzeit z. B. auf einige Sekunden beschränkt bleiben kann, gelingt
es jedoch, diese Schwierigkeit zu überwinden.
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Bei vielen Meßaufgaben, insbesondere auch in medizinischen Anwendungen,
bedeutet es demgegenüber keinerlei Nachteile, wenn die Meßergebnisse diskontinuier
lich oder nur auf Abruf anfallen, wie es dieses Verfahren mit sich bringt.
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In Fig. 4 ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
daß dem Strömungskanal der Meßsonde ein Eichmedium zugeführt werden kann oder mehrere
Eichmedien nacheinander oder gleichzeitig, wobei auch die Möglichkeit besteht, daß
solche Eichmedien das zuvor erwähnte Spülmedium vollständig ersetzen.
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Auf diese Weise wird die Möglichkeit geschaffen, die im Strömungskanal
angeordneten Meßelemente bekannten Bedingungen (z. 8. Temperatur, chemische Zusammensetzung)
auszusetzen und die Kalibrierung der Meßanzeige zu überprüfen und im Bedarfsfalle
manuell oder automatisch zu korrigieren. Im gezeigten Beispiel sind zwei Vorratsbehälter
13 und 14 für Eichmedien mit entsprechenden Förderpumpen 15 und 16 sowie mit den
Absperrvorrichtungen 9b und 9c vorgesehen. Hiermit kann beispielsweise eine Zweipunkt-Kalibrierung
der Meßcharakteristik eines Meßelements durchgeführt werden.
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Zur Kontrolle der Eichmedien oder als Bezugselektro de für elektrochemische
Messungen kann in der Zuführunysleitung 10 eine Referenzmeßzelle bzw. Referenzelektrode
17 notwendig sein. Die Art dieser Referenzmeßzellen ist auf die Art der angewandten
Meßverfahren abzustimmen. Wenn die Meßsonde 1 eine Temperatur-Meßsonde ist, wird
die Referenzmeßzelle 17 sinnvollerweise einen Temperatur-Meßfühler enthalten, um
die Temperatur der zugeführten Eich- bzw. Spülmedien zu bestimmen. Bei elektrochemischen
Messungen mit ionenselektiven Meßfühlern in der Meßsonde 1 wird die Referenzmeßzelle
17 eine elektrochemische Bezugselektrode enthalten.
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Die Meßleitung 4 der Meßsonde 1 und ggf. eine Meßleitung 18 von der
Referenzmeßzelle 17 führen zu dem Auswertungs- und Anzeigeteil 19. Die dieser Einheit
19 zugeführten Meßwertinformationen werden hier ihrer Art entsprechend, wie nach
dem Stand der Technik üblich, aufbereitet und verarbeitet. Auch die Steuerungsfunktion
für die Zuführung der Eich-, Spül- und Meßmedien sowie der Infusionslösung (en)
durch Betätigung der Pumpen 11 , 15 und 16 und der entsprechenden Absperrvorrichtungen
9a, 9b und 9c und die Auswertung der Eichwerte und ggf. automatische Korrektur der
Auswertungsparameter können in den Auswertungs und Anzeigeteil integriert werden.
Die technische Realisierung derartiger Funktion mit elektronischen Mitteln, einschließlich
der heute weitgehend üblichen Mikroprozessortechnik, bieten keine wesentlichen Probleme.
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Fig. 5 a, b und c zeigt gegenüber Fig. 2 stärker detailliert Ausführungsbeispiele
von Teilen einer Meßsonde für
die ionenselektive Analyse, und zwar
den unteren, in den Meßraum einzuführenden Teil in Schnittdarstellung.
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Der obere Teil, der nach dem in Verbindung mit Fig. 3 erläuterten
Prinzip aufgebaut sein kann, ist weggelassen. Die Meßsonde gemäß Fig. 5a besteht
im wesentlichen aus mehreren konzentrischen Schläuchen. Der innere Schlauch 20 ,
der z. 8. aus Polyvinylchlorid (PVC) besteht, ist an einem Teil seiner Wandung durch
Eindiffusion von Ionophoren unter Zuhilfenahme eines Lösungsmittels und/oder Weichmacher
bzw. mehrerer Weichmacher in eine ionenselektive Membran 21 umgewandelt.
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Alternativ dazu kann die ionenselektive Membran z. 8.
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eine Carrier-PVC-Membran jedoch in bekannter Weise auch separat hergestellt
und dann in die Schlauchwandung eingesetzt werden oder in einer ausgestanzten Öffnung
des Schlauches 20 vergossen werden.
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Zur Potentialableitung wird in dem gezeigten Beispiel in Fig. 5a ein
Platindraht 22 benutzt, der im Bereich der Kontaktierung der ionenselektiven Membran
eine aufgeschmolzene Schicht 23 aus Silberchlorid trägt. Die Isolationsschicht 24
des Platindrahtes 22 übernimmt gleichzeitig Abschirmungsaufgaben. Die Abschirmung
24 läßt die Übergangszone zwischen der Platinoberfläche und der aufgeschmolzenen
Silberchloridschicht frei, so daß das Membranpotential über die Silberchloridschicht
nur dem Platindraht 22 zugeleitet wird.
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Über die so vorbereiteten Teile wird zur Isolation ein weiterer Schlauch
26 geschoben und durch übliche Maßnahmen (Kleben, Schweißen, Schrumpfen unter Wärmeeinwirkung)
abdichtend befestigt. Darauf folgt zur elektrischen Abschirmung eine Schicht 27
aus elektrisch leitendem Material (z. 8. leitendem Siliconkautschuk
CHO-BOND
1038, Fa. Chomerics, Berlin). Als äußere Umhüllung dient ein dritter Schlauch 28.
Die drei Schläuche 20, 26 und 28 werden im Bereich des unteren Endes 29 miteinander
verklebt oder verschweißt, um einen glatten und abgerundeten Rand an der Austrittsöffnung
des inneren Strömungskanals 5 zu erzeugen.
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Das in Fig. 5a gezeigte Beispiel kann aufgrund der gegebenen Beschreibung
vom Fachmann in verschiedener Weise, wie z. 8. in Fig. 5b und 5c dargestellt, abgewandelt
werden, ohne das dargestellte neuartige Prinzip zu verlassen. Dies betrifft insbesondere
das Hinzufügen oder Weglassen von Teilen Wie auch die Wahl der Materialien, u. a.
auch der in die ionenselektive Membran 21 inkorporierten Carriersubstanz, die für
die Art des Ions, auf das der Meßfühler bevorzugt anspricht, maßgebend ist.
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Fig. 5b zeigt in Abwandlung zu Fig. 5a die Verwendung einer tubulären
pH-Glasmembran bzw. einer natriumselektiven Glasmembran 30 mit Festkontakt 31 z.
B. aus Harvard-Cement gegebenfalls mit Ag/AgCl oder einer aufgebrachten Metallschicht.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5c dargestellt, in dem
eine ionenleitende Glasmembran 30 mit einer ionenselektiven Carrier-PVC-Membran
21 überzogen ist.
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Wird beispielsweise noch eine zusätzliche Membran mit immobilisiertem
Enzym aufgetragen, so liegt ein elektrochemisch-enzymatischer Sensor vor. Immunologische
Unverträglichkeitsreaktionen lassen sich gegenüber artfremden
Enzymen
bekannterweise dadurch vermeiden, daß eine Dialysemembran den direkten Blut-Enzym-Kontakt
verhindert. Dem Fachmann fällt es nicht schwer weitere Austführungsbeispiele hinzuzufügen.
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im übrigen entsprechen die weiteren Teile der in Vig.
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5b und 5c dargestellten Ausführungsbeispie le dcnn der Fig. 5a. Die
Katheterspitze 29 ist in Fig. Sb und 5c weggelassen.
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Darüberhinaus besteht natürlich die Möglichkeit, nach dem gleichen
Prinzip Meßsonden mit mehreren Meßelement ten herzustellen. Hierzu genügt es, entsprechend
mehrere ionenselektive Bereiche 21 in der Wand des inneren Schlauches 2V anzubringen
und für jeden dieser ionenselektiver Bereiche einen Ableitkontakt vorLusehen.
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In Fig. 6 ist schematisch in Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung angegeben.
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Es handelt sich hierbei um eine Meßsonde mit mehreren Meßfühlern 6A,
6B, 6C und 6D, die sich teils an der Innenwand des Strömungskanals 5 befinden (6A,
6B), teils im Inneren des Strömungskanals 5 angeordnet sind (6C, 6D). Auf diese
Weise können z. B. elektrochemische Messungen mit Druckmessungen, Temperaturmessungen,
optischen Messungen usw. kombiniert werden, soweit entsprechende Meßfühler bekannt
sind und in yeeigneter Bauform hergestellt werden können. Für medizinische Anwendungen
sind unterschiedliche Kombin#tionen von Meßfühlern von Interesse.
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Die Meßfühler 6A und 6B, die in Fig. 6 in verallgemeinerter Form angegeben
sind, können z. B. nach dem in
Verbindung mit Fig. 5a bis 5c beschriebenen
Verfahren hergestellt sein. Für die im Inneren des Strörnungska nals 5 angeordneten
Meßfühler 6C und 6D, die sich an einem Meßfühlerträger 32 befinden, welcher einer
herkömmlichen Katheter-Meßsonde ähnelt, sind aus der Literatur verschiedener Bauformen
bekannt.
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Die in Fig. 6 gezeigte Katheter-Meßsonde kann ebenfalls in verschiedener
Art Je nach den Erfordernissen abgewandelt werden, z. B. hinsichtlich Anzahl, Art
und Detailkonstruktion der Meßfühler.
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Eine besondere Variante der Erfindung besteht darin, daß nur der Meßfühierträger
32 einen oder mehrere Meßfühler enthält, während der äußere rohr- oder schlauchförmige
Körper der Katheter-Meßsonde keinen Meßfühler in oder an seiner Wandung aufweist.