DE3751559T2

DE3751559T2 - Apparat zum Messen von biologischen Informationen.

Info

Publication number: DE3751559T2
Application number: DE3751559T
Authority: DE
Inventors: Norio Daikuhara; Takeshi Shimomura; Naoto Uchida; Norihiko Ushizawa; Shuichiro Yamaguchi
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1987-07-01
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2007-07-02
Also published as: DK334787D0; FI872885A; FI872885A0; DK334787A; EP0251931B1; AU7498087A; US5126937A; CA1286402C; NO872732L; AU585162B2; EP0251931A2; ATE128835T1; DE3751559D1; NO872732D0; EP0251931A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information. Insbesondere betrifft die Erfindung eine biologische Meßvorrichtung, die zum Erfassen und Überwachen einer Probe in einem Kreis laufaußerhalb des Körpers verwendet wird, oder um eine Erfassung und Überwachung am lebenden Körper durchzuführen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Auf klinischen und medizinischen Gebieten ist die Dauermessung und -überwachung einer Ionenkonzentration, einer Gaskonzentration und einer Konzentration von biologischen Substanzen, insbesondere Enzymen, erwünscht. Obgleich eine Wertschätzung einer Dauerüberwachung in der allgemeinmedizinischen Behandlung anwächst, ist bis jetzt kein praktisch anwendbares Dauerüberwachungssystem verwirklicht worden. Es gibt verschiedene Gründe dafür. Einer ist, daß Ionensensoren und Sensoren zum Identifizieren biologischer Substanzen in einem lebenden Körper oder in biologischen Lösungen nicht stabil arbeiten. Ein anderer ist, daß Ionensensoren, Gassensoren und Enzymsensoren, welche typischerweise Glaselektroden sind, im allgemeinen eine hohe Impedanz aufweisen, welche sie empfindlich gegenüber nachteiligen elektrischen Effekten macht. Als Ergebnis sind keine zufriedenstellenden Überwachungsschaltungen verfügbar. Wenn eine Überwachung über eine ausgedehnte Zeitdauer durchgeführt wird, beeinträchtigen des weiteren Temperaturänderungen eine Meßgenauigkeit, was es somit schwierig macht, eine hochgenaue Überwachung zu erzielen. Infolge des Einflusses von elektrischen Störungen gibt es eine Einschränkung darauf, wie weit entfernt der Meßbereich und der Verarbeitungsbereich des Systems voneinander getrennt werden können.
Auf dem Gebiet einer Patientenüberwachung ist es aus der US-A-3 781 092 bekannt, ein völlig nichtelektronisches System zu verwenden, das auf der Grundlage von Wandlern, die selektiv Lichtsignale aus einer Laserquelle sperren, und optischen Lichtleitern zum Übertragen der entsprechenden Signale zu einem Steuerpult steht. Das Pult ist dazu gedacht, eine zentralisierte visuelle Anzeige einer Lebensfunktion von einer Anzahl von Patienten an verschiedenen Orten, z. B. in einer Krankenhausstation, vorzusehen. Der ganzheitlich optische Aufbau ist dazu gedacht, die Zuverlässigkeit zu verbessern.
Das Konzept einer Temperaturkompensation in dem Zusammenhang einer Kohlenstoffdioxidmessung durch die Haut ist in der WO-A-81 01 505 beschrieben. In diesem Stand der Technik ist ein Temperatursensor an eine Operationsverstärkerschaltung angeschlossen, um ein sich mit der Temperatur änderndes Signal zu erzielen, das die Temperaturkomponente des Signals aus dem Sensor auslöschen kann.
Ein Beispiel, wie eine Temperaturkompensation auf dem Gebiet einer Erfassung einer biologischen Information erzielt werden kann, ist in der EP-A-0 122 952 offenbart. Die Anordnung verwendet einen Temperatursensor, der mit dem biologischen Sensor zusammenarbeitet, um eine Arbeitskurve aufzustellen, wodurch das Sensorausgangssignal auf eine vorbestimmte Referenztemperatur normalisiert werden kann.
Die EP-A-71912 offenbart ein System zur in der Temperatur kompensierten Messung von mehreren physikalischen Größen unter Verwendung einer zeitmultiplexten optischen Übertragung der gemessenen Daten in einer digitalen Form und unter Verwendung von Identifikationscodes in den digitalen Signalen.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information zu schaffen, die eine solche biologische Information, wie die Konzentration einer Probe, in einem Kreislauf außerhalb des Körpers unter Verwendung biologischer Flüssigkeiten eines lebenden Körpers und biologischen Lösungen und in einer fließenden Lösung mißt.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information zu schaffen, in welcher gemessene Werte als Reaktion auf Temperaturänderungen in Flüssigkeiten eines lebenden Körpers, biologischen Lösungen und Meßvorrichtungen in der Temperatur kompensiert werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information zu schaffen, in welcher ein Meßbereich und ein Verarbeitungsbereich über eine Übertragungseinrichtung, die unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen ist, getrennt sind, wodurch der Meßbereich einfach handhabbar gemacht werden kann und eine zentralisierte Fernbeaufsichtigung, die von dem Verarbeitungsbereich durchgeführt wird, erleichtert werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information zu schaffen, in welcher ein Sensorausgangssignal (Strom, elektromotorische Kraft, Widerstand, usw.) stabil und sehr genau gemessen werden kann.
Die vorliegenden Erfinder haben bereits Ionensensoren, Gassensoren und Enzymsensoren vorgeschlagen, die zur Dauerüberwachung geeignet sind, und haben als das Ergebnis einer ausschöpfenden Forschung, die sich auf Dauermeßsysteme bezieht, die zur Verwendung auf dem medizinischen Gebiet zur stabilen, hochgenauen Messung einer Ionenkonzentration, Gaskonzentration und dergleichen geeignet sind, Erfolg bei der Herstellung der zuvor erwähnten Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information gehabt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorhergehenden Aufgaben durch die Kombination von Einrichtungen, die im Anspruch 1 definiert sind, gelöst.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Übertragungseinrichtung eine optische Kommunikationseinrichtung auf, die ein oder eine Mehrzahl von optischen Faserkabeln aufweist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ausgabeeinrichtung eine Anzeigeeinrichtung oder eine Speichereinrichtung auf.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet die Meßeinrichtung eine interne Energieversorgung.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet die Meßeinrichtung einen Differentialverstärker als eine Einrichtung zum Messen einer elektromotorischen Kraft, wobei der Verstärker einen Eingangswiderstand von mindestens 10¹¹ Ω aufweist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet die Meßeinrichtung eine Temperaturmeßeinrichtung zum Messen der Temperatur eines Meßbereichs einer biologischen Information, um den Meßbereich einer biologischen Information in der Temperatur zu kompensieren.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet die Meßeinrichtung eine Temperaturmeßeinrichtung zum Messen der Temperatur eines lebenden Körpers, um die gemessene biologische Information in der Temperatur zu kompensieren.
Somit ermöglicht es die Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information zu schaffen, die eine solche biologische Information, wie die Konzentration einer Probe, in einem Kreislauf außerhalb des Körpers unter Verwendung biologischer Flüssigkeiten eines lebenden Körpers und biologischen Lösungen und in einer fließenden Lösung mißt.
Des weiteren ist es möglich, eine Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information zu schaffen, in welcher gemessene Werte als Reaktion auf Temperaturschwankungen in Flüssigkeiten eines lebenden Körpers, biologischen Lösungen, und Meßvorrichtungen in der Temperatur kompensiert werden.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung gegeben wird, in welcher gleiche Bezugszeichen die gleichen oder ähnliche Teile durchgängig durch ihre Figuren bezeichnen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1(a), (b) zeigen Blockschaltbilder, die ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information gemäß der Erfindung darstellen;
Fig. 2(a)-(d) zeigen detailliertere Blockschaltbilder, die das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information gemäß der Erfindung darstellen;
Fig. 3 zeigt einen Stromlaufplan eines Differentialverstärkers mit einem hohen Eingangswiderstand für einen Ionensensor;
Fig. 4 zeigt einen Stromlaufplan einer Schaltung zur Temperaturmessung;
Fig. 5 zeigt einen Stromlaufplan einer Schaltung zum Messen eines polarographischen Mikrostroms;
Fig. 6(a)-(c) zeigen Ansichten, die die Hauptmerkmale des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information darstellen;
Fig. 7(a)-(e) zeigen
Flußdiagramme eines Steuerprogramms, das von einer Verarbeitungseinheit ausgeführt wird;
Fig. 8(a), (b) zeigen
Flußdiagramme, die ein Steuerprogramm einer Schnittstelle darstellen;
Fig. 9(a), (b) zeigen
Flußdiagramme eines Programms zur Berechnung einer gemessenen Temperatur;
Fig. 10 zeigt einen Graph, der die Meßergebnisse darstellt, die Temperaturwerte und in der Temperatur kompensierte pH-Werte aufweisen, die mit dem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information erzielt werden;
Fig. 11(a)-(c) zeigen Graphen, die die Meßergebnisse darstellen, die Temperaturwerte, Werte eines elektrischen Potentials und in der Temperatur kompensierte CO- Partialdruckwerte (d. h., pCO-Werte) aufweisen, die mit der Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information des Ausführungsbeispiels erzielt werden;
Fig. 12(a)-(c) zeigen Graphen, die die Meßergebnisse darstellen, die Temperaturwerte, Werte eines elektrischen Potentials und in der Temperatur kompensierte CO- Partialdruckwerte (d. h., pCO-Werte) aufweisen, die mit der Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information des Ausführungsbeispiels für einen Fall erzielt werden, in dem eine Strömungsgeschwindigkeit einer zirkulierenden Flüssigkeit geändert wird;
Fig. 13(a)-(b) zeigen
Flußdiagramme eines Programms zur Berechnung des Partialdrucks von Kohlenstoffdioxid;
Fig. 14 zeigt ein Flußdiagramm eines Programms zur Berechnung des Partialdrucks von Sauerstoff;
Fig. 15 zeigt eine schematische Ansicht einer Zirkulationsschaltung, die in einem Experiment verwendet wird; und
Fig. 16(a)-(c) zeigen Ansichten, die die Meßergebnisse darstellen, die in einem Experiment erzielt werden.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail in Übereinstimmung mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
Fig. 1(a), (b) zeigen Blockschaltbilder, die ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information gemäß der Erfindung darstellen. Die Vorrichtung weist eine Eingabeeinheit 1, eine Schnittstelle 2 und eine Verarbeitungseinheit 3 auf. Die Eingabeeinheit 1 und die Schnittstelle 2 sind durch optische Faserkabel 4 verbunden und die Schnittstelle 2 und die Verarbeitungseinheit 3 sind durch ein elektrisches Kabel 5 verbunden. Die Ergebnisse einer Verarbeitung, die von der Verarbeitungseinheit 3 ausgeführt wird, werden zu einer Anzeigeeinheit 6 und einer Aufzeichnungsvorrichtung 7 ausgegeben.
Herkömmlicherweise sind die Eingabeeinheit 1 und die Schnittstelle 2 integriert und ein Ausgabebereich für die Meßdaten ist durch einen Photokoppler oder dergleichen isoliert. Wenn die Eingabeeinheit 1 eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, ist jedoch eine weitere Isolation erforderlich. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Eingabeeinheit 1 in der Größe verringert, eine primäre oder sekundäre Batterie wird verwendet und das Ausgangssignal wird in ein optisches Signal gewandelt, welcher dann durch die optischen Faserkabel 4 übertragen wird. Dies stellt einen hohen Isolationsgrad sicher. Als Ergebnis kann die Überlagerung von Rauschen, das durch den Massestromkreis und die Energieversorgung eintritt, verhindert werden, um hochgenaue Messungen zu ermöglichen. Dies erleichtert ebenso eine Fernmessung und -überwachung.
Die Eingabeeinheit 1 mißt eines oder mehrere Sensorausgangssignale, wie zum Beispiel einen Wert einer elektromotorischen Kraft, eines Stroms und eines Widerstands. Nachdem der gemessene Wert, welcher eine analoge Größe ist, in einen digitalen Wert gewandelt worden ist, wird der sich ergebende digitale Wert in ein optisches Signal gewandelt, das in der Form von Meßdaten durch die optischen Kabel 4 zu der Schnittstelle übertragen wird. Wenn lediglich ein optisches Kabel zur Übertragung der Daten verwendet wird, können die Ausgangssignale aus einer Mehrzahl von Sensoren durch ein Zeitverschachtelungsverfahren übertragen werden. Eine Mehrzahl von optischen Kabeln kann verwendet werden, wenn es erwünscht ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Eingabeeinheit 1 weist die Eingabeeinheit einen Spannungsmesser mit einem hohen Eingangswiderstand zum Messen der elektromotorischen Kraft eines Ionensensors und eine Schaltung zum Messen des Ausgangssignals (Widerstands) eines Temperatursensors zur internen Kompensation des Ionensensors und eines Temperatursensors zum Messen einer Temperatur in einer Lösung auf.
Fig. 2(a)-(d) zeigen detailliertere Blockschaltbilder, die die Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information des dargestellten Ausführungsbeispiels darstellen.
Eine Eingabeeinheit 1a ist zum Messen einer Ionen-, Gas- und Enzymkonzentration vorgesehen und ist in der Lage, gleichzeitig eine Temperaturmessung zur internen Temperaturkompensation durchzuführen. Zu diesem Zweck weist die Eingabeeinheit 1a einen Spannungsmesser 10 mit einem hohen Eingangswiderstand zum Messen einer EMK, Thermometer 11, 12 zur internen Temperaturmessung bzw. einer Lösungstemperaturmessung, AD-Wandler (ADC) 13, 14, 15 zum Wandeln der Ausgangssignale des Spannungsmessers 10 und der Thermometer 11, 12 in digitale Werte, einen Multiplexer (MPX) 16 zum Auswählen der digitalen Werte, die sich aus der Wandlung ergeben und eine optische Übertragungsschaltung 17 zum Wandeln der digitalen Werte in optische Signale und Übertragen der optischen Signale zu der Schnittstelle 2 auf.
Fig. 3 stellt ein Beispiel eines Differentialverstärkers mit einem hohen Eingangswiderstand für einen Ionensensor dar, wobei dieser Verstärker als ein Spannungsmesser mit einem hohen Eingangswiderstand zum Messen einer EMK verwendet wird. Der Spannungsmesser 10 mit einem hohen Eingangswiderstand verwendet einen Differentialverstärker mit einer hohen Eingangsimpedanz (nicht weniger als 10¹¹Ω), einer geringen Drift (weniger als 2 µV/Cº), der durch einen einfach verfügbaren Operationsverstärker (z. B. den OPA111BM, der von Burr-Brown Co. hergestellt wird, oder den TLC-27L2, der von Texas Instruments hergestellt wird) gebildet ist. Die AD-Wandler 13, 14, 15 sind doppeltintegrierende AD-Wandler (der ICL7135COI, der von Intersil Inc. hergestellt wird) mit 4 1/2 Quantisierungsstufen. Der Multiplexer 16 und ein digitaler Stromkreis sind durch ein CMOS-Logik-IC gebildet, um eine Leistungsaufnahme zu verringern. Die AD-Wandler 13, 14, 15 werden gleichzeitig gestartet, z. B. alle 400 ms, und führen eine serielle Wandlung durch, wobei ihren jeweiligen Ausgangswerten Anfangszeichen zugewiesen werden.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Temperaturmeßschaltung. Die Thermometer 11 und 12 beinhalten alle einen einfach verfügbaren Operationsverstärker, um eine hochgenaue Konstantstromquelle aufzubauen. Bevorzugt ist die Konstantstromquelle auf nicht mehr als 70 µA eingestellt, wobei ein Strombereich von 10 µA-50 µA besonders bevorzugt ist. Eine Schaltung, in welcher die Höhe einer von einem Temperatursensorelement (Heißleiter) aufgenommenen Leistung weniger als 50 µW beträgt, kann als die Konstantstromquelle vorgesehen sein. Bevorzugt sollte die Schaltung so aufgebaut sein, daß die Höhe einer von einem Temperatursensorelement (Heißleiter) aufgenommenen Leistung 20 µW beträgt. Die Spannung, die sich ergibt, wenn dieser Konstantstrom durch das Temperatursensorelement (Heißleiter) fließt, wird von dem Analog-zu-Digital-(AD)-Wandler 14 oder 15 gemessen. Während einer Kalibrierung der Vorrichtung wird ein Signal, das diese Tatsache anzeigt, von einem Schalter 27 erzeugt. Dieses Signal wird von dem Multiplexer 16 an die Schnittstelle 2 angelegt.
Für die Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information des Ausführungsbeispiels ist es notwendig, um die biologische Information andauernd mit einer hohen Genauigkeit zu messen, daß die Temperaturmessung und Temperaturkompensation auf der Grundlage dieser Messung schnell und genau durchgeführt wird. Insbesondere ist es notwendig, das eine Temperatur mit einer Genauigkeit innerhalb ±0.01ºC gemessen wird. Um eine Temperatur in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zu messen, wird demgemäß ein Heißleiter und kein thermogekoppelter oder Platinwiderstand, der eine Hochleistungsvorrichtung benötigt, verwendet. Im Hinblick auf die Tatsache, daß der Heißleiter in einen lebenden Körper eingebracht wird, wird des weiteren ein Miniaturheißleiter verwendet, der in eine Isolationsröhre eingebracht ist. Um einen Fehler aufgrund einer Eigenerwärmung zu verringern, ist der Wert des Konstantstroms, der durch den Heißleiter fließt, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf 50 µA eingestellt.
Bei einem herkömmlichen Heißleiterthermometer eines einfachen Typs beinhaltet das Thermometer eine Linealisierungsschaltung, die durch ein serielles Verbinden eines Festwiderstands mit dem Heißleiterelement erzielt wird. 9a eine Temperatur mit einem solchen Aufbau gemessen wird, ist eine Genauigkeit auf ±0.5 Cº beschränkt. Dies versteht sich aus der folgenden Gleichung zur Berechnung einer Temperatur T (ºK) aus dem widerstandswert R (Ohm) eines Heißleiters:
1/T - 1/T&sub0; = 1/B ln (R/R&sub0;)
wobei R&sub0; (Ohm) den Widerstandswert bei der Temperatur T0(ºK) darstellt. Des weiteren ist B eine Funktion der Temperatur, obgleich dies in einem schmalen Temperaturbereich (z. B. ±2ºC) als eine Konstante betrachtet werden kann. Aus diesem Grund können keine hochgenauen Messungen mit der zuvor erwähnten Linearisierungsschaltung in einem breiten Temperaturbereich (z. B. 0-50ºC) durchgeführt werden. Unter Verwendung der Temperatur T&sub0;, wird B in einem Bereich T1 (ºK) wie folgt ausgedrückt:
B = B&sub0; + C(X-X&sub0;) + E·T&sub0;(T-T&sub1;) + F·T&sub0;(T-T&sub1;)(T+T&sub0;+T&sub1;)
wobei X = ln(T/T&sub0;)/1/(T&sub0;-1/T).
Im Vorhergehenden sind B&sub0;, C, X&sub0;, E und F Konstanten und stellen physikalische Werte dar, die sich auf die Zusammensetzung des Heißleiters beziehen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Widerstandswerte von den Heißleitern von den AD-Wandlern 14, 14 und einem AD-Wandler 21 in digitale Werte gewandelt und die digitalen Werte werden über die optischen Faserkabel 4, die Schnittstelle 2 und das Kabel 5 zu der Verarbeitungseinheit 3 übertragen. Auf der Grundlage dieser Werte berechnet die Verarbeitungseinheit 3 eine Temperatur schnell und genau in Übereinstimmung mit einem Arithmetikprogramm, das nachstehend beschrieben wird.
Die Eingabeeinheit 1b ist in der Lage, die Konzentration von O, zum Beispiel durch ein Messen des polarographischen Stroms von O, zu messen und beinhaltet einen Mikrostrommesser 18, ein Thermometer 19 zur Temperaturmessung, AD-Wandler 20, 21, einen Multiplexer 22 und eine optische Übertragungsschaltung 23. Der Mikrostrommesser 18 weist eine Konstantspannungsquelle von -0.5 V -0.7 V und eine Schaltung zum Wandeln eines Mikrostroms von 10&supmin;&sup6; 10&supmin;¹¹A in eine Spannung auf. Fig. 5 stellt ein Beispiel einer Schaltung zum Messen eines polarographischen Mikrostroms dar.
Die AD-Wandler 20, 21 sind doppeltintegrierende AD- Wandler (der ICL7135CPI, der von Intersil Inc. hergestellt wird) mit 4 1/2 Quantisierungsstufen. Der Multiplexer 22 und ein digitaler Stromkreis werden durch ein CMOS-Logik-IC gebildet, um eine Leistungsaufnahme zu verringern. Die AD- Wandler 20, 21 werden gleichzeitig gestartet, z. B. alle 400 ms, und führen eine serielle Wandlung durch, wobei ihren Ausgangswerten Anfangszeichen zugewiesen werden.
Das Thermometer 19 beinhaltet einen einfach verfügbaren Operationsverstärker, um eine hochgenaue Konstantstromquelle aufzubauen. Bevorzugt ist die Konstantstromquelle auf nicht mehr als 70 µA eingestellt, wobei ein Strombereich von 10 µA-50 µA besonders bevorzugt ist. Die Spannung, die sich ergibt, wenn dieser Konstantstrom durch das Temperatursensorelement (Heißleiter) fließt, wird von dem AD- Wandler 21 gemessen. Während einer Kalibrierung der Vorrichtung wird ein Signal, das diese Tatsache anzeigt, von einem Schalter 28 erzeugt. Dieses Signal wird von dem Multiplexer 22 an die Schnittstelle 2 angelegt.
Die Schnittstelle 2 beinhaltet eine optische Empfangsschaltung 24, die eine Mehrzahl (z. B. fünf, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel) von Eingabekanälen zum Wandeln optischer Signale aus der Eingabeeinheit 1 in elektrische Signale aufweist, einen Multiplexer 25 zum Auswählen eines Signaldatenkanals und eine Eingabe/Ausgabe-(E/A)- Schnittstelle 26, zum Übertragen der von dem Multiplexer 25 ausgewählten Signaldaten zu dem Prozessor 3. Der letztere wandelt die Signaldaten in Konzentrationseinheiten, bevor er die Daten zu der Anzeigeeinheit 6 und der Aufzeichnungsvorrichtung 7 ausgibt.
Die Signaldaten werden nicht nur zu der Speichereinheit 6 und der Aufzeichnungsvorrichtung 7 ausgegeben, sondern werden ebenso in einer Speichervorrichtung gespeichert, so daß sie ausgelesen werden können, wann immer es notwendig ist. Obgleich die Meßdaten, die von der Eingabeeinheit 1 empfangen werden, direkt an die Verarbeitungseinheit 3 angelegt werden können, kann die Last auf die Verarbeitungseinheit 3 verringert werden, wenn die Schnittstelle 2 mit einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 320 versehen ist und die Meßdaten in Übereinstimmung mit einem Programm, das in einem ROM 321 gespeichert ist, in dem RAM 320 angeordnet und vorübergehend gespeichert werden. Der Multiplexer verwendet eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) mit acht Bit, um die empfangenen Daten in Codes von Zeichen und numerischen Werten zu wandeln, speichert diese Kanal für Kanal und überträgt die Daten als Reaktion auf eine Datenanforderung von der E/A-Schnittstelle 26. Die E/A-Schnittstelle 26 verwendet eine Schnittstelle eines IEEE-488-Busses, aber eine RS-232C für allgemeine Zwecke oder dergleichen kann ebenso verwendet werden.
Die zentrale Verarbeitungseinheit 3 weist eine CPU 331, einen ROM 332 zum Speichern eines Verarbeitungsprogramms und einen Hilfs-RAM 333 auf und wandelt das Signal aus der Schnittstelle 2 durch ein Durchführen einer Berechnung in Übereinstimmung mit einer Kalibrierungskurve, die im voraus vorbereitet wird, in Einheiten einer Ionenkonzentration oder eines Gaspartialdrucks (Konzentration). Die Verarbeitungseinheit 3 ist ebenso in der Lage, eine Temperaturschwankung in einem Sensor unter Verwendung einer Sensortemperatur zu kompensieren. Ein Personalcomputer, der eine CPU mit acht Bit oder eine CPU mit 16 Bit aufweist, kann als die Verarbeitungseinheit 3 verwendet werden. Durch ein Aufbauen der Schnittstelle 2 auf einer Platine, kann die Schnittstelle in den Erweiterungsschlitz eines Personalcomputers eingebracht werden.
Fig. 6(a)-(c) zeigen Ansichten, die die Hauptmerkmale des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information darstellen, Fig. 7(a)-(e) zeigen
Flußdiagramme eines Steuerprogramms, das von der Verarbeitungseinheit 3 ausgeführt wird und in dem ROM 332 gespeichert ist, und Fig. 8(a), (b) zeigen
Flußdiagramme, die das Steuerprogramm der Schnittstelle 2 darstellen. Dieses Steuerprogramm ist in dem ROM 321 gespeichert.
In den Fig. 7(a)-(e) wird das System in einem Schritt S71 initialisiert. Als nächstes wird in einem Schritt S72 eine Unterbrechung, die ein Übertragen der Meßdaten anfordert, an die Schnittstelle 2 angelegt. Das Programm schreitet dann zu einem Schritt S73 fort, in dem das System wartet, daß die Meßdaten von der Schnittstelle 2 ankommen.
Unterdessen empfängt die Schnittstelle 2 die Meßdaten aus der Eingabeeinheit 1, während sie diese Daten in Übereinstimmung mit der Prozedur in Fig. 8(a) abtastet.
Das heißt, in einem Schritt S101 wartet die Schnittstelle 2 auf das Ankommen der Meßdaten von der Eingabeeinheit 1. In einem Schritt S102 wird dann abhängig von der Verbindungsposition der Eingabeeinheit 1 eine unterschiedliche Speicheradresse eingestellt. Darauffolgt ein Schritt S103, in welchem Meßdaten in einem Speicherbereich des RAM 320 gespeichert werden, der von der Eingabeeinheit 1 abhängt. Eine Ausführung der Schritte S101 bis S103 wird wiederholt, um die Meßdaten zu speichern, bis alle Eingabeeinheiten in Folge abgetastet worden sind. Obgleich Speicheradressen, welche sich abhängig von den Verbindungspositionen unterscheiden, eingestellt werden, um die Differenzen der gemessenen biologischen Daten zu unterscheiden, ist es ebenso erlaubt, eine Anordnung anzuwenden, bei welcher Meßdaten von den Eingabeeinheiten 1 mit Identifikationscodes zum Identifizieren des Typs von biologischen Daten versehen sind. Dies wird den Vorteil einer Erhöhung des Freiheitsgrads eines Steuerns aufweisen, da die Typen einer biologischen Information identifiziert werden können, ohne die Verbindungspositionen in Betracht zu ziehen. Wenn es eine Unterbrechung aus der Verarbeitungseinheit 3 gibt, die das Übertragen von Meßdaten aufruft, wird eine Verarbeitung durch die Prozedur ausgeführt, die in Fig. 8(b) gezeigt ist. Zuerst werden die Meßdaten, die in dem Schritt S103 der gewöhnlichen Prozedur [Fig. 8(a)] gespeichert werden, in einem Schritt S104 aus gelesen und die Daten werden in einem Schritt S105 zu der Verarbeitungseinheit 3 übertragen. Als nächstes wird in einem Schritt S106 bestimmt, ob das Übertragen aller Meßdaten beendet ist. Wenn die Antwort in diesem Schritt NEIN ist, dann kehrt das Programm zu dem Schritt S104 zurück und Schritte S104 bis S106 werden wiederholt.
In einem Schritt S74 in den Fig. 7(a)-(e) empfängt die Verarbeitungseinheit die Meßdaten, die durch die Schritte S104 bis S106 übertragen werden, und speichert die Daten in dem RAM 333. Als nächstes wird eine Analyse, die sich abhängig von dem Typ von gespeicherten Meßdaten unterscheidet, in Schritten S75 und S84 durchgeführt. Die Erfindung wird für einen typischen Fall beschrieben, in welchem das System einen Ionensensor und einen Gassensor beinhaltet. Die Verarbeitung würde auch für eine biologische Information aus anderen Sensoren durch eine ähnliche Prozedur durchgeführt werden.
In dem Fall des Ionensensors schreitet das Programm von dem Schritt S75 zu einem Schritt S76 fort, in dem die Temperatur, welche zu dem Zeitpunkt einer Ionenmessung gegeben ist, aus Temperaturmeßdaten berechnet wird, die von der Eingabeeinheit erzielt wird, die dem Ionensensor entspricht. Ein Schritt S77 ruft eine Bestimmung auf, ob ein pH-Wert zu messen ist. Wenn die Antwort JA ist, dann wird in einem Schritt S78 der pH-Wert aus den Meßdaten berechnet, der pH-Wert wird in einem Schritt S79 auf der Grundlage der Temperatur, die in dem Schritt S76 berechnet wird, korrigiert und der korrigierte pH-Wert wird in einem Schritt S80 gespeichert. Wenn die Entscheidung, die in dem Schritt S77 gemacht wird, die ist, daß der pH-Wert nicht zu messen ist, dann wird die Konzentration eines anderen Ions durch Schritte S81 bis S83 berechnet, in der Temperatur kompensiert und gespeichert.
In dem Fall des Gassensors schreitet das Programm von dem Schritt S84 zu einem Schritt S85 fort, in dem die Temperatur, welche zu dem Zeitpunkt einer Messung gegeben ist, die von dem Gassensor durchgeführt wird, aus Temperaturmeßdaten berechnet wird, die von der Eingabeeinheit erzielt werden, die dem Gassensor entspricht. Eine Gaskonzentration wird in Schritten S86 bis S88 berechnet, in der Temperatur kompensiert und gespeichert.
Ein Schritt S89 ruft auf, daß die gespeicherten Ergebnisse der verschiedenen Messungen in Übereinstimmung mit den Ausgabeformaten der Anzeigeeinheit 6 und der Aufzeichnungsvorrichtung 7 angeordnet werden. Diese Ergebnisse werden in einem Schritt S90 zu der Anzeigeeinheit 6 und der Aufzeichnungsvorrichtung 7 ausgegeben. Als nächstes wird es in einem Schritt S100 bestimmt, ob eine Messung beendet ist. Wenn die Antwort NEIN ist, werden die Schritte S71 bis S100 wiederholt, um die Ergebnisse einer Messung, die als nächstes erzielt werden, auszugeben. Es ist anzumerken, daß ein mannigfaltiges Steuern möglich ist, wie zum Beispiel ein Ausgeben einer vorbestimmten biologischen Information, wenn sie einen erlaubten Wert überschreitet, auch wenn die Ergebnisse einer Messung zu einem festen Zeitpunkt ausgegeben werden.
Fig. 9(a), (b) stellen Flußdiagramme für die Berechnung von gemessenen Temperaturen dar, die in den Schritten S76, S85 durchgeführt wird. In den Fig. 9(a), (b) stellt m den Zählwert dar, der von einem Zähler aufgezeichnet wird, und 1 stellt die Anzahl von Zeitpunkten eines Wiederholens einer Berechnung aus Genauigkeitsgründen dar.
In einem Schritt S91 wird m auf 0 als ein Anfangswert eingestellt, l wird auf eine vorbestimmte Anzahl eingestellt und Konstanten T&sub0;, T&sub1;, B&sub0;, R&sub0;, X&sub0; C, E und F werden eingestellt. Als nächstes wird in einem Schritt S92 der gespeicherte Heißleiterwiderstandwert R, der zusammen mit den anderen Meßwerten in dem Schritt S74 von der Schnittstelle 2 empfangen wird, gelesen. Darauf folgt ein Schritt S93, in welchem T auf der Grundlage von R unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet wird:
T = 1/[{(ln(R/R&sub0;)}/B&sub0;+1/T&sub0;].
Als nächstes wird X auf der Grundlage von T, das in dem Schritt S93 erzielt wird, in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung berechnet:
x = [ln(T/T&sub0;)/(1/T&sub0;-1/T).
Dann wird auf der Grundlage von T, das in dem Schritt S93 berechnet wird, und X, das in dem Schritt S94 berechnet wird, B in einem Schritt S95 aus der folgenden Gleichung berechnet:
B = B&sub0; + C(X-X&sub0;) + E·T&sub0;(T-T&sub1;) + F·T&sub0;(T-T&sub1;)(T+T&sub0;+T&sub1;).
Das Programm schreitet dann zu einem Schritt S96 fort, in welchem T erneut auf der Grundlage von T, das in dem Schritt S93 berechnet wird, und B, das in dem Schritt S95 berechnet wird, berechnet wird. Als nächstes wird m in einem Schritt S97 erhöht und es wird in einem Schritt S98 überprüft, ob m größer oder gleich als das zu Beginn eingestellte l ist. Wenn die Antwort NEIN ist, kehrt das Programm zu dem Schritt S94 zurück und Schritte S94 bis S98 werden wiederholt. Wenn es in dem Schritt S98 festgestellt wird, daß m größer oder gleich als l ist, schreitet das Programm zu einen Schritt S99 fort, in welchem die momentanen Werte von m, T und B gespeichert werden, wonach das Programm zurückkehrt. Es ist anzumerken, daß l eine feste Anzahl sein kann oder auf eine Anzahl eingestellt werden kann, welche verursacht, daß eine Berechnung wiederholt wird, bis eine Änderung aufgrund einer einzigen Berechnung des Werts von T unter einen vorbestimmten Wert fällt.

(EXPERIMENT 1)

Der verwendete Heißleiter sollte ein Miniaturheißleiter sein, der in eine Polyimidröhre eingebracht ist, und einen Außendurchmesser von nicht mehr als 1.00 mm aufweisen.
Bevorzugte Charakteristiken sind B&sub0; = 3244 3408, R&sub0; = 7400 7800, C = 30.7, E = -0.0766, F = 0.338 · 10&supmin;&sup4;, wobei die thermische Zeitkonstante nicht mehr als 50 ms beträgt. In dem vorliegenden Experiment wies der verwendete Heißleiter einen Außendurchmesser von 0.55 mm und die Charakteristiken B&sub0; = 3350, R&sub0; = 7793, C = 30.7, E = -0.0766, F = 0.338 · 10&supmin;&sup4;, thermische Zeitkonstante = 50 ms auf. Bevorzugt ist der Konstantstromwert auf weniger als 70 µA eingestellt, um den Fehler, der einer Eigenerwärmung des Heißleiters zuschreibbar ist, zu verringern, oder es wird eine Konstantstromquelle verwendet, die die Höhe einer Leistung, die von dem Heißleiterelement aufgenommen wird, auf weniger als 20 µW hält. In dem Experiment wurde die in Fig. 4 gezeigte Schaltung verwendet, so daß der Wert des Konstantstroms, der durch das Heißleiterelement fließt, 50 µA sein wird. Eine Temperatur wurde unter Verwendung eines Thermoreglers (CTE-24WS, Yamato Scientific Co. Ltd.) als ein Konstanttemperaturbad gemessen und eine Temperaturmeßvorrichtung (D632, hergestellt von Takara Thermistor Instruments Co. Ltd.), die eine Genauigkeit von 1/100ºC aufweist, wurde für Vergleichszwecke verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Berechnungsschleifenanzahl Diese Erfindung
Es wurde festgestellt, daß eine Genauigkeit von 1/100ºC von der ersten Berechnungsschleife erzielt werden könnte. Eine Differenz von 0.002ºC von dem mit dem D632 für Vergleichszwecke gemessenen Wert wurde erzielt, was eine gute Übereinstimmung anzeigt. Dies bedeutet, daß es möglich ist, eine Temperatur sowohl schnell als auch sehr genau (Meßzeit: weniger als 100 ms) zu messen. Ähnliche Ergebnisse wurden auch unter Verwendung einer Konstantstromquelle erzielt, bei welcher die Höhe einer Leistung, die von dem Heißleiterelement aufgenommen wird, weniger als 20 µW betrug.

(BEISPIEL 2)

Eine in der Temperatur kompensierte Ionenkonzentrationsmessung wurde durch ein gleichzeitiges Messen einer Ionenkompensation und einer Temperatur unter Verwendung der in den Fig. 1(a), (b) und den Fig. 2(a)-(d) gezeigten Vorrichtung durchgeführt.
Die Eingabeeinheit 1a weist den Spannungsmesser 10 mit einem hohen Eingangswiderstand zur Ionenkonzentrationsmessung und die Temperaturmeßschaltungen 11, 12, die identisch zu denen sind, die im Experiment 1 verwendet werden, auf. Die Ausgangssignale des Spannungsmessers 10 und der Schaltungen 11, 12 werden in digitale Signale gewandelt, die an den Multiplexer 16 angelegt und dann als Lichtsignale von der optischen Übertragungsschaltung 17 übertragen werden. Die Lichtsignale werden auf einer Grundlage einer Zeitverschachtelung über das optische Faserkabel 4 zu der Schnittstelle 2 übertragen. Die Schnittstelle 2 gibt die Daten in die Verarbeitungseinheit 3 ein. In dem Experiment wurde eine GP-IB-Schnittstelle (IEEE-488) als die Schnittstelle 2 verwendet. Ein Personalcomputer (PC-9801VM4, hergestellt von Nippon Electric Co.) wurde als die Verarbeitungseinheit 3 verwendet.
Mit einer ionenselektiven Elektrode stehen eine Ionenkonzentration [Ionen] und eine elektromotorische Kraft E durch eine Nernst-Gleichung in Beziehung. Das heißt, in dem Fall eines Anions wird die Gleichung wie folgt ausgedrückt:
E = E&sup0; + RT/nFln [Ionen]
[Ionen] = exp[(nF/RT)(E-E&sup0;)}
Wenn die Temperatur T und die elektromotorische Kraft E gemessen werden können, ist es dann deshalb möglich, eine hochgenaue Messung einer Ionenkonzentration ohne den Einfluß einer Temperaturänderung durchzuführen.
Die Dauermessung einer Wasserstoffionenkonzentration wird nun als ein spezifisches Beispiel beschrieben.
Die Potentialdifferenz E eines pH-Sensors in jeder von drei Typen von Pufferlösungen, die eine bekannte Temperatur und einen bekannten pH aufweisen, wurde gemessen, die Koeffizienten a&sub1;, b&sub1;, c&sub1; der Kalibrierungsgleichung
E = a1 T + b1 T pH + c1 (1)
(wobei T die Absoluttemperatur darstellt) wurden berechnet und eine Kalibrierungsgleichung wurde ausgebildet. Als nächstes wurden der pH-Sensor und ein Heißleiter in ein zirkulierendes Standardblutserum (Precinorm® U, Boehringer Mannheim GmbH) gesetzt. Das Potential E des pH-Sensors und die Temperatur T (= 0 + 273.15) des Heißleiters wurden durch die Eingabeeinheit 1a, den Multiplexer 16, die optische Faser 4 und die Schnittstelle 2 von der Verarbeitungseinheit 3 eingelesen und der pH-Wert der zirkulierenden Lösung wurde aus Gl. (1) berechnet. Wie es in Fig. 10 gezeigt ist, zeigen die Ergebnisse an, daß der pH-Wert auch dann sehr genau gemessen werden kann, wenn sich die Temperatur e der zirkulierenden Lösung ändert. In Fig. 10 zeigen die "+"-Zeichen die Werte an, die unter Verwendung eines einfach verfügbaren pH-Sensors (den ABL3, hergestellt von Radiometer Copenhagen) gemessen werden.

(EXPERIMENT 3)

Eine in der Temperatur kompensierte Messung des Partialdrucks von Kohlenstoffdioxid wurde durch ein gleichzeitiges Messen des Partialdrucks von Kohlenstoffdioxid und der Temperatur unter Verwendung der in den Fig. 1(a), (b) und den Fig. 2(a)-(d) gezeigten Vorrichtung gemessen.
Die Eingabeeinheit 1a weist den Spannungsmesser 10 mit einem hohen Eingangswiderstand zur Messung des Partialdrucks von Kohlenstoffdioxid und die Temperaturmeßschaltungen 11, 12, die zu denen identisch sind, die im Experiment 1 verwendet werden, auf. Die Ausgangssignale des Spannungsmessers 10 und der Schaltungen 11, 12 werden in digitale Signale gewandelt, die an den Multiplexer 16 angelegt und dann von der optischen Übertragungsschaltung 17 als Lichtsignale übertragen werden. Die Lichtsignale werden auf einer Grundlage einer Zeitverschachtelung über das optische Faserkabel 4 zu der Schnittstelle 2 übertragen. Die Schnittstelle 2 gibt die Daten in die Verarbeitungseinheit 3 ein. In dem Experiment wurde eine GP-IB-Schnittstelle als die Schnittstelle 2 verwendet. Ein Personalcomputer (der NEC PC-9801VM4, hergestellt von Nippon Electric Co.) wurde als die Verarbeitungseinheit 3 verwendet.
Mit der in diesem Beispiel verwendeten Kohlenstoffdioxidelektrode stehen der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid [pCO] und die elektromotorische Kraft E durch die folgende Gleichung in Beziehung:
E(mV) = a + b · T + s·log[pCO2]
wobei a, b und s unbestimmte Koeffizienten sind, E die gemessene elektromotorische Kraft darstellt und T für die Absoluttemperatur steht. Demgemäß kann das Vorhergehende wie folgt umgeschrieben werden:
[pCO] (mmHg) = anti-log (E-a2-b2·T/s) (2)
Wenn die unbestimmten Koeffizienten a, b und s berechnet werden, kann der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid aus einer kubischen Gleichung gemessen werden. Wenn die Potentialdifferenz E einer Kohlenstoffdioxidelektrode in drei Typen von Lösungen, die eine bekannte Temperatur aufweisen, und ein Partialdruck von Kohlenstoffdioxid gemessen wird und wenn die Temperatur T (ºC) gemessen wird, kann dann demgemäß der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid aus der Kalibrierungsgleichung (2) erzielt werden.
Die Dauermessung eines Kohlenstoffdioxidpartialdrucks wird nun als ein spezifisches Beispiel beschrieben.
Eine Kohlenstoffdioxidelektrode und ein Heißleiter werden in einer zirkulierenden Lösung (10 mM NaHCO&sub3; + 154 mM NaCl) angeordnet. Das Potential E der Kohlenstoffdioxidelektrode und die Temperatur T des Heißleiters werden durch die Eingabeeinheit 1a, den Multiplexer 16, die optische Faser 4 und die Schnittstelle 2 von der Verarbeitungseinheit 3 eingelesen. Der Partialdruck von Kohlenstoffdioxid in der zirkulierenden Lösung wird in Übereinstimmung mit einem Flußdiagramm, das in Fig. 13(a), (b) gezeigt ist, aus Gl. (2) berechnet.
Zu dem Zeitpunkt einer Kalibrierung gegebene Koeffizienten a, b, s werden in einem Schritt S131 eingegeben und eingestellt. Als nächstes werden die Potentialdifferenz und der Widerstandswert aus dem Heißleiter durch die Eingabeeinheit 1a, den Multiplexer 16, die optische Faser 4 und die Schnittstelle 2 in einem Schritt S132 eingelesen und diese werden in einem Schritt S133 gespeichert.
Ein Schritt S134 ruft eine Berechnung einer Temperatur T in Übereinstimmung mit dem Temperaturberechnungsflußdiagramm in Fig. 9(a), (b) auf. Darauffolgt ein Schritt S135, wobei pCO2 aus der Temperatur T und der Potentialdifferenz E unter Verwendung von Gl. (2) berechnet wird. Die Ergebnisse einer Messung werden in einem Schritt S136 angezeigt. Es wird in einem Schritt S137 bestimmt, ob die Messung fortzusetzen ist. Wenn die Antwort hier JA ist, dann kehrt das Programm zu dem Schritt S132 zurück und Schritte S132 bis S137 werden wiederholt.
Wie es in Fig. 11(a) bis 11(c) dargestellt ist, zeigen die Ergebnisse der Messung, daß der Wert des Partialdrucks von Kohlenstoffdioxid auch dann genau gemessen werden kann, wenn sich die Temperatur 0 der zirkulierenden Lösung ändert. Die "+"-Zeichen zeigen die gemessenen Werte an, die durch ein Abtasten der zirkulierenden Lösung und unter Verwendung eines einfach verfügbaren Kohlenstoffdioxidsensors (den ABL-30, hergestellt von Radiometer) erzielt werden.

(EXPERIMENT 4)

Eine Dauermessung wurde auf die gleiche Weise wie im Experiment 3 durchgeführt, während die Strömungsgeschwindigkeit der zirkulierenden Lösung (10mM NaHCo&sub3; + 154 mM NaCl) von 500 ml/min zu 200 ml/min. geändert wurde. Wie es in Fig. 12(a) bis 12(c) gezeigt ist, werden die Ergebnisse einer Messung von elektrischem Rauschen, das von dem Motor einer Rollenpumpe erzeugt wird, und von Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur nicht beeinträchtigt.
Da optische Fasern für die Datenübertragung verwendet werden, wird des weiteren der Einfluß von elektrischem externem Rauschen zwischen der Eingabeeinheit 1a und der Schnittstelle 2 unterdrückt.

(EXPERIMENT 5)

Eine in der Temperatur kompensierte Messung des Partialdrucks von Sauerstoff wurde durch ein gleichzeitiges Messen des Partialdrucks von Sauerstoff und der Temperatur unter Verwendung der in den Fig. 1(a), (b) und den Figuren 2(a)-(d) gezeigten Vorrichtung durchgeführt.
Die Eingabeeinheit 1b weist den Mikrostrommesser 18 zur Messung des Partialdrucks von Sauerstoff und die Temperaturmeßschaltung 19 auf. Die Ausgangssignale des Strommessers 18 und der Schaltung 19 werden in digitiale Signale gewandelt, die an den Multiplexer 22 angelegt und dann von der optischen Übertragungsschaltung 23 als Lichtsignale übertragen werden. Die Lichtsignale werden auf einer Grundlage einer Zeitverschachtelung über das optische Faserkabel 4 zu der Schnittstelle 2 übertragen. Die Schnittstelle 2 gibt die Daten in die Verarbeitungseinheit 3 ein. In dem Experiment wurde eine GP-IB-Schnittstelle als die Schnittstelle 2 verwendet. Ein Personalcomputer (PC-9801VM4, hergestellt von Nippon Electric Co.) wurde als die Verarbeitungseinheit 3 verwendet. Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm, das die Berechnung eines Sauerstoffpartialdrucks darstellt. In dem pO-Sensor, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, stehen ein Sauerstoffpartialdruck [pO] und der Stromwert I durch die folgende Gleichung in Beziehung:
I(A) = exp{a&sub3;/(T+273)+b&sub3;} [pO](mmHg)+(c&sub3;T+d&sub3;) (3)
wobei T die Temperatur (ºC) ist, die zu dem Zeitpunkt einer Messung gegeben ist. Wenn der Stromwert I des pO- Sensors in vier Typen von Lösungen, die eine bekannte Temperatur aufweisen, und ein Partialdruck von Sauerstoff gemessen wird und die unbestimmten Koeffizienten a&sub3;, b&sub3;, c&sub3;, d&sub3; der Kalibrierungsgleichung (3) berechnet werden, dann kann demgemäß durch ein Messen der Temperatur T (ºC) und des Stromwerts I (A) der Partialdruck von Sauerstoff sehr genau ohne den Einfluß einer Temperaturänderung gemessen werden.
In dem Flußdiagramm in Fig. 14 werden die vorhergehend gespeicherten pO-Sensorkoeffizienten a&sub3;, b&sub3;, c&sub3;, d&sub3; in einem Schritt S141 abgerufen. Die Temperatur T (ºC), die zu dem Zeitpunkt einer Messung gegeben ist und aus dem Heißleiterausgangssignal berechnet wird, wird in einem Schritt 5142 aus gelesen und der aufgenommene und gespeicherte Sensorstromwert I (A) wird in einem Schritt S143 ausgelesen. Diese Werte werden in die folgende Gleichung eingesetzt:
pO = {I-(c&sub3;T+d&sub3;}/exp{a&sub3;/(T+273)+b&sub3;}
die durch Umwandeln der Kalibrierungsgleichung (3) erzielt wird, wobei der Wert von pO in einem Schritt S144 berechnet wird und die Ergebnisse einer Berechnung in einem Schritt S145 gespeichert oder angezeigt werden.
Die Koeffizienten der Kalibrierungsgleichung (3), die dem pO-Sensor zugehörig sind, der in diesem Beispiel verwendet wird, weisen die folgenden Werte auf:
a&sub3; = 248.3, b&sub3; = -18.97, c3 = 2.28 · 10&supmin;¹&sup0; d&sub3; = 2.65 · 10&supmin;&sup8;
Eine Zirkulationsschaltung, welche eine künstliche Lunge 151 beinhaltet, ist in Fig. 15 gezeigt. Die Schaltung weist eine Strömungszelle 153 auf, an welcher ein pO-Sensor und ein Heißleiter angebracht sind. Der Stromwert I des pO-Sensors und die Temperatur T des Heißleiters werden über die Eingabeeinheit 1b, den Multiplexer 22, die optische Faser 4 und die Schnittstelle 2 in die Verarbeitungseinheit 3 eingelesen und die Verarbeitungseinheit 3 berechnet den Partialdruck von Sauerstoff in der zirkulierenden Flüssigkeit unter Verwendung von Gl. (3). Das Bezugzeichen 152 bezeichnet einen Wärmetauscher, das Bezugszeichen 154 bezeichnet einen Behälter und das Bezugszeichen 155 bezeichnet eine Rotationspumpe.
Die Ergebnisse einer Messung sind in Fig. 16(a), 16(b) und 16(c) gezeigt. Fig. 16(a) stellt eine Änderung des Werts eines O-Reduktionsstroms dar, welcher in dem pO-Sensor fließt, Fig. 16(b) zeigt eine Änderung der Heißleitertemperatur und Fig. 16(c) stellt eine Änderung des Werts von pO dar, die aus in den Fig. 16(a), 16(b) gezeigten Werten berechnet wird. Die durchgezogenen Linien in Fig. 16(c) sind theoretische Werte von pO, die aus dem Volumenprozentsatz von O in einem Gasgemisch von N und O, das durch die künstliche Lunge 151 geht, und einem Dampfdruck berechnet werden. Diese Ergebnisse zeigen, daß eine Verwendung des Systems des vorliegenden Ausführungsbeispiels ermöglicht, den Partialdruck von Sauerstoff auch dann sehr genau zu erfassen, wenn sich sowohl die Temperatur als auch der pO ändern.
Somit wird in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie es zuvor beschrieben worden ist, die Energieversorgung der Eingabeeinheit durch eine Batterie gebildet und in der Größe verringert. Als Ergebnis benötigt die Vorrichtung nicht viel Platz in dem Operationsraum oder an der Bettkante. Da optische Faserkabel für Ausgangssignale verwendet werden, besteht keine Gefahr eines elektrischen Schlags. Der Meßbereich und der Verarbeitungsbereich der Vorrichtung sind voneinander getrennt, so daß die Eingabeeinheit ein geringes Gewicht aufweist und einfach handzuhaben ist.
Da ein Differentialverstärker mit einem hohen Eingangswiderstand für eine Ionen-, Gas- und Enzymerfassung verwendet wird, können des weiteren stabile Messungen ohne den Einfluß von externem Rauschen durchgeführt werden.
Da eine Mehrzahl von Thermometern so in die Eingabeeinheit eingebracht ist, daß eine Temperaturmessung und Sensortemperaturkompensation ausgeführt werden können, wird eine hochgenaue Messung durchgeführt.
Da ein Miniatur-(der einen Durchmesser von weniger als 1 mm aufweist)-Heißleiter bei der Temperaturmessung und den Temperaturkompensationsfunktionen, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden, verwendet wird, ist des weiteren eine thermische Kapazität gering und ein Verhalten bezüglich Temperaturänderungen ist schnell. Da es möglich ist, den Heißleiter in einen Ionensensor, Gassensor oder Enzymsensor einzubringen, kann des weiteren eine hochgenaue Temperaturkompensation durchgeführt werden.
Da der Heißleiter eine Konstantstromquelle verwendet, in welcher ein Strom von nicht mehr als 50 µA fließt, kann eine Eigenerwärmung des Heißleiters an sich vernachlässigt werden. Dies ermöglicht eine hochgenaue Messung eines Widerstands, d. h., einer Temperatur. Durch ein Unterwerfen des Widerstandswerts einer sich wiederholenden Hochgeschwindigkeitsverarbeitung unter Verwendung eines Computers, kann der Widerstandswert auch in einem sich andauernd änderndem System schnell und genau in eine Temperatur gewandelt werden. Wenn die Temperatur verwendet wird, kann der Ionensensor oder Gassensor einer hochgenauen Temperaturkompensation unterworfen werden.
Obgleich die nichtelektrische Übertragungseinrichtung in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein optisches Kommunikationssystem ist, kann prinzipiell jede Einrichtung, welche nicht von elektrischen Störungen beeinflußt wird, verwendet, werden, wie zum Beispiel Schall. Eine Messung ist nicht auf pH- und Gaskonzentration beschränkt. Andere biologische Substanzen können durch solche Biosensoren, wie Enzymsensoren und Mirobensensoren, gemessen werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen einer biologischen Information mit:

einer Mehrzahl von Meßeinheiten (1, 1a, 1b), von denen jede eine Mehrzahl von Meßeinrichtungen (10, 11, 12 oder 18, 19), die elektrische Werte, die einer Mehrzahl von Elementen einer biologischen Information entsprechen, ständig messen und Signale mit einer biologischen Information ausgeben, und eine Zeitverschachtelungseinrichtung (16, 22) aufweist, die mittels einem Zeitverschachtelungsverfahren die Signale mit einer biologischen Information aus senden, wobei jedes ein Kennungssignal beinhaltet, wobei die elektrischen Werte mindestens einen elektrischen Wert beinhalten, der mindestens einem Temperaturinformationselement entspricht, welches von einem Heißleiter gemessen wird, durch welchen ein Strom von nicht mehr als 70 µA fließt und welcher in eine Isolationsröhre eingefügt ist;

einer Übertragungseinrichtung (4, 17, 23), die die Signale einer biologischen Information aus der Mehrzahl der Meßeinheiten überträgt; und

einer Verarbeitungseinheit (2, 3, 6, 7), die eine Umwandlungseinrichtung (2, 4), die die Signale mit einer biologischen Information, die aus der Übertragungseinrichtung empfangen werden, in elektrische Signale umwandelt, eine Unterscheidungseinrichtung (25, 320, 321), die elektrische Signale in Übereinstimmung mit jeder Meßeinheit aus den elektrischen Signalen, die von der Umwandlungseinrichtung umgewandelt werden, auswählt und die ein elektrisches Signal zwischen den ausgewählten elektrischen Signalen auf der Grundlage des Kennungssignals unterscheidet, eine Analyseeinrichtung (3, S135, S144, z. B.(1)-(3)), die das unterschiedene elektrische Signal in Abhängigkeit von dem Typ einer biologischen Information analysiert und eine Ausgabeeinrichtung (6, 7) aufweist, die die Analyseergebnisse aus der Analyseeinrichtung zu (einer) externen Einrichtung(en) ausgibt, wobei die Analyseergebnisse standardisiert werden, um dem Typ einer biologischen Information zu entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Mehrzahl von Meßeinrichtungen eine erste Temperaturmeßeinrichtung (12, 19) ist, die die Temperatur einer Körperflüssigkeit in der Nähe der Meßeinrichtung mißt und einer erstes Temperaturinformationssignal ausgibt, und dadurch, daß die Analyseeinrichtung die Signale mit einer biologischen Information mit einer Temperaturkompensation mittels einem Verwenden des ersten Temperaturinformationssignals analysiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (4, 17, 23) eine optische Kommunikationseinrichtung aufweist, die ein oder eine Mehrzahl von optischen Faserkabeln (4) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinrichtung (6, 7) eine Anzeigeeinrichtung (6) oder eine Aufzeichnungseinrichtung (7) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (1a, 1b) eine interne Stromversorgung beinhaltet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (1a, 1b) einen Differentialverstärker (Fig. 3, 4 und 5) als eine Einrichtung, die die elektromotorische Kraft mißt, beinhaltet, wobei der Verstärker einen hohen Eingangswiderstand aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine andere der Mehrzahl von Meßeinrichtungen eine zweite Temperaturmeßeinrichtung (11) ist, die die Temperatur der Meßeinrichtung mißt und ein zweites Temperaturinformationssignal ausgibt, um eine Eigenschaft der Meßeinrichtung in der Temperatur zu kompensieren.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung des weiteren eine Temperaturberechnungseinrichtung (3, Fig.

9, S94-S98) aufweist, die die Temperatur durch ein Annäherungsverfahren mittels einem Verwenden einer Verarbeitungsschleife aus dem ersten Temperaturinformationssignal, welches von der Umwandlungseinrichtung in das elektrische Signal umgewandelt worden ist, berechnet, wobei die Analyseeinrichtung die Signale mit einer biologischen Information mit einer Temperaturkompensation mittels einem Verwenden der berechneten Temperatur analysiert.