DE10106046A1

DE10106046A1 - Kombinierter Atemstromsensor

Info

Publication number: DE10106046A1
Application number: DE10106046A
Authority: DE
Inventors: Jochim Koch
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draeger Medical GmbH
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2002-08-29
Also published as: US20020108437A1; GB2375609B; GB0203055D0; GB2375609A; US6571622B2

Abstract

Ein kompakter, einteiliger Atemstromsensor mit kleinem Totraumvolumen für die gleichzeitige Messung sowohl des Gasvolumenstroms als auch der Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstroms weist folgende Merkmale auf: DOLLAR A a) Das rohrförmige Gehäuse (1) des Atemstromsensors weist zwei senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnete, gegenüberliegende, den Atemstrom begrenzende Fenster (2, 3) auf aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigem Material, DOLLAR A b) ein Infrarotsensor mit einer Infrarotstrahlungsquelle (4) und mit mindestens einem Infrarotstrahlungsdetektor (5) ist mit dem Gehäuse (1) verbunden, so dass DOLLAR A c) die Infrarotstrahlungsquelle (4) eines der beiden Fenster (2, 3) des Gehäuses (1) bestrahlt und DOLLAR A d) der mindestens eine Infrarotstrahlungsdetektor (5) die Infrarotstrahlung der Infrarotstrahlungsquelle (4) nach deren Durchqueren des Atemstroms und der beiden den Atemstrom begrenzenden Fenster (2, 3) empfängt, DOLLAR A e) mindestens ein Messaufnehmer für den Gasvolumenstrom ist im rohrförmgien Gehäuse (1) außerhalb des Strahlenwegs der Infrarotstrahlung angebracht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Atemstromsensor für die Messung des Gas volumenstroms und der Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstroms mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Sowohl Messeinrichtungen für die Erfassung des Gasvolumenstroms als auch für die Erfassung der Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstroms von Patienten sind als jeweils separate Messeinheiten aus dem klinischen Alltag bekannt. Dabei werden für die Messung des Gasvolumenstroms speziell unter schiedlich ausgebildete Hitzdrahtanemometer verwendet, wie sie beispielsweise aus DE 100 23 655 bekannt geworden sind. Für die Messung der Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstroms werden vorzugsweise den Gasvolumenstrom durchstrahlende Infrarotmessverfahren verwendet, wie beispielsweise in DE 197 16 061 C1 beschrieben, wobei mittels geeigneter Infrarotstrahlungsdetektoren die konzentrationsabhängige Absorption der von einer Infrarotstrahlungsquelle ausgesendeten Infrarotstrahlung nach Durchquerung des Atemstroms in einer Messgasküvette für eine für ein bestimmtes Gas wie CO₂ charakteristische Wellenlänge erfasst wird. Aus dem empfangenen Messsignal lässt sich die Konzentration des bestimmten Gases rechnerisch ermitteln.

Bisher wurden für spezielle Untersuchungen (FRC, Funktionelle Residualkapazität von Lungen) je ein Sensor für die Messung des Gasvolumenstroms und ein separater Sensor für die Messung der Konzentration von Gasbestand teilen, jeweils mit einem eigenen Gehäuse, hintereinander geschaltet. Diese Praxis ist in der Handhabung kompliziert, die Gesamtanordnung ist relativ platzaufwändig und insbesondere ist eine derartige konventionelle Anordnung für die Messung der Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstroms von Patienten mit Fehlern behaftet, die auf das relativ große Totraumvolumen der hintereinander geschalteten Gesamtanordnung zurückzuführen sind. Speziell bei der Beatmung von früh- und neugeborenen Patienten hat die Größe des Totraumvolumens einen erheblichen Einfluss auf die CO₂-Werte des Patienten. So erhöht die Vergrößerung des Totraumvolumens von 1 auf 2,5 Milliliter das im Blut gemessene CO₂ um etwa 30%, das heißt die maschinelle Beatmung muss durch entsprechende Erhöhung des zugeführten Beatmungs volumens oder des Beatmungsdruckes angepasst werden. Diese Maßnahmen wiederum können für den Patienten zu einer erheblichen Belastung führen, insbesondere zu einer Überdehnung der Lungen mit einer irreparable Lungen schädigung. Andererseits möchte man bei der maschinellen Beatmung der Patienten möglichst zeitnah wichtige charakteristische Beatmungsgrößen messen und überwachen, insbesondere den CO₂-Gehalt der ausgeatmeten Luft sowie den momentanen und maximalen Gasvolumenstrom und das durch Integration über einen Atemzug ermittelte Atemvolumen. Der Gasvolumenstrom kann hierbei mit an sich bekannten Sensoren bestimmt werden, beispielsweise mit Hitzdraht anemometern oder mit mechanischen Messaufnehmern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach in der Bereitstellung eines kombi nierten und kompakten Atemstromsensors, der für die gleichzeitige Messung sowohl des Gasvolumenstroms als auch der Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstroms geeignet ist.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstands nach Anspruch 1 an.

Ein wesentlicher Vorteil des Atemstromsensors nach Anspruch 1 besteht darin, dass durch den kompakten Aufbau das durch den Sensor gebildete Totraum volumen deutlich verkleinert ist, so dass eine verbesserte Überwachung auch von früh- oder neugeborenen Patienten während einer maschinellen Beatmung in Bezug auf die Zusammensetzung und Strömungsparameter des ein- beziehungsweise ausgeatmeten Atemstroms möglich ist.

Ein weiterer Vorteil einer speziellen Ausführungsform der Erfindung mit zwei Hitz drähten als Messaufnehmer für den Gasvolumenstrom mit einem zusätzlichen Luftwiderstandskörper in der Nähe des einen Hitzdrahtes besteht darin, dass sich hiermit zusätzlich zum Betrag des Gasvolumenstroms die Richtung des ein- oder ausgeatmeten Atemstroms bestimmen lässt. Dabei ist der Abstand der beiden Messstellen vorzugsweise so gewählt, dass die den Atemstrom durchquerende Infrarotstrahlung ungestört das Gehäuse des Atemstromsensors passiert, so dass sich die hohe Infrarotstrahlungswärme der Hitzdrähte nicht auf die mittels der von außerhalb des Gehäuses für die Konzentrationsmessung eingestrahlten Infrarot strahlung auswirkt. Die beiden Messungen für den Gasvolumenstrom und für die Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstroms beeinflussen sich auch deshalb nicht, weil die Infrarotstrahlung der Hitzdrähte nicht auf den ebenfalls außerhalb des Gehäuses angeordneten mindestens einen Infrarotstrahlungs detektor auftrifft.

Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hitzdrähte parallel zur das Gehäuse durchquerenden Infrarotstrahlung ausgerichtet sind.

Erfindungsgemäße Atemstromsensoren eignen sich gut für die FRC-Messung, wobei anstelle des CO₂ ein Tracergas gemessen wird.

Im Folgenden wird mit Hilfe der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert:

Es zeigen

Fig. 1 einen ersten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Atemstromsensor und

Fig. 2 einen zweiten Längsschnitt durch den Atemstromsensor nach Fig. 1, jedoch nach Drehung um 90° um die Mittel längsachse.

Das rohrförmige Gehäuse 1 ist vorzugsweise einstückig aus einem geeigneten Kunststoff hergestellt, insbesondere aus Polysulfon oder Polycarbonat. Am linken und rechten Ende ist das Gehäuse 1 konusförmig für standardisierte Schlauchanschlüsse ausgebildet. Die beiden für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster 2, 3, z. B. aus Quarzglas, aus Bariumsulfid oder insbesondere aus Kalziumfluorid oder aus Polyester (für Einwegartikel), sind in eine Querbohrung des Gehäuses 1 gegenüberliegend und quer zur Strömungsrichtung eingesetzt, so dass die Infrarotstrahlung von der Infrarotstrahlungsquelle 4 die Fenster 2, 3 und den Atemstrom durchstrahlt. Das aufgrund der wellenlängenabhängigen, gasspezifischen Absorption der Infrarotstrahlung geschwächte Messsignal wird von dem mindestens einen Infrarotstrahlungsdetektor 5 empfangen und ist ein Maß für die Konzentration eines bestimmten Gases, beispielsweise von CO₂. Die den Infrarotsensor bildende Infrarotstrahlungsquelle 4 und der Infrarotstrahlungsdetektor 5 sind vorzugsweise in Form einer separaten, auf das Gehäuse 1 aufschiebbaren Baueinheit ausgebildet. Der Gasvolumenstrom des Atemstroms wird mit Hilfe der beiden als Hitzdrähte 6, 7 ausgebildeten Mess aufnehmer bestimmt. Die beiden Hitzdrähte 6, 7 sind quer zur Strömungsrichtung des Atemstroms ausgerichtet und vorzugsweise parallel zur Richtung der das Gehäuse 1 durchquerenden Infrarotstrahlung, um die infrarotoptische Messung der Konzentration und insbesondere den Infrarotstrahlungsdetektor 5 möglichst wenig zu stören.

Um die Strömungsrichtung des vorbeiströmenden Atemstroms zu bestimmen, befindet sich in der Nähe des zweiten Hitzdrahtes 7 ein Luftwiderstandskörper 8, der die elektrische Heizleistung des zweiten Hitzdrahtes 7 im Vergleich mit dem ersten Hitzdraht 6 in Richtungsabhängigkeit vom Atemstrom unterschiedlich beeinflusst, je nachdem, ob sich der zweite Hitzdraht 7 im Strömungsschatten des Luftwiderstandskörpers 8 bei einer Strömung von links ("L" in der Fig. 1) befindet oder bei einer Strömung von rechts ("R" in Fig. 1) praktisch ein gleiches Signal wie der erste Hitzdraht 6 liefert.

Zur Vergleichmäßigung der Strömung sind auf beiden Eingängen des Atemstrom sensors Strömungsverteiler 9, 10 angebracht, die beispielsweise als Metallsiebe ausgebildet sind.

Versuche haben gezeigt, dass der Durchmesser der den Atemstrom durchquerenden Infrarotstrahlung, in Fig. 1 schematisch mit 13 bezeichnet, etwa 6 Millimeter betragen sollte, um zu einem vernünftigen Signal-/Rausch verhältnis zu gelangen. Der Durchmesser des Strömungskanals im rohrförmigen Gehäuse 1 für die Messung des Gasvolumenstroms betrug etwa 5 Millimeter, um ein genügend starkes Messsignal bei kleinen Gasvolumenströmen zu erhalten. Die Messsignale der beiden Hitzdrähte 6, 7 werden über Kontakte 11, 12 an eine Auswerteeinheit weitergeleitet, ebenso wie die Messsignale des mindestens einen Infrarotstrahlungsdetektors 5, der zum Beispiel als Multispektralsensor für die Messung der Konzentration unterschiedlicher Gasbestandteile ausgebildet sein kann, je nach zu messender, gasartspezifischer Absorptionswellenlänge.

Das Material der beiden Fenster 2, 3 wird nach der zu messenden Gasart ausgesucht. Für das Wellenlängenspektrum von CO₂ (4,2 Mikrometer) und Fluoriden (8-12 Mikrometer) ist beispielsweise Kalziumfluorid gut geeignet.

Claims

1. Atemstromsensor für die Messung des Gasvolumenstroms und der Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstroms mit folgenden Merkmalen:

a) Das rohrförmige Gehäuse (1) des Atemstromsensors weist zwei senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnete, gegenüberliegende, den Atemstrom begrenzende Fenster (2, 3) auf aus einem für Infrarot strahlung durchlässigen Material,
b) ein Infrarotsensor mit einer Infrarotstrahlungsquelle (4) und mit mindestens einem Infrarotstrahlungsdetektor (5) ist mit dem Gehäuse (1) verbunden, so dass
c) die Infrarotstrahlungsquelle (4) eins der beiden Fenster (2, 3) des Gehäuses (1) bestrahlt und
d) der mindestens eine Infrarotstrahlungsdetektor (5) die Infrarotstrahlung der Infrarotstrahlungsquelle (4) nach deren Durchquerung des Atem stroms und der beiden den Atemstrom begrenzenden Fenster (2, 3) empfängt,
e) mindestens ein Messaufnehmer für den Gasvolumenstrom ist im rohr förmigen Gehäuse (1) außerhalb des Strahlenwegs der Infrarotstrahlung angebracht.

2. Atemstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messaufnehmer für den Gasvolumenstrom auf einem in das Gehäuse (1) des Atemstromsensors einsetzbaren Messaufsatz angeordnet ist, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Atemstroms und senkrecht zum Strahlenweg der Infrarotstrahlung in das Gehäuse (1) einsetzbar ist.

3. Atemstromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messaufnehmer für den Gasvolumenstrom aus mindestens einem Hitzdraht (6, 7) besteht, wobei insbesondere ein erster Hitzdraht (6) vor und ein zweiter Hitzdraht (7) hinter dem Strahlenweg der Infrarotstrahlung angeordnet ist, jeweils in Bezug auf den vorbeiströmenden Atemstrom gesehen, und wobei der mindestens eine Hitzdraht (6, 7) insbesondere parallel zum Strahlenweg der Infrarotstrahlung ausgerichtet ist.

4. Atemstromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der zweite Hitzdraht (7) in der Nähe eines Luftwiderstandskörpers (8) angeordnet ist, so dass aufgrund der Richtungsabhängigkeit der Kühlwirkung des vorbeiströmenden Atemstroms auf diesen zweiten Hitzdraht (7) ein Messsignal für die Richtung des Atemstroms erfasst wird.

5. Atemstromsensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotsensor U-förmig und einstückig ausgebildet ist und lösbar über das Gehäuse (1) und die Fenster (2, 3) des Atemstromsensors geschoben ist.

6. Atemstromsensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Infrarotstrahlungs detektor (5) als Multispektralsensor zur Messung von mehreren Wellenlängenbereichen der Infrarotstrahlung ausgebildet ist.

7. Atemstromsensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus einem Polysulfon oder Polycarbonat besteht.

8. Atemstromsensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster (2, 3) aus Kalziumfluorid bestehen.

9. Atemstromsensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er bei der Beatmung von Früh- oder neu borenen Patienten eingesetzt wird.