DE102020108199A1 - Method and device for determining the volume flow, pressure and composition of a gas - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Bestimmen von Volumenstrom (V), Druck (p) und Zusammensetzung eines Gases, das bei der Atmung/Beatmung eines Patienten (P) durch einen Strömungskanal (12) geleitet wird. In dem Strömungskanal (12) ist eine flexible Trägermembran (16) orthogonal zur Strömungsrichtung (S) des Gases angeordnet, wobei an zumindest einer Oberfläche (17) der Trägermembran (16) zumindest ein erster Sensor (18) insbesondere in Form eines Dehnungsmessstreifens angebracht ist. Die Trägermembran (16) ist innerhalb des Strömungskanals (12) in Abhängigkeit des Volumenstroms (V) des Gases verformbar, wobei bei einer Bewegung der Trägermembran (16) und/oder Verformung des ersten Sensors zumindest ein Signal abhängig vom Volumenstrom (V) des Gases erzeugt wird. Ein Druck des Gases wird mittels einer Druckmesseinrichtung (20) gemessen, die in dem Strömungskanal (12) insbesondere im Bereich von dessen Wandung (W) angeordnet ist. Die Zusammensetzung des Gases wird durch einen eines innerhalb des Strömungskanals (12) angeordneten zweiten Sensor (24) bestimmt.The invention relates to a method and a device (10) for determining the volume flow (V), pressure (p) and composition of a gas which is passed through a flow channel (12) when breathing / ventilating a patient (P). A flexible support membrane (16) is arranged in the flow channel (12) orthogonally to the flow direction (S) of the gas, with at least one first sensor (18), in particular in the form of a strain gauge, being attached to at least one surface (17) of the support membrane (16) . The support membrane (16) is deformable within the flow channel (12) depending on the volume flow (V) of the gas, with at least one signal depending on the volume flow (V) of the gas when the support membrane (16) moves and / or the first sensor is deformed is produced. A pressure of the gas is measured by means of a pressure measuring device (20) which is arranged in the flow channel (12), in particular in the area of its wall (W). The composition of the gas is determined by a second sensor (24) arranged within the flow channel (12).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Volumenstrom, Druck und Zusammensetzung eines Gases bei der Atmung oder Beatmung eines Patienten.The invention relates to a method and a device for determining the volume flow, pressure and composition of a gas when breathing or ventilating a patient.
Auf dem Gebiet der Medizin ist es bei der Versorgung von Patienten mit Atemgas bzw. Atemluft in der Regel erforderlich, dass genaue Informationen zu diesem Atemgas bzw. für diese Atemluft vorliegen. Zu diesem Zweck werden Messparameter erfasst, die für ein Atemgas bzw. Atemluft, das bzw. die dem Patienten zugeführt bzw. vom Patienten eingeatmet wird oder vom Patienten ausgeatmet wird, charakteristisch sind. Zu diesen Messparametern zählen insbesondere die Menge an zugeführtem Atemgas, die sich aus dem Volumenstrom bestimmt, der Druck des zugeführten Gases sowie dessen Zusammensetzung insbesondere im Hinblick auf die darin enthaltenen Anteile z.B. von Sauerstoff und Kohlendioxid und deren Konzentration.In the field of medicine, when supplying patients with breathing gas or breathing air, it is generally necessary that precise information about this breathing gas or about this breathing air is available. For this purpose, measurement parameters are recorded which are characteristic of a breathing gas or breathing air that is supplied to the patient or inhaled by the patient or exhaled by the patient. These measurement parameters include in particular the amount of breathing gas supplied, which is determined from the volume flow, the pressure of the supplied gas and its composition, especially with regard to the proportions of oxygen and carbon dioxide contained therein and their concentration.
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Volumenstromsensoren aus einem Hitzdraht-Anemometer ausgebildet sind. In bekannter Weise kommt bei der Hitzdraht-Anemometrie ein sehr dünner Draht zum Einsatz, der einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern aufweist und in der Regel aus Platin, Nickel, Wolfram oder unterschiedlichen Legierungen hieraus besteht. Das Messprinzip besteht darin, dass dieser dünne Draht elektrisch erhitzt wird, wobei die Wärmeabgabe dieses Drahts an die vorbeiströmende Luft zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit dient.According to the prior art, it is known that volume flow sensors are formed from a hot wire anemometer. In a known way, a very thin wire is used in hot wire anemometry, which has a diameter of only a few micrometers and usually consists of platinum, nickel, tungsten or various alloys thereof. The measuring principle is that this thin wire is heated electrically, whereby the heat given off by this wire to the air flowing past is used to determine the flow velocity.
Aus
Des Weiteren ist aus
Die Bereitstellung eines Hitzdraht-Anemometers insbesondere zur Bildung eines Volumenstromsensors ist per se kostspielig und mit dem weiteren Nachteil verbunden, dass in Verbindung hiermit zumeist aufwendige und schnelle Regelkreise erforderlich sind, um den Hitzdraht auf einer durchschnittlich gleichen Temperatur zu halten.The provision of a hot wire anemometer, in particular for the formation of a volume flow sensor, is expensive per se and has the further disadvantage that in connection with this, complex and fast control loops are usually required in order to keep the hot wire at an average temperature.
Ein anderes Messprinzip zum Bestimmen eines Volumenstroms, das im Vergleich zur Hitzdraht-Anemometrie weniger aufwendig ist, besteht nach dem Stand der Technik darin, dass ein Sensor insbesondere in Form eines Dehnungsmessstreifens auf einer flexiblen Trägermembran angebracht ist, wobei die Trägermembran von einem Gas angeströmt wird und hierbei in einen Strömungskanal hineinragt, durch den das Gas zu einem Patienten geleitet oder von dem Patienten weggeführt wird. Die Verformung, die sich für die flexible Trägermembran mit dem darauf angebrachten Dehnungsmessstreifen bei der Anströmung durch das Gas einstellt, wird von dem Dehnungsmessstreifen in ein Signal umgewandelt, welches in der Regel einen eindeutigen funktionalen Zusammenhang zum Volumenstrom des Gases innerhalb des Strömungskanals hat. Eine Volumenstrommessung mit Hilfe solcher auf einer flexiblen Trägermembran angebrachten Dehnungsmessstreifen ist beispielsweise aus
Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, im Zusammenhang mit dem Atmen oder einer Beatmung eines Patienten in Bezug auf ein Gas, das zum oder vom Patienten strömt, die Bestimmung von charakteristischen Messparametern dieses Gases, zu denen auch die Analyse der Bestandteile des Gases gehört, mit insbesondere preiswerten und einfachen Mitteln zu optimieren.Accordingly, the invention is based on the object, in connection with breathing or ventilation of a patient in relation to a gas that flows to or from the patient, the determination of characteristic measurement parameters of this gas, which also include the analysis of the constituents of the gas, to optimize with particularly inexpensive and simple means.
Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch eine mit den Merkmalen von Anspruch 15 definierte Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The above object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device defined by the features of
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren vor, mit dem sich Volumenstrom (Flow), Druck und Zusammensetzung eines Gases, das bei der Atmung oder Beatmung eines Patienten durch einen Strömungskanal geleitet wird, bestimmen lassen. Die Messung des Volumenstroms des Gases erfolgt mittels einer flexiblen Trägermembran, die in dem Strömungskanal im Wesentlichen orthogonal zur Strömungsrichtung des Gases angeordnet ist, wobei an zumindest einer Oberfläche der Trägermembran zumindest ein erster Sensor insbesondere in Form eines Dehnungsmessstreifens oder eines Piezoelements angebracht ist. Die flexible Trägermembran kann innerhalb des Strömungskanals in Abhängigkeit des Volumenstroms des Gases verformt werden, wobei bei einer Bewegung der Trägermembran und/oder Verformung des ersten Sensors zumindest ein Signal abhängig vom Volumenstrom des Gases erzeugt wird. Des Weiteren ist in dem Strömungskanal insbesondere im Bereich von dessen Wandung eine Druckmesseinrichtung angeordnet, wobei mit dieser Druckmesseinrichtung ein statischer Druck für das innerhalb des Strömungskanals strömende Gas im Vergleich zur äußeren Umgebung des Strömungskanals gemessen wird. Die Zusammensetzung des Gases, insbesondere ausgewählte Gase gebildet aus der Gruppe von zumindest Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2), wird durch zumindest einen innerhalb des Strömungskanals angeordneten insbesondere katalytischen zweiten Sensor bestimmt.The present invention provides a method with which the volume flow (flow), pressure and composition of a gas which is passed through a flow channel when breathing or ventilating a patient can be determined. The volume flow of the gas is measured by means of a flexible carrier membrane which is arranged in the flow channel essentially orthogonally to the direction of flow of the gas, with at least one first sensor, in particular in the form of a strain gauge or a piezo element, being attached to at least one surface of the carrier membrane. The flexible support membrane can be deformed within the flow channel depending on the volume flow of the gas, with a movement of the support membrane and / or deformation of the first sensor, at least one signal is generated as a function of the volume flow of the gas. Furthermore, a pressure measuring device is arranged in the flow channel, in particular in the area of its wall, with this pressure measuring device being used to measure a static pressure for the gas flowing within the flow channel in comparison to the external environment of the flow channel. The composition of the gas, in particular selected gases formed from the group of at least oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ), is determined by at least one, in particular catalytic, second sensor arranged within the flow channel.
In gleicher Weise sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, mit der sich Volumenstrom (Flow), Druck und Zusammensetzung eines Gases bei der Atmung oder Beatmung eines Patienten bestimmen lassen. Eine solche Vorrichtung umfasst einen Strömungskanal, der an ein Beatmungsgerät anschließbar ist und durch den das Gas hindurch strömen kann, zumindest eine flexible Trägermembran, die in dem Strömungskanal im Wesentlichen orthogonal zur Strömungsrichtung des Gases angeordnet ist, wobei an zumindest einer Oberfläche der Trägermembran zumindest ein erster Sensor insbesondere in Form eines Dehnungsmessstreifens oder ein Piezoelements angebracht ist, wobei die Trägermembran innerhalb des Strömungskanals in Abhängigkeit des Volumenstroms des Gases verformbar ist und bei einer Bewegung der Trägermembran und/oder Verformung des ersten Sensors zumindest ein Signal abhängig vom Volumenstrom des Gases erzeugbar ist, eine Druckmesseinrichtung, die in dem Strömungskanal insbesondere im Bereich von dessen Wandung angeordnet ist, wobei mit dieser Druckmesseinrichtung ein statischer Druck für das innerhalb des Strömungskanals strömende Gas im Vergleich zur äußeren Umgebung des Strömungskanals messbar ist, und zumindest einen innerhalb des Strömungskanals angeordneten insbesondere katalytischen zweiten Sensor, mit dem eine Zusammensetzung des Gases, insbesondere ausgewählte Gase gebildet aus der Gruppe von zumindest Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2), bestimmbar sind.In the same way, the invention provides a device with which the volume flow (flow), pressure and composition of a gas can be determined when breathing or ventilating a patient. Such a device comprises a flow channel, which can be connected to a ventilator and through which the gas can flow, at least one flexible support membrane which is arranged in the flow channel essentially orthogonally to the flow direction of the gas, at least one on at least one surface of the support membrane The first sensor, in particular in the form of a strain gauge or a piezo element, is attached, the carrier membrane being deformable within the flow channel depending on the volume flow of the gas and at least one signal depending on the volume flow of the gas being generated when the carrier membrane moves and / or the first sensor is deformed , a pressure measuring device which is arranged in the flow channel, in particular in the area of its wall, with this pressure measuring device measuring a static pressure for the gas flowing within the flow channel in comparison to the external environment of the flow channel r is, and at least one, in particular catalytic, second sensor arranged within the flow channel, with which a composition of the gas, in particular selected gases formed from the group of at least oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ), can be determined.
Zweckmäßigerweise kann bei der vorliegenden Erfindung der erste Sensor, welcher an zumindest einer Oberfläche der flexiblen Trägermembran angebracht ist, in Form eines Dehnungsmessstreifens (kurz: „DMS“) ausgebildet sein. In der Regel führt eine Bewegung bzw. Auslenkung der flexiblen Trägermembran beim Anströmen mit dem durch den Strömungskanal geleiteten Gases zu einer Verformung des DMS, was dann ein elektrisches Signal erzeugt, welches abhängig von dem durch den Strömungskanal geleiteten Volumenstrom, beispielsweise proportional hierzu, ist.In the present invention, the first sensor, which is attached to at least one surface of the flexible carrier membrane, can expediently be designed in the form of a strain gauge (“DMS” for short). As a rule, a movement or deflection of the flexible support membrane when the gas flowing through the flow channel flows against it leads to a deformation of the DMS, which then generates an electrical signal that is dependent on the volume flow passed through the flow channel, for example proportional to it.
Um eine bidirektionale Messung des Volumenstroms mit der flexiblen Trägermembran zu optimieren, ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass erste Sensoren auf beiden Seiten der Trägermembran, d.h. auf entgegengesetzten Oberflächen davon, angebracht sind. Gleichwohl darf an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass eine bidirektionale Messung des Volumenstroms bereits dann möglich ist, wenn nur an bzw. auf einer Oberfläche der flexiblen Trägermembran, d.h. nur an einer Seite davon, ein erster Sensor beispielsweise in Form eines DMS vorgesehen ist.In order to optimize a bidirectional measurement of the volume flow with the flexible support membrane, it is provided according to an advantageous development of the invention that first sensors are attached to both sides of the support membrane, i.e. on opposite surfaces thereof. Nevertheless, it should be pointed out at this point that a bidirectional measurement of the volume flow is already possible if a first sensor, for example in the form of a strain gauge, is provided only on or on one surface of the flexible carrier membrane, i.e. only on one side thereof.
Ein erster Sensor in Form eines DMS kann entweder von außen auf einer Oberfläche der flexiblen Trägermembran befestigt werden, beispielsweise durch Kleben. Ergänzend oder alternativ hierzu ist es auch möglich, einen DMS strukturell in das Material der flexiblen Trägermembran einzuarbeiten.A first sensor in the form of a strain gauge can either be attached from the outside to a surface of the flexible carrier membrane, for example by gluing. In addition or as an alternative to this, it is also possible to incorporate a DMS structurally into the material of the flexible support membrane.
Alternativ zu einem DMS kann ein erster Sensor auch in Form eines Piezoelements ausgebildet sein. Hierbei wird der Piezoeffekt ausgenutzt. Dies bedeutet, dass bei einer Bewegung bzw. Verformung der flexiblen Trägermembran im Falle der Anströmung mit einem durch den Strömungskanal geleiteten Gas auf ein an bzw. auf der Trägermembran angebrachtes Piezoelement eine mechanische Kraft einwirkt, die wiederum eine elektrische Spannung produziert, die zu einem Signal umgewandelt wird, welches abhängig oder proportional zum Volumenstrom des Gases innerhalb der Strömungskanals ist.As an alternative to a DMS, a first sensor can also be designed in the form of a piezo element. The piezo effect is used here. This means that when the flexible support membrane is moved or deformed, a mechanical force acts on a piezo element attached to or on the support membrane in the event of a gas flowing through the flow channel, which in turn produces an electrical voltage that results in a signal is converted, which is dependent on or proportional to the volume flow of the gas within the flow channel.
Die Messung des Volumenstroms für ein durch den Strömungskanal geleitetes Gas durch zumindest einen ersten Sensor ist im Vergleich zur Messtechnik basierend auf der Hitzdraht-Anemometrie wesentlich einfacher und kostengünstiger insoweit, als dass dieser erste Sensor vorzugsweise in Form eines DMS auf der Oberfläche einer flexiblen Trägermembran angebracht ist und sich bei einer Verformung des ersten Sensors, die sich beim Anströmen der Trägermembran durch das Gas und einer hieraus resultierenden Auslenkung der Trägermembran einstellt, ein elektrisches Signal bildet, welches abhängig oder proportional zum Volumenstrom des Gas ist.The measurement of the volume flow for a gas passed through the flow channel through at least one first sensor is, compared to the measurement technology based on hot wire anemometry, much simpler and more cost-effective insofar as this first sensor is preferably attached in the form of a strain gauge to the surface of a flexible support membrane and in the event of a deformation of the first sensor, which occurs when the gas flows against the carrier membrane and the resulting deflection of the carrier membrane, an electrical signal is generated which is dependent on or proportional to the volume flow of the gas.
Wie bereits erläutert, kann es sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung empfehlen, dass erste Sensoren, beispielsweise in Form eines DMS oder eines Piezoelements, auf den entgegengesetzten Oberflächen der flexiblen Trägermembran angebracht sind. Dies ermöglicht für ein in dem Strömungskanal geleiteten Gas eine Messung von dessen Volumenstrom in beiden Richtungen.As already explained, according to an advantageous development of the invention, it can be recommended that first sensors, for example in the form of a DMS or a piezo element, are attached to the opposite surfaces of the flexible carrier membrane. For a gas conducted in the flow channel, this enables a measurement of its volume flow in both directions.
Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, dass es hiermit in robuster und zuverlässiger Weise möglich ist, mehrere Messparameter für ein Gas, das entweder zum Patienten geleitet wird oder vom Patienten ausgeatmet worden ist und von ihm wegströmt, gleichzeitig zu messen bzw. zu bestimmen. Zu diesen Parametern gehören neben dem Volumenstrom (= „Flow“), der wie erläutert mit Hilfe eines auf einer flexiblen Trägermembran angebrachten ersten Sensors und vorzugsweise mit einem DMS ermittelt wird, und dem Druck des Gases insbesondere auch die Bestandteile des Gases, beispielsweise die Anteile von Sauerstoff und/oder Kohlendioxid, die in dem durch den Strömungskanal geleiteten Gas enthalten sind und mittels des zweiten Sensors bestimmbar sind.The invention is based on the essential knowledge that it is herewith more robust and it is reliably possible to simultaneously measure or determine several measurement parameters for a gas that is either passed to the patient or has been exhaled by the patient and flows away from him. These parameters include the volume flow, which, as explained, is determined with the aid of a first sensor attached to a flexible support membrane and preferably with a strain gauge, and the pressure of the gas, in particular the components of the gas, for example the proportions of oxygen and / or carbon dioxide, which are contained in the gas passed through the flow channel and can be determined by means of the second sensor.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein kompaktes und preiswertes Kombi-Gerät vorzugsweise in Form eines Einmal-Artikels geschaffen, mit dem die vorstehend genannten Messparameter für ein vom oder zum Patienten strömendes Gas in einfacher und robuster Weise bestimmt werden können.With the device according to the invention, a compact and inexpensive combination device is created, preferably in the form of a disposable article, with which the aforementioned measurement parameters for a gas flowing from or to the patient can be determined in a simple and robust manner.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der besagten Messparameter des durch den Strömungskanal geleiteten Gases (d.h. Volumenstrom (Flow), Druck und Zusammensetzung eines Gases) für den Anteil des Gases erfolgt, der durch den Strömungskanal in Richtung des Patienten strömt und entsprechend vom Patienten eingeatmet wird oder aktiv in die Lunge des Patienten strömt. In diesem Zusammenhang kann das Gas, welches in Richtung des Patienten geleitet wird, als „frisches Gas“ bezeichnet werden.In an advantageous development of the invention, it is provided that the said measurement parameters of the gas passed through the flow channel (ie volume flow (flow), pressure and composition of a gas) are determined for the portion of the gas that flows through the flow channel in the direction of the patient and is inhaled accordingly by the patient or actively flows into the patient's lungs. In this context, the gas that is directed towards the patient can be referred to as “fresh gas”.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bestimmen von Volumenstrom (Flow), Druck und Zusammensetzung eines Gases für den Anteil des Gases erfolgt, der durch den Strömungskanal weg vom Patienten strömt und entsprechend vom Patienten ausgeatmet worden ist. In an advantageous further development of the invention, it is provided that the determination of the volume flow (flow), pressure and composition of a gas takes place for the portion of the gas which flows through the flow channel away from the patient and has accordingly been exhaled by the patient.
In diesem Zusammenhang kann das Gas, welches vom Patienten ausgeatmet worden ist und von ihm weg strömt, als „Patientengas“ bezeichnet werden.In this context, the gas that has been exhaled by the patient and flows away from him can be referred to as “patient gas”.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist für das Verfahren bzw. die Vorrichtung eine Auswerteeinheit vorgesehen. Somit ist es möglich, dass die Messwerte eines auf der flexiblen Trägermembran angebrachten ersten Sensors, der Druckmesseinrichtung und des zweiten Sensors an diese Auswerteeinheit übertragen werden. Eine solche Übertragung der Messwerte an die Auswerteeinheit kann kabelgebunden erfolgen, wodurch eine Verfälschung dieser Messwerte durch ggf. andere (Stör-)Signale ausgeschlossen ist.In an advantageous further development of the invention, an evaluation unit is provided for the method or the device. It is thus possible for the measured values of a first sensor attached to the flexible carrier membrane, the pressure measuring device and the second sensor to be transmitted to this evaluation unit. Such a transmission of the measured values to the evaluation unit can take place via a cable, whereby a falsification of these measured values by possibly other (interfering) signals is excluded.
Für eine Weiterverarbeitung bzw. weitere Verwendung der Messwerte, die von der Auswerteeinheit von dem ersten Sensor, der Druckmesseinrichtung und dem zweiten Sensor empfangen worden sind, ist von Vorteil, wenn diese Messwerte digitalisiert werden. Hierzu kann die Auswerteeinheit mit geeigneten Mitteln ausgestattet sein, die programmtechnisch derart eingerichtet sind, dass die Messwerte des ersten Sensors, des zweiten Sensors und der Druckmesseinrichtung digitalisierbar sind und vorzugsweise auch in der Auswerteeinheit gespeichert werden können.For further processing or further use of the measured values that have been received by the evaluation unit from the first sensor, the pressure measuring device and the second sensor, it is advantageous if these measured values are digitized. For this purpose, the evaluation unit can be equipped with suitable means, which are set up in terms of programming in such a way that the measured values of the first sensor, the second sensor and the pressure measuring device can be digitized and preferably can also be stored in the evaluation unit.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist eine Sendeeinheit vorgesehen, die mit der Auswerteeinheit in Signalverbindung steht, vorzugsweise ebenfalls kabelgebunden. Somit können die von der Auswerteeinheit empfangenen Messwerte des ersten Sensors, des zweiten Sensors und der Druckmesseinrichtung an die Sendeeinheit übertragen werden, zwecks einer anschließenden Übertragung dieser Messwerte durch die Sendeeinheit an eine externe weitere Einrichtung.In an advantageous development of the invention, a transmission unit is provided which is in signal connection with the evaluation unit, preferably also wired. Thus, the measured values of the first sensor, the second sensor and the pressure measuring device received by the evaluation unit can be transmitted to the transmission unit for the purpose of a subsequent transmission of these measured values by the transmission unit to a further external device.
Von Vorteil ist, wenn die Auswerteeinheit und die Sendeeinheit in einer gemeinsamen Einrichtung integriert ausgebildet sind. Dies ist einerseits platzsparend und ermöglicht andererseits kurze Kabel- bzw. Datenverbindungen zwischen den einzelnen elektronischen Bauelementen dieser Einheiten.It is advantageous if the evaluation unit and the transmission unit are designed to be integrated in a common device. On the one hand, this saves space and, on the other hand, enables short cable or data connections between the individual electronic components of these units.
Die Datenübertragung der Messwerte des ersten Sensors, des zweiten Sensors und der Druckmesseinrichtung von der Sendeeinheit an eine externe Einrichtung kann kabellos über eine Funkstrecke oder dergleichen erfolgen. Beispielsweise eignet sich für diese kabellose Datenübertragung das Bluetooth-Kommunikationsprotokoll oder das ZigBee-Kommunikationsprotokoll.The data transmission of the measured values of the first sensor, the second sensor and the pressure measuring device from the transmitting unit to an external device can take place wirelessly via a radio link or the like. For example, the Bluetooth communication protocol or the ZigBee communication protocol is suitable for this wireless data transmission.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann es sich bei der externen Einrichtung, an welche die Messdaten von der Sendeeinheit gesendet werden, um eine Regel- oder Steuereinrichtung für die Patienten- Beatmung handeln. Anders ausgedrückt, kann eine solche Regel- oder Steuereinrichtung Teil eines Beatmungsgeräts sein, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird und/oder mit dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zusammen eingesetzt wird. Auf Grundlage dessen können dann die Messwerte des ersten Sensors, des zweiten Sensors und der Druckmesseinrichtung von der Regel- oder Steuereinrichtung des Beatmungsgeräts geeignet verarbeitet und für die Steuerung bzw. Regelung der Beatmung eines Patienten berücksichtigt werden.In an advantageous development of the invention, the external device to which the measurement data are sent from the transmitting unit can be a regulating or control device for patient ventilation. In other words, such a regulating or control device can be part of a ventilator with which the method according to the invention is carried out and / or with which the device according to the invention is used together. On the basis of this, the measured values of the first sensor, the second sensor and the pressure measuring device can then be suitably processed by the regulating or control device of the ventilator and taken into account for the control or regulation of the ventilation of a patient.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können der Volumenstrom (Flow), der Druck und die Zusammensetzung des Gases, welches in einen zum Patienten führenden Strömungskanal geleitet wird, mittels einer Regel- oder Steuereinrichtung eines Beatmungsgeräts in Abhängigkeit der Messwerte des auf der flexiblen Trägermembran angebrachten ersten Sensors, der Druckmesseinrichtung und des insbesondere katalytischen zweiten Sensors gesteuert, vorzugsweise geregelt werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass eine Unterstützung bzw. Steuerung/Regelung der Atmung des Patienten mittels des Beatmungsgeräts tatsächlich nur mit hierzu erforderlichen Parametern erfolgt, die mit vorbestimmten Werten übereinstimmen.In an advantageous development of the method according to the invention, the volume flow (flow), the pressure and the composition of the Gas, which is passed into a flow channel leading to the patient, can be controlled, preferably regulated, by means of a regulating or control device of a ventilator depending on the measured values of the first sensor attached to the flexible carrier membrane, the pressure measuring device and the, in particular, catalytic second sensor. This ensures that support or control / regulation of the patient's breathing by means of the ventilator actually only takes place with the parameters required for this purpose, which correspond to predetermined values.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann eine Anzeigeeinheit (Display) vorgesehen sein, die mit der Regel- oder Steuereinrichtung in Signalverbindung steht. Mit Hilfe dieser Anzeigeeinheit können sowohl die Messwerte des ersten Sensors, des zweiten Sensors und der Druckmesseinrichtung, die von der Sendeeinheit übertragen worden sind, als auch die Steuergrößen der Regel- oder Steuereinrichtung, mit denen die Beatmung eines Patienten unterstützt bzw. gesteuert/geregelt wird, geeignet visualisiert werden.In an advantageous development of the invention, a display unit (display) can be provided which is in signal connection with the regulating or control device. With the help of this display unit, both the measured values of the first sensor, the second sensor and the pressure measuring device, which have been transmitted by the transmitting unit, as well as the control variables of the regulating or control device, with which the ventilation of a patient is supported or controlled / regulated , be appropriately visualized.
Bei Anwendung bzw. Durchführung der vorliegenden Erfindung wird der Volumenstrom für ein durch den Strömungskanal geleitete Gas wie erläutert durch einen ersten Sensor ermittelt, der an zumindest einer Oberfläche einer flexiblen und im Wesentlichen orthogonal zur Strömungsrichtung angeordneten Trägermembran bestimmt. Hierbei ist es anzustreben, dass die flexible Trägermembran von dem Gas gleichmäßig und frei von Turbulenzen angeströmt wird. Zu diesem Zweck ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Strömung des Gases innerhalb der Strömungskanals angrenzend oder in der Nähe zur Trägermembran laminarisiert bzw. vergleichmäßigt wird. Eine hierzu eingesetzte Laminarisierungseinrichtung kann in Richtung des Patienten gesehen stromaufwärts und/oder stromabwärts der Trägermembran angeordnet sein. Dies bedeutet, dass eine solche Laminarisierungseinrichtung entweder nur auf einer Seite der Trägermembran, beispielsweise in Richtung des Patienten gesehen stromaufwärts von der Trägermembran (nämlich für das vorstehend erläuterte „frische Gas“) angeordnet ist, oder dass solche Laminarisierungseinrichtungen beiderseits der Trägermembran angeordnet sind. Letzterenfalls ist sichergestellt, dass damit auch das Patientengas, welches aus Richtung des Patienten zur Trägermembran hin strömt, vor Erreichen der Trägermembran gezielt laminarisiert wird.When using or carrying out the present invention, the volume flow for a gas guided through the flow channel is determined, as explained, by a first sensor which determines at least one surface of a flexible support membrane arranged essentially orthogonally to the direction of flow. The aim here is for the gas to flow against the flexible carrier membrane uniformly and free of turbulence. For this purpose, according to an advantageous further development of the invention, it is provided that the flow of the gas within the flow channel is laminarized or evened out adjacent to or in the vicinity of the carrier membrane. A laminarization device used for this purpose can be arranged upstream and / or downstream of the carrier membrane, as seen in the direction of the patient. This means that such a laminarization device is arranged either only on one side of the carrier membrane, for example upstream of the carrier membrane when viewed in the direction of the patient (namely for the “fresh gas” explained above), or that such laminarization devices are arranged on both sides of the carrier membrane. In the latter case, it is ensured that the patient gas, which flows from the direction of the patient to the carrier membrane, is specifically laminarized before it reaches the carrier membrane.
Zum Schutz des Patienten davor, dass in dem ihm zugeführten „frischen Gas“ Verunreinigungen und/oder Keime bzw. Bakterien enthalten sind, kann nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass für das in den Strömungskanal eingebrachte bzw. einströmende frische Gas ein Partikel- und/oder Bakterienfilter vorgesehen ist. Mit diesem Filter wird erreicht, dass das in Richtung des Patienten strömende „frische Gas“ wirkungsvoll in Bezug auf Partikel und/oder Bakterien bzw. Keime gefiltert wird.To protect the patient from the fact that the "fresh gas" supplied to him contains impurities and / or germs or bacteria, an advantageous development of the invention can provide that a particle is used for the fresh gas introduced or flowing into the flow channel - and / or bacterial filter is provided. This filter ensures that the “fresh gas” flowing in the direction of the patient is effectively filtered with regard to particles and / or bacteria or germs.
In gleicher Weise kann nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass in dem Strömungskanal ein Partikel- und/oder Bakterienfilter für das Patientengas angeordnet ist. Hiermit wird erreicht, dass das Patientengas, welches von dem Patienten ausgeatmet worden ist und von ihm wegströmt, wirkungsvoll in Bezug auf Verunreinigungen und/oder Keime bzw. Bakterien gefiltert wird, so dass diese nicht weiter in dem Strömungskanal transportiert werden und ggf. bis zu einem mit dem Strömungskanal verbundenen Beatmungsgerät gelangen.In the same way, according to an advantageous development of the invention, it can be provided that a particle and / or bacterial filter for the patient gas is arranged in the flow channel. This ensures that the patient gas, which has been exhaled by the patient and flows away from him, is effectively filtered with regard to impurities and / or germs or bacteria, so that these are not transported further in the flow channel and possibly up to a ventilator connected to the flow channel.
An dieser Stelle wird in Bezug auf den vorstehend genannten Partikel- und/oder Bakterienfilter gesondert darauf hingewiesen, dass sich damit wirkungsvoll jegliche störende Partikel aus dem Gas herausfiltern lassen, und somit auch Viruspartikel (auch „Virionen“ genannt). Dies bedeutet, dass mit Hilfe eines Partikel- und/oder Bakterienfilters auch Viren bzw. „Virionen“ aus dem Gas herausgefiltert werden können, nämlich sowohl bei dem in Richtung des Patienten strömenden „frischen Gas“ als auch bei dem vom Patienten ausgeatmeten Patientengas. Damit ist gewährleistet, dass Viren weder vom Patienten aufgenommen noch in die Umgebung bzw. an das Beatmungsgerät abgegeben werden.At this point, with regard to the above-mentioned particle and / or bacteria filter, it is pointed out separately that it can effectively filter out any interfering particles from the gas, and thus also virus particles (also called “virions”). This means that with the help of a particle and / or bacterial filter, viruses or “virions” can also be filtered out of the gas, namely both the “fresh gas” flowing in the direction of the patient and the patient gas exhaled by the patient. This ensures that viruses are neither ingested by the patient nor released into the environment or to the ventilator.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, dass der Volumenstrom, der durch den Strömungskanal geleitet und bestimmt worden ist, in ein Gesamtvolumen des Gases umgerechnet wird. Dies ist sowohl für das „frische Gas“, welches in Richtung des Patienten geleitet wird, als auch für das „Patientengas“, welches vom Patienten ausgeatmet worden ist, möglich.In an advantageous development of the invention, it is possible for the volume flow that has been passed and determined through the flow channel to be converted into a total volume of the gas. This is possible both for the “fresh gas” that is directed towards the patient and for the “patient gas” that has been exhaled by the patient.
Auf Grundlage dessen, dass wie vorstehend erläutert ein Gesamtvolumen des durch den Strömungskanal geleiteten Gases bestimmt wird, ist es weiterhin möglich, für einen in Verbindung mit der Erfindung eingesetzten Partikel- und/oder Bakterienfilter eine verbleibende Standzeit zu bestimmen. Nach Erreichen dieser Standzeit kann dann ein rechtzeitiger Austausch entweder dieses Filters oder der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung mitsamt diesem Filter vorgenommen werden, um eine Kontamination des Patienten und/ oder des Beatmungsgeräts zu vermeiden.Based on the fact that, as explained above, a total volume of the gas conducted through the flow channel is determined, it is also possible to determine a remaining service life for a particle and / or bacterial filter used in connection with the invention. After this idle time has been reached, either this filter or the entire device according to the invention including this filter can be replaced in good time in order to avoid contamination of the patient and / or the ventilator.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Laminarisierungseinrichtung und ein Partikel- und/oder Bakterienfilter zu einer integrierten Einheit zusammengefasst sind. Dies führt zu dem Vorteil eines geringen Platzbedarfs innerhalb des Strömungskanals an der Stelle, wo sowohl eine Laminarisierung der Gasströmung als auch eine Filterung gewünscht ist. Die Anordnung einer solchen integrierten Einheit bestehend aus Laminarisierungseinrichtung und Partikel- und/oder Bakterienfilter kann gezielt entweder auf nur einer Seite der Trägermembran, oder aber beiderseits der Trägermembran vorgenommen werden.In an advantageous development of the invention it can be provided that a laminarization device and a particle and / or bacterial filter are combined into an integrated unit. This leads to the advantage of a small space requirement within the flow channel at the point where both a laminarization of the gas flow and a filtering is desired. Such an integrated unit consisting of a laminarization device and a particle and / or bacterial filter can be arranged in a targeted manner either on only one side of the carrier membrane or on both sides of the carrier membrane.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der durch den Strömungskanal geleitete Volumenstrom (Flow) auf Basis einer abgeleiteten Größe zu mindestens einem Volumenwert umgerechnet wird. Bei diesem Volumenwert kann es sich um ein Tidal-Volumen (VT) und/oder ein Minuten-Volumen (VM) handeln.In an advantageous development of the method according to the invention, it can be provided that the volume flow (flow) conducted through the flow channel is converted into at least one volume value on the basis of a derived variable. This volume value can be a tidal volume (V T ) and / or a minute volume (V M ).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Batterie- oder Akkumulatoreinheit, die mit den elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen der Vorrichtung zur Versorgung mit Energie elektrisch verbunden ist. Zweckmäßigerweise ist hierbei die Kapazität dieser Batterie- oder Akkumulatoreinheit derart groß gewählt, dass eine Energieversorgung für die mit der Batterie- oder Akkumulatoreinheit verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelemente der Vorrichtung für eine Dauer von zumindest 24 Stunden, vorzugsweise von zumindest 36 Stunden, weiter vorzugsweise von zumindest 48 Stunden gewährleistet ist.According to an advantageous development, the device according to the invention comprises a battery or accumulator unit which is electrically connected to the electrical or electronic components of the device for supplying energy. The capacity of this battery or accumulator unit is expediently selected to be so large that an energy supply for the electrical or electronic components of the device connected to the battery or accumulator unit for a duration of at least 24 hours, preferably of at least 36 hours, more preferably of at least 48 hours is guaranteed.
Falls die erfindungsgemäße Vorrichtung als Einmalartikel ausgebildet ist, kann hierbei vorgesehen sein, dass die Batterie- oder Akkumulatoreinheit aus einem Gehäuse der Vorrichtung entfernbar ist. Dies verfolgt den Ansatz, dass im Zuge einer Entsorgung der Vorrichtung dann die Batterie- oder Akkumulatoreinheit aus Umweltschutzgründen entweder getrennt von der Vorrichtung entsorgt wird, oder dass - im Falle einer reinen Akkumulatoreinheit - diese nach einem geeigneten Aufladevorgang für eine neue Vorrichtung ggf. nochmals zum Einsatz kommt.If the device according to the invention is designed as a disposable article, it can be provided that the battery or accumulator unit can be removed from a housing of the device. This follows the approach that in the course of disposing of the device, the battery or accumulator unit is either disposed of separately from the device for environmental reasons, or that - in the case of a pure accumulator unit - this is possibly again for a new device after a suitable charging process Use comes.
Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand einer schematisch vereinfachten Zeichnung im Detail beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer prinzipiellen Schnittansicht gemäß einer ersten Ausführungsform, -
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer prinzipiellen Schnittansicht gemäß einer zweiten Ausführungsform, -
3 eine Längsschnittansicht durch einen Strömungskanal der Vorrichtung von1 , -
4 eine Längsschnittansicht durch einen Strömungskanal der Vorrichtung von2 , -
5 eine Frontalansicht auf eine flexible Trägermembran gemäß der Ausführungsform von1 , -
6 eine Frontalansicht auf eine flexible Trägermembran gemäß der Ausführungsform von2 , -
7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer prinzipiellen Schnittansicht gemäß einer dritten Ausführungsform, -
8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer prinzipiellen Schnittansicht gemäß einer vierten Ausführungsform, -
9 eine prinzipiell vereinfachte Seitenansicht einer flexiblen Trägermembran der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und -
10 eine prinzipiell vereinfachte Seitenansicht einer flexiblen Trägermembran der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform.
-
1 a device according to the invention in a basic sectional view according to a first embodiment, -
2 a device according to the invention in a basic sectional view according to a second embodiment, -
3 a longitudinal sectional view through a flow channel of the device of1 , -
4th a longitudinal sectional view through a flow channel of the device of2 , -
5 a front view of a flexible carrier membrane according to the embodiment of FIG1 , -
6th a front view of a flexible carrier membrane according to the embodiment of FIG2 , -
7th a device according to the invention in a basic sectional view according to a third embodiment, -
8th a device according to the invention in a basic sectional view according to a fourth embodiment, -
9 a basically simplified side view of a flexible support membrane of the device according to the invention, and -
10 a basically simplified side view of a flexible support membrane of the device according to the invention according to a further embodiment.
Unter Bezugnahme auf die
Bei einer ersten Ausführungsform gemäß
Innerhalb des Strömungskanals
An den beiden einander entgegengesetzten Oberflächen
Des Weiteren ist aus der Darstellung von
Die Trägermembran
Zur Beatmung des Patienten
Die Anbringung der Trägermembran
Die flexible Trägermembran
Der Strömungskanal
Die Vorrichtung
Die Druckmesseinrichtung
Die Messung des statischen Drucks
Ergänzend oder alternativ hierzu kann die Druckmesseinrichtung
Die symbolisch vereinfachte Darstellung von
Die Vorrichtung
Der zweite Sensor
Ergänzend oder alternativ kann der zweite Sensor
Ungeachtet seines Messprinzips erfüllt der zweite Sensor
Die in
Hinsichtlich des zweiten Sensors
Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit
Die Auswerteeinheit
Für die weitere Verarbeitung der Messwerte des ersten Sensors
Die Vorrichtung
Die Sendeeinheit
Die Vorrichtung
Der Strömungskanal
Das Beatmungsgerät
Das Beatmungsgerät
Bei der externen Einrichtung, an welche die Messwerte des ersten Sensors
Das Beatmungsgerät
Die Erfindung und das zugehörige Verfahren funktionieren nun wie folgt:
Von dem Beatmungsgerät 14 wird ein inspiratorisches Gas, nachfolgend auch als „frisches Gas“FG bezeichnet, mit einem vorbestimmten VolumenstromV , einem vorbestimmten Druckp und einer vorbestimmten Gas-Zusammensetzung inden Strömungskanal 12 eingebracht und in Richtung des PatientenP geleitet.
- From the ventilator
14th is an inspiratory gas, hereinafter also referred to as "fresh gas"FG referred to, with a predetermined volume flowV , a predetermined pressurep and a predetermined gas composition into the flow channel12th introduced and in the direction of the patientP. directed.
Beim Anströmen der flexiblen Trägermembran
Mittels der flexiblen Trägermembran
Die wahlweise Messung des Volumenstroms
Für die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
In gleicher Weise wie für die DMS
Nach einem Empfang der genannten Messwerte durch die Auswerteeinheit
Im Betrieb des Beatmungsgeräts
Nachstehend sind weitere Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Soweit diesen Ausführungsformen das gleiche Funktionsprinzip wie bei der Ausführungsform von
Die Frontalansicht von
In Bezug auf die zweite Ausführungsform der Vorrichtung
Bei einer Anströmung durch das inspiratorische frische Gas
Beim Anströmen durch das exspiratorische Patientengas
Die zweite Ausführungsform der Vorrichtung
Ansonsten entspricht die Funktionsweise der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung
Falls frisches Gas
In Anbetracht dessen, dass die Strömung des Gases, mit dem die Trägermembran
Ansonsten entspricht die Funktionsweise der dritten Ausführungsform der Vorrichtung
Durch diese Partikel- und/oder Bakterienfilter
In Bezug auf die Partikel- und/oder Bakterienfilter
Bezüglich der Partikel- und/oder Bakterienfilter
Die Darstellung von
Ansonsten entspricht die Funktionsweise der vierten Ausführungsform der Vorrichtung
Ergänzend darf in Bezug auf die dritte und vierte Ausführungsform der Vorrichtung
Die Variante einer Trägermembran
Bei allen der vorstehend genannten Ausführungsformen der Vorrichtung
Schließlich darf für alle der vorstehend gezeigten und erläuterten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Vorrichtungcontraption
- 1212th
- StrömungskanalFlow channel
- 1313th
-
Innenumfangsfläche (des Strömungskanals
12 )Inner peripheral surface (of the flow channel12th ) - 1414th
- BeatmungsgerätVentilator
- 1515th
- Regel- oder SteuereinrichtungRegulation or control device
- 1616
- flexible Trägermembranflexible support membrane
- 1717th
-
Oberfläche (der Trägermembran
16 )Surface (of the support membrane16 ) - 1818th
- erster Sensor (z.B. in Form eines Dehnungsmessstreifens oder eines Piezoelements)first sensor (e.g. in the form of a strain gauge or a piezo element)
- 2020th
- DruckmesseinrichtungPressure measuring device
- 2121
- DehnungsmessstreifenStrain gauges
- 2222nd
- PiezoelementPiezo element
- 2424
- zweiter Sensor (insbesondere in Form einer katalytischen Folie)second sensor (especially in the form of a catalytic film)
- 2626th
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 2828
- SendeeinheitSending unit
- 2929
-
Batterie- oder Akkumulatoreinheit (der Vorrichtung
10 )Battery or accumulator unit (of the device10 ) - 3030th
- LaminarisierungseinrichtungLaminarization device
- 3232
- Partikel- und/oder BakterienfilterParticle and / or bacteria filter
- 3434
-
Batterie- oder Akkumulatoreinheit (des Beatmungsgeräts
14 )Battery or accumulator unit (of the ventilator14th ) - 3636
-
Gehäuse (für die einzelnen Bauelemente der Vorrichtung
10 )Housing (for the individual components of the device10 ) - BB.
-
entgegensetzte Bereiche der Trägermembran 16opposite areas of the
support membrane 16 - DD.
- AnzeigeeinheitDisplay unit
- FF.
- FunkstreckeRadio link
- pp
-
Druck (eines Gases innerhalb des Strömungskanals
12 )Pressure (of a gas within the flow channel12th ) - PP.
- Patientpatient
- FGFG
- frisches Gasfresh gas
- PGPG
- PatientengasPatient gas
- SS.
- StrömungsrichtungDirection of flow
- VV
- VolumenwertVolume value
- VV
- VolumenstromVolume flow
- WW.
-
Wandung (des Strömungskanals
12 )Wall (of the flow channel12th )
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102010030324 A1 [0004]DE 102010030324 A1 [0004]
- DE 202017005964 U1 [0004]DE 202017005964 U1 [0004]
- DE 112013001902 T5 [0004]DE 112013001902 T5 [0004]
- DE 102017124256 A1 [0005]DE 102017124256 A1 [0005]
- GB 2121185 A [0007]GB 2121185 A [0007]
- WO 2011/067734 A1 [0007]WO 2011/067734 A1 [0007]
- WO 2015/169848 A1 [0007]WO 2015/169848 A1 [0007]
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DE102020108199.5A Pending DE102020108199A1 (en) | 2020-03-06 | 2020-03-25 | Method and device for determining the volume flow, pressure and composition of a gas |
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DE102023104909A1 (en) | 2023-02-28 | 2024-08-29 | Florian Ebner | Arrangement, preferably pneumotachograph, spirometer and/or respiratory trainer and a procedure |
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2020
- 2020-03-25 DE DE102020108199.5A patent/DE102020108199A1/en active Pending
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