DE2816499B1

DE2816499B1 - Verfahren und Anordnung zur Erkennung und Abtrennung des Alveolarluftanteiles aus der Atemluft

Info

Publication number: DE2816499B1
Application number: DE2816499A
Authority: DE
Inventors: Hans-Friedhelm Dr Rer N Kempin
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1978-04-15
Filing date: 1978-04-15
Publication date: 1979-06-13
Also published as: GB2018596B; JPS5516289A; US4248245A; DE2816499C2; SE443661B; FR2422380A1; NL7901487A; JPS6257945B2; BE875524A; GB2018596A; CH639206A5; SE7903238L

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung und Abtrennung des Alveolarluftanteiles aus der Atemluft entsprechend den Gattungsbegriffen der Ansprüche 1 und 3.

Die Messung eines Gasbestandteiles in der Atemluft mit Feststellung der wirklichen ■ Konzentration setzt voraus, daß nur der Teil der ausgeatmeten Luft auf das in Frage kommende Gas, wie z. B. CO₂,02 und Alkohol untersucht wird, der sich in der Lunge in den Alveolen mit diesem Gas ins Gleichgewicht setzen konnte. Daher ist die Pendelluft aus dem Mund- und Rachenraum und die Mischluft von den Alveolarluft meßtechnisch zu trennen.

Nach einem bekannten Meßverfahren erfolgt die für die Messung des gewünschten Gasbestandteiles der Atemluft notwendige Trennung der Alveolarluft von der Misch- und Pendelluft, wenn die Konzentration eines anderen Gasbestandteiles, die von Beginn der Messung an laufend verfolgt wird, einen bestimmten Wert erreicht hat. Speziell ist dies der CO₂-Gehalt, der vor dem zu messenden Alkoholgehalt gemessen wird. Ausgehend von dem Gedanken, daß der CO₂-Gehalt ein Maß für den Austausch des O₂ in der Lunge ist, muß ein hoher CO₂-Gehalt auf Atemluft aus der Lunge, also Alveolarluft, hinweisen. Das Meßgerät mißt zur Prüfung also zuerst laufend den CO₂-Gehall der ausgeatmeten Luft, um nach Erreichung des vorgegebenen Schwellwertes — nach dem Ausführungsbeispiel sind es 4,5% CO₂ — den Alkoholmeßteil einzuschalten, um dann den Atemalkoholgehalt zu messen. Eine Ungenauigkeit dieses Verfahrens liegt in den individuellen CO₂-Werten, die breiten Schwankungen unterworfen sind. Daher ist ein allgemein gültiger Schwellwert nicht festlegbar. Der eine zu Prüfende wird den Schwellwert gar nicht erreichen, während bei anderen trotz Überschreitens noch keine reine Alveolarluft vorliegt. Zudem ist ein Gerät, mit dem zwei verschiedene Gase mit ihren Konzentrationen zu bestimmen sind, recht aufwendig und empfindlich (US-PS 38 30 630).

Eine weitere Anordnung zur Bestimmung eines Gasbestandteiles in der Atemluft, nämlich des Alkohols, mißt diesen an einem durch eine Zeitsteuerung festgelegten Zeitpunkt. Dieser Zeitpunkt ist durch den Ablauf eines innerhalb des Ausatemzeitraumes beginnenden vorgebbaren Zeitintervalles bestimmt. Der Atemluftdurchsatz darf dabei innerhalb dieses Zeitintervalles nicht unter einem festgelegten Mindestdurchsatz absinken und dabei immer nur in Ausatemrichtung fließen. Wenn diese beiden Bedingungen nicht erfüllt sind, dann stellt ein Fehlerdetektor die Ungültigkeit der Messung fest. Das vorgegebene Zeitintervall soll sicherstellen, daß der zu Prüfende zum Meßzeitpunkt bereits die Luft aus der Mundhöhle und der Luftröhre ausgeatmet hat und daß Meßgerät dann die Atemalkoholkonzentration der Alveolarluft mißt. Der Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalles wird durch den Zeitpunkt bestimmt, zu dem ein Mindestatemluftvolumen von vorzugsweise mindestens 80% des gesamten Atemluftvolumens abgeatmet ist. Ein Integrator kann den Atemluftdurchsatz beim Ein- und Ausatmen zeitlich integrieren und daraus den Ablauf des Zeitintervalles nach dem Mindestatemluftvolumen feststellen. Diese Ausführungsform soll vom Körperbau des zu Prüfenden unabhängig sein. Nachteilig an diesem Gerät ist der sehr komplizierte Aufbau, denn es muß u. a. die Volumenmeßeinrichtung aus hygienischen Gründen doppelt besitzen, nämlich sowohl in dem Einatem- wie auch in dem Ausatemweg. Es ist dem zu Prüfenden nicht zuzumuten, durch einen Kanal einzuatmen, durch den der vor ihm Geprüfte bereits ausgeatmet hatte. Die Übereinstimmung der Meßwerte der beiden Volumenmeßeinrichtungen ist mit einfachen Bauteilen nicht zu erreichen, gleiches gilt für eine unbedingt notwendige Kontrolle. Dieses Verfahren ist nicht sicher gegen Meßfehler bedingt durch den zu Prüfenden, der nicht willig ist. Durch eine bewußt flache Einatmung kann eine viel zu geringe Atemkapazität vorgetäuscht werden. Das sich dann automatisch z. B. bei 80% des gesamten Atemvolumens einstellende Mindestatemluftvolumen kann bei der Prüfung dann praktisch nur aus der Mundhöhle und dem Rachenraum stammen. Die für einen genauen Meßwert entscheidende Alveolarluft wird dann nicht voll erfaßt (DE-OS 24 28 352).

Auch ein anderes bekanntes Verfahren und die Anordnung dazu benötigen zur genauen Festellung des Anteiles des festzustellenden Gases in der Atemluft die' Trennung der Alveolarluft von der Misch- und Pendelluft. Es ist wiederum eine Anordnung zur Bestimmung des Alkoholgehaltes in der Atemluft. Dazu mißt das zugehörende Infrarot-Meßgerät während der Probenahme laufend die momentane Alkoholkonzentration. In einem Schwellwertkomparator wird die zeitliche Änderung der Meßwerte festgestellt, die das Maß für die Anstiegsgeschwindigkeit der Alkoholkonzentration darstellt.

COPY

Die Weitergabe eines Meßwertes zur Anzeige erfolgt erst, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit eines vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Diese erste Bedingung ergibt sich daraus, daß mit dem Absinken der Anstiegsgeschwindigkeit der Pendelluftanteil aus dem Mund- und Rachenraum immer geringer wird und sich bei Unterschreitung des Schwellwertes dann nur noch Alveolarluft im Meßkanal der Anordnung befindet. Als weitere Bedingung zur Weitergabe des Meßwertes muß die von einem Strömungsmesser ermittelte Strömungsgeschwindigkeit der Ausatemluft bis zur Weitergabe des Meßwertes während eines vorgegebenen Zeitraumes über einem vorgegebenen Wert gelegen haben. Diese weitere Bedingung sichert den vorgesehenen Ablauf des Meßverfahrens. Die Messung der Alkoholkonzentration erfolgt durch ein in den Atemluftstrom eingeschaltetes Infrarot-Meßgerät mit kurzer Ansprechzeit. Nachteilig ist, daß wegen der hohen Auflösung der Meßwerte, wie sie für die Bestimmung der Anstiegsgeschwindigkeit erforderlich ist, ein aufwendiges Infrarot-Meßgerät nötig ist. Die zuverlässige Erfassung des Alveolarluftanteiles ist mit einfachen, preiswerten aber langsamen Alkoholmeßgeräten nicht durchführbar (DE-OS 26 10 578).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren mit Anordnung anzugeben, mit denen sichergestellt ist, daß nur der Alveolarluftanteil der Atemluft zur Messung zur Verfügung steht.

Die Lösung der Aufgr.oe, soweit es das Verfahren umfaßt, erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist im Anspruch 2 beschrieben.

Das Verfahren ηε. ι der Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß die Temperatur der Ausatemluft eine Funktion des ausgeatmeten Volumens ist. Sie erreicht gleichzeitig mit dem Beginn des Ausatmens des Alveolarluftanteiles ein konstantes Niveau. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur ist dabei gegen Null gegangen. Temperaturdifferenzmessungen von Meßpunkt zu Meßpunkt sind Stand der Technik, wenn die Temperatur mit Hilfe eines Miniatur-Temperaturfühlers kontinuierlich gemessen wird. Die sichere, auf diese Art sehr einfache Trennung der Misch- und Pendelluft von der Alveolarluft gestattet dann die vorteilhafte Verwendung von einfachen, auch langsamen und entsprechend preiswerten Gasmeßgeräten.

Mit der Möglichkeit der Verzögerung der Durchleitung des Alveolarluftanteiles durch die Meßkammer kann für spezielle Anwendungen, wie z. B. für besonders empfindliche Messungen, die Trennung durch den größeren Abstand des Alveolaranteiles und damit der Meßprobe von dem Mischluftanteil noch deutlicher gemacht werden.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 3. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Anordnung sind in den Ansprüchen 4 u. 5 beschrieben.

Trotz des einfachen, vorteilhaften Aufbaus der Anordnung ist sichergestellt, daß nur der Alveolarluftanteil der Atemluft zur Messung zur Verfügung steht. Die Misch- und Pendelluftanteile sind vorher sicher abgetrennt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben.

Die Person, deren Atemprobe untersucht werden soll, bläst in ein zur Vermeidung von Kondensation auf z. B.

40° C geheiztes Aternluftrohr 1. Dies besitzt einen Einlaß und zwei Auslässe. Die Auslässe können mit Hilfe von gesteuerten Absperrventilen 6, 7 geöffnet bzw. geschlossen werden. Mit einem Miniatur-Temperaturfühler 2 mit genügend kleiner Zeitkonstante wird die Temperatur der Ausatemluft unmittelbar nach Eintritt in das Atemluftrohr 1 kontinuierlich gemessen. Da die alveolaren Atemlufttemperaturen bei ca. 34,5 ±2° C ± 2° liegen, wird wegen dieser individuellen Schwankungen nicht das Erreichen eines bestimmten Temperaturwertes als Kriterium für den Eintritt alveolarer Atemluft in das Atemluftrohr 1 herangezogen, sondern es werden die durch elektronische Differentiation in einem Schwellwertkomparator 3 erkannten Änderungen der Temperatur der Ausatemluft verfolgt. Wenn diese einen Wert nahe Null erreicht haben, »Bedingung a«, ist sicher, daß dann wahre Alveolarluft am Miniatur-Temperaturfühler 2 entlangströmt. Über den Taktschalter 13, dem der Schwellwertkomparator 3 über das UND-Gatter 11 anliegt, wird das Absperrventil 6 geschlossen und gleichzeitig das Absperrventil 7 geöffnet. Es strömt dann die Alveolarluft in die Meßkammer 8. Mit dem in der Meßkammer 8 angeordneten Sensor 9 des Atemgasmeßgerätes wird dann aus dem Alveolarluftanteil die Konzentration des gewünschten Gasanteiles gemessen. Das Atemgasmeßgerät selbst kann dabei sogar diskontinuierlich arbeiten. Damit das Atemluftrohr 1 beim öffnen des Absperrventils 7 bereits vollständig mit Alveolarluft gefüllt ist, kann ein Verzögerungsschalter 10 in die Verbindungsleitung vom Schwellwertkomparator 3 zum UND-Gatter 11 eingeschaltet sein.

Durch das Signal aus dem UND-Gatter 11 wird der Taktschalter 13 aktiviert, über den dann die Absperrventile 5,6,7 gesteuert werden.

Die Einleitung der Alveolarluft in die Meßkammer 8 wird automatisch durch das Schließen des Absperrventils 7 beendet, wenn es für eine zur Ausführung der Messung ausreichend lange Zeit geöffnet war bzw. die Meßkammer 8 beim Vorhandensein des weiteren Absperrventils 5 nach Ausspülung nur mit Alveolarluft gefüllt ist. In diesem Fall wird durch den Taktschalter 13 auch das Absperrventil 5 geschlossen. Die Füllung der Meßkammer 8 mit Alveolarluft kann optisch oder auch akustisch durch Anzeigegeräte 14,15 angezeigt werden.

Zum Schutz gegen ungewollte oder z. B. bei der Atemalkoholbestimmung absichtlich herbeigeführte Verfälschung der Meßwerte durch nicht kontinuierliches Ausatmen oder Rückatmung wird als »Bedingung 6« die Atemluftströmung überwacht. Mit dem Strömungsmesser 4, der mit Hilfe eines empfindlichen Differenzdruckschalters 12 arbeitet, wird sichergestellt, daß bei erfüllter »Bedingung a« das Absperrventil 7 nur dann geöffnet wird, wenn im Atemluftrohr 1 eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit und ein geringer Überdruck gegenüber der Atmosphäre vorhanden ist.

Dazu liegt der Meßwert aus dem Differenzdruckschalter 12 dem UND-Gatter 11 an. Gültige Konzentrationsbestimmungen sind nur erhältlich, wenn während der gesamten Zeitdauer des Meßvorganges am UND-Gatter 11 die »Bedingung a« und die »Bedingung 6« ständig gleichzeitig erfüllt sind. Sollte dies nicht der Fall sein, dann erfolgt eine akustische oder optische Warnung durch die Anzeigegeräte 14,15.

Die Person, deren Atemprobe untersucht werden soll, muß dann erneut in die Vorrichtung hineinblasen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erkennung und Abtrennung des Alveolarluftanteiles aus der Atemluft, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Mindestgeschwindigkeit geführte Ausatemluft, deren Temperatur laufend gemessen wird, bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der zeitlichen Änderung der Temperatur in oder durch eine Meßkammer (8) geleitet wird, in der dann mit Sensoren (9) der gewünschte Atemgasbestandteil festgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Durchleitung mit einer vorbestimmten Verzögerung erfolgt. '⁵

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Strömungsmesser im Atemluftrohr, dadurch gekennzeichnet, daß das Atemluftrohr (1), das über ein gesteuertes Absperrventil (7) mit einer über einen Auslaß zur Umgebung offenen Meßkammer (8) und über ein weiteres gesteuertes Absperrventil (6) direkt mit der Umgebung verbindbar ist, einen Temperaturfühler (2) für das Atemgas besitzt, der an einen Schwellwertkomparator (3) angeschlossen ist, dessen Ausgang zusammen mit dem des Strömungsmessers (4) einem UND-Gatter (11) anliegt, das bei gleichzeitiger Ansteuerung über einen Taktschalter (13) die Absperrventile (6,7) steuert.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (8) im Auslaß ein von dem Taktschalter (13) gesteuertes Absperrventil (5) besitzt.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindung vom Schwellwertkomparator (3) zum UND-Gatter (11) ein Verzögerungsschalter (10) eingeschaltet ist.