DK145977B - Apparat til kontinuerlig maaling af co2-indholdet i aandedraetsluft - Google Patents

Description

145977 i

Opfindelsen angår et måleapparat af den i krav l's indledning nævnte art.

Der kendes fremgangsmåder og apparater, ved hvilke koncentrationer af enkelte komponenter af luftarter og dampe kan måles 5 kontinuert ifølge princippet for infrarød absorption. De benyttes f.eks. til proceskontrol i kemiske anlæg, til overvågning af renholdning af luft og i medicinen.

Infrarød-absorptions-måleapparater udnytter den specifikke strålingsabsorption for heteroatomare luftarter i det infra-10 røde spektralområde. Absorptionen sker ved bestemte frekvenser , der svarer til molekyl-egensvingningerne. Enhver luftart bortset fra de enatomede inaktive luftarter og toatomede grundstof luf tarter som f.eks. har et specifikt absorp tionsspektrum bestående af enkelte absorptionsbånd i det in.

15 frarøde spektralområde.

Absorptionen sker ved kendte apparater i en celle, som er integreret i måleapparatet, og gennem hvilken luftprøven ledes.

For intensiteten I af en bølgestråling gælder efter gennemgang af et medium med lagtykkelsen 1 Lambert-Beers lov 20 I = I · e I : Intensitet af lyset ved

o o J

indtræden i mediet, k: Absorptionskoefficient 1: Vejen i cellen c: Koncentration af gassen 25 De kendte gasanalyseapparater ifølge infrarødabsorptionsprincippet benytter alle den for den målte gas specifikke strålingsabsorption i det infrarøde spektralområde. De arbejder efter følgende fremgangsmåde:

Tokanalfremgangsmåde 30 Stråling, der udgår fra to glødespiraler og er moduleret i samme fase, når efter parallelt gennemløb af et sammenlignings-og målekammer til et modtagekammer. Dette er ved hjælp af en 2 145977 membrankondensator delt i to kamre. Begge delkamre er fyldt med gas, der skal måles. Målekammeret indeholder gassen, som skal undersøges, medens sammenligningskammeret indeholder en passiv luftart, f.eks. nitrogen, som ikke absorberer nogen 5 stråling. Strålingen bliver ved hjælp af et omløbende blænde-hjul afbrudt periodisk og med samme fase i begge strålegange -gennem sammenligningskammeret og gennem målekammeret.

Hvis strålen gennem målekammeret bliver svækket ved tilstedeværelsen af den gas, der skal måles, frembringer det derved 10 opståede differenssignal i modtagekammeret periodiske tryk- og temperatursvingninger. Disse frembringer koncentrationsafhæn-give kapacitetsændringer på membrankondensatoren, som kan være gjort synlige i en gasindikator.

Enkanalfremgangsmåde 15 Stråling, der udgår fra en glødespiral og er moduleret i modfase af et omløbende blændehjul, når efter parallelt gennemløb af de i en todelt celle anbragte sammenlignings- og målekamre hen til modtagekammeret. Dette er i strålingsretningen delt i to kammerhalvdele og fyldt med den gaskomponent, der skal måles. 20 Begge kammerhalvdele virker på en membrankondensator. Bliver strålen i målekammeret ved tilstedeværelsen af den gas, der Skal måles, svækket, frembringer det herved opstående differens-signal tryk- og temperatursvingninger. Disse frembringer koncentrationsafhængige kapacitetsændringer på membrankondensatoren, 25. som kan være gjort synlige på en gasindikator.

.Enkeltkanalmetode med referencemodtager

Stråling fra en Hg-damplampe samles af en kvartskondensator og når via et interferensfilter til en lysdeler, i hvilken halvdelen af lyset bliver afbøjet til en referencemodtager. Den 30 anden halvdel af lyset falder gennem målecellen. Målecellen gennemstrømmes skiftevis, programstyret med en til nulpunktet svarende passiv luftart og den gasprøve, der skal måles. Et 145977 3 fotometer sammenligner de to værdier, nulpunkt og måleværdi med værdien fra referencemodtageren. Når målecellen bliver gennemstrømmet af en passiv luftart, kan et motordrevet potentiometer bringe målebroen til nulpunktudligning. Spole- og 5 udligningsintervallet er indstilleligt og retter sig efter en forventet tilsmudsning af cellen (Wasser, Luft und Betrieb 18, 1974, Nr. 4, S. 212-217).

Et yderligere kendt infrarødabsorptionsmåleapparat til måling af CC^-indholdet i åndedrætsluften arbejder uden en sammen-10 ligningsgas i lyskildens strålegang, som i dette tilfælde er en NiCr-trådspiral. Apparatet har to strålegange, som adskiller sig ved en gensidig indkobling af et referencefilter og et analysefilter. Strålingsgangen indeholder i strålingens udbredelsesretning efter lyskilden målecellen og derefter -15 svarende til koblingsstillingen - enten referencefilteret eller analysefilteret og derefter i tilslutning hertil et bredbåndsfilter, som både dækker gennemgangsområdet for referencefilteret og for analysefilteret, og en fotodetektor. Til måleapparatet hører endvidere bekendte indretninger til forstærkning 20 af målesignaler fra fotodetektoren, synkronkoblingsindretning o.s.v.

Målecellen er anbragt i en parallelgren til udåndingsluften. Parallelstrømmen af åndedrætsluften bevæges af en lille tran-sistoreret pumpe og strømmer ind gennem små kanaler i måle-25 cellen og gennemstrømmer disses tværsnit. På afgangssiden befinder der sig lignende kanaler.

Med denne målecelle er måleapparatet i stand til at opfatte ind til fyrre åndedrag pr. minut med en gennemstrømnings-hastighed på 0,6 1/min.

30 Referencefilteret ligger ved en bølgelængde på ca. 5 pm, analysefilteret ved 4,26 pm, bredbåndsfilteret med et bly-tellur-lag og et glaslag forhinder gennemgang af stråler med bølgelængder på <3,75 pm og >5 pm.

4 145977 Bølgelængderne for referencefilteret er valgt således, at der . i gasprøven, altså udåndingsluften, heller ikke ved tilstedeværelse af CO2 frerikcnmer en absorption. Bølgelængden for analysefilteret stemmer derimod i hovedsagen overens med ab-5 sorptionsbåndet for det stof, der skal måles. Differencen mellem målesignalerne i fotodetektoren giver måleværdien.

I praksis bliver den tid, der er nødvendig for hver måling, bestemt af til- og bortførelse af udåndingsluften med udspu-. ling af cellen. Odspulingen af cellen er problematisk. Der-10 for er de over hele tværsnittet fordelte tynde kanaler nødvendige. En ensartet gennemspuling af cellen kan dog kun opnås, når alle kanaler befinder sig i ren tilstand (D.W. Hiil og R.N, Stone, J. SCI. Instrum, 1964, Vol. 41, S. 732-735).

Ved undersøgelse af CO^-indholdet i åndedrætsgas ved infrarød 15 absorption er det kendt at anbringe analysatorens målekuvette forskellige steder, blandt andet også i nærheden af patientens mund i hovedstrømmen for ind- og udåndingsluften. Derved strømmer den samlede ind- og udåndingsgas igennem målekuvet-ten. Det publikationsskrift, som viser dette, anbefaler dog 20 anvendelsen af en parallelgren under henvisning til det forstørrede dødrum for prøveudtagelsen, der vil opstå ved anbringelsen af kuvetten i hovedstrømmen (J. Lab. & Clin. Med., bind 45, nr. 4, 1955, side 526-539).

De i det foregående nævnte fremgangsmåder med infrarød ab-25 sorption til måling af en luftart er uegnede til bestemmelse af CO^-indholdet i åndedrætsluft. Målecellen med måleanordningen er for stor og tung til at blive direkte indkoblet i udåndingskredssysternet. Selv ved anvendelse af de største celler ligger målegasgennemgangen ikke over ca. 60 1/h. Med 3 0 denne ringe prøvemængde kan den ikke indkobles direkte i åndedrætsstrømmen. De må altså forsynes gennem en parallelgren. Udspulingen og opfyldningen af cellen med den åndedrætsluft, som skal måles, forsinkes af parallelgrenen og gør en direkte overvågning af de enkelte åndedræt nærmest umulig.

5 145977

Forandringerne i tilstandsstørrelserne, tryk og temperatur i åndedrætsluften fører ved de nævnte målemetoder til følsom-hedstab i måleværdien. Udtagningen af en gasprøve fra åndedrætskredsløbet og tilføring over en parallelgren kræver et 5 stort apparatudstyr, når måleresultatet ikke skal forstyrres af andre påvirkninger, såsom gasstrøm, lungeelasticitet, slagvolumen etc.

Anvendelsen af sammenligningsgas med den dertil nødvendige forgrening gør måleapparatet kompliceret og er alligevel kun 10 et problematisk hjælpemiddel til at erkende eller udligne føl-somhedsændringer og nulpunktforskydninger ved tilsmudsning af cellen og ældning af komponenter, såsom lysgiver, modtager o.s.v.

Det er formålet med opfindelsen at tilvejebringe et apparat 15 til forsinkelsesfri konstatering af CQjrindholdet i åndedrætsluft, hvilket apparat er sikkert imod ubemærket målefejl, og f.eks. en tilsmudsning af cellen eller ældning af byggedele.

Dette formål opnås ifølge opfindelsen ved det i den kendeteg-20 nende del af krav 1 angivne.

Ifølge opfindelsen kan apparatet med fordel være indrettet som angivet i de uselvstændige krav.

De med dette apparat opnåede fordele består især deri, at ingen sammenligningsgas og ingen bevægelige apparatdele 25 er nødvendige. Ved anbringelsen af målecellen direkte i åndedrætsluftstrømmen og den derved sikrede anvendelse af den samlede åndedrætsmængde som prøve sikres en forsinkelsesfri, nøjagtig, og på grund af uafhængigheden af en parallelgrens yderligere betingelser, repræsentativ og reproducerbar måling.

30 Yderligere væsentlige fordele opnås ved hjælp af dette apparat ved eliminering af indflydelsen af andre gasbestand-dele i åndedrætsluftarten. Desuden optræder ingen kritiske nulpunktsproblemer.

Andre fordele opnås derved, at apparatet på grund af de mulig- 6 145977 gjorte små dimensioner let kan anbringes i åndedræftsluft-strømmen kort bag ved mundstykket uden belastning af patienten. Cellerøret er let udskifteligt og opfylder dermed et for et medicinsk apparat ufravigeligt krav med hensyn til 5 sterilitet. Det kan efter udtagning enten steriliseres eller erstattes af et nyt. Cellerøret er enkelt i opbygning og indeholder ingen yderligere for funktionen nødvendige indretninger, hvorfor det er billigt.

Det er fordelagtigt at anvende lysgennemtrængelige tilslut-10 ningsslanger for at undgå spredning.

I det følgende forklares opfindelsen under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et blokdiagram af apparatet ifølge opfindelsen, fig. 2 en kurve, der viser forløbet af et målesignal fra en målecelle, 15 fig. 3 en kurve, der viser forløbet af differentialkvotienten af målesignalet i fig. 2, fig. 4 et styresignal i form af et impulssignal afledt af signalet i fig. 3 og fig. 5 en målecelle til apparatet ifølge opfindelsen set fra siden i snit.

Målecellen 1 med et cellerør 16, som er udskifteligt i et 20 holdeorgan 17, er indrettet til at blive anbragt umiddelbart foran munden af patienten imellem mundstykket og det kendte Y-stykke i åndedrætsledningen. Cellerøret 16 består af et velegnet infrarødgennemtrængeligt formstof og er kun beregnet til éngangsbrug. For at undgå kondensation af vanddråber på 25 indersiden af cellerøret 16 er dette opvarmet ved hjælp af det særligt udformede holdeorgan 17, der samtidig danner opvarmningsindretning. Det kan fortrinsvis være et koncentrisk rør (andre tværsnitsformer, såsom kvadratisk, er også tænkelig) af et PTC-modstandsmateriale. En PTC-modstand ændrer 30 sin modstand med tiltagende temperatur, således at ved tempe- 7 U5977 raturer under koblingstemperaturen tiltager modstanden kun svagt med stigende temperatur. Når temperaturen overskrider koblingstemperaturen, stiger temperaturafhængigheden af modstanden flerdobbelt. Således holdes temperaturen konstant på 5 en meget pålidelig og enkel måde, når PTC-modstanden bliver drevet med en konstant spændingskilde.

Det koncentriske rør i holderen 17, der er udformet som opvarmningsindretning 17 (på ca. 40°C), har huller eller slidser. I disse er der anbragt en infrarødstrålende lyskilde 10 19, en lysmodulator 20, et interferensfilter 18 (ca. 4,25 pm) og en infrarødmodtagelig fotodetektor 23, således at det udsendte lys må passere interferensfilteret 18 og cellerøret 16, før det kan falde på fotodetektoren 23. For at samle strålegangen optimalt og lede den gennem cellerøret 16 anven-15 des et linsesystem 26 eventuelt med flere linser.

Målecellen 1 omfatter endvidere en strømtilførsel 22, en lyskildeholder 21 for lyskilden 19, en holder 24 for fotodetektoren 23 og en signalledning 25 fra fotodetektoren til signalevalueringskredsløbet. Fotodetektorens 23 reaktion på 20 en ændring af lysintensiteten er en direkte proportional ændring af modstanden af fotodetektoren. Efter Lambert-Beers lov er lysintensiteten imidlertid afhængig af CO^-koncentra-tionen i målecellen: I: udtrædende lysintensitet 25 IQ: indfaldende lysintensitet 1=1 · e ” k ' 1 ’ c absorptionskoefficient o 1: lysets vejlængde gennan cellerøret c: CC^-koncentration

Ved måling af modstanden af fotodetektoren fås et exponentielt mål 30 for CC^-koncentrationen som målesignal. Dette sker eksempelvis ved hjælp af en Wheatstonebro, men også andre koblinger kan anvendes.

145977 8

Bliver der ind- og udåndet gennem cellerøret, får målesignalet efter omformning i signalbearbejdningsenheden 2 et typisk udseende 9 (fig. 2). Signalbearbejdningsenheden 2 omformer fotodetektorens reaktion på ændring af lysintensiteten til et 5 målesignal 28 med passende styrke.

Under indåndingsfasen 11 når C02~indholdet og dermed lysabsorptionen sin minimale værdi 13. Under udåndingsfasen 10 stiger C02-koncentrationen stadig for ved afslutningen af udåndingen at antage sin maksimalværdi 12. Omskiftningen mellem 10 udånding og indånding sker efter en kort forsinkelse betinget af den nødvendige udspuling af cellerøret med en stejl nedgang af målesignalet.

tf

Dette stejle fald i målesignalet benyttes af åndedrætsfaseerkendelsesenheden 5 til frembringelse af et signal til styring 15 af det første lager 3 til registrering af det maksimale udgangssignal og af det andet lager 4 til registrering af det minimale udgangssignal 4. Åndedrætsfaseerkendelsesenheden 5 består af en differentieringsenhed, som danner det tidsafledede signal 29, fig. 3, af målesignalet 28. Ved overlejring af en 20 spænding 14 opnår man en entydig abscissegennemgang af det tidsaf-ledede signal, som anvendes til ved hjælp af en komparator og en derpå følgende monostabil multivibrator at frembringe et impulssignal 15 (fig. 4).

Med dette impulssignal 15 styres det første og det andet lager 25 3, 4 således, at disse konstaterer, fastholder og efter for løbet af udåndingen videreleder den Øjeblikkelige maksimalværdi 12 henholdsvis minimalværdi 13 under en åndedrætsfase, omfattende indånding og udånding til beregningsenheden 6. Koblingerne til maksimalværdilageret 3 og minimalværdilageret 30 4 er kendt teknik. 1 beregningsenheden 6 dannes kvotienten imellem primærsignalet 28 og den oplagrede værdi af minimalværdilageret 4 tidsmæssig kontinuerligt. Den naturlige logaritme af kvotienten 9 145977 fremstiller forløbet af CC^-koncentrationen for hver åndedrætsfase.

For en gasblanding indeholdende dinitrogenoxid, også kaldet lattergas, gælder nemlig: I = I0 . e‘" (kC°2 · °co2 + S0 --“SjO + ...) -1] 5 Da cc0 o i indåndingsfasen CN q indåndingsfasen og i udåndingsfasen kun uvæsentlig afviger fra hinanden, fås efter division: I udånding - = e 1 KC0? · cC0, · 1 ) I indånding og den naturlige logaritme af kvotienten er I udånding 10 ln - = -kco * cC0 * 1 I indånding u2 u2

Udgangssignalet fra logaritmekredsløbet er altså I udånding ln -— = c I indånding u2 Ændringer af IQ, f.eks. frembragt ved ældning eller dejustering af optikken, kan således ikke fremkalde nogen målefejl.

15 Tilstedeværelsen af ^0 eller andre luftarter, som i ind- eller udåndingsfasen, kun bevirker uvæsentlige ændringer i koncentrationen, giver ej heller ved dette princip nogen målefejl.

For at fastslå værdien af CC^-koncentrationen ved afslutningen 20 af udåndingen dannes kvotienten mellem maksimalværdien 12 og minimalværdien 13 og derefter tages den naturlige logaritme af resultatet i beregningsenheden 6.

Claims (2)

145977 På grund af fysiske og fysiologiske lovmæssigheder er maksimalværdien 12 af CC^-koncentrationen identisk med værdien ved afslutningen af udåndingen. Det synes følgerigtigt kun at lade denne værdi 12 vise. Det-5 te sker på indikatoren 7b. Den tidsmæssigt variable CC^-vær-di kan føres til en udgangsbøsning 7a, hvor en hurtigskriver eller en oscillograf kan tilsluttes. Patentkrav .

1. Apparat til måling af CC^-indholdet i åndedrætsluft, 10 hvilket apparat omfatter en infrarød lyskilde (19), i hvis strålegang er indskudt et interferensfilter (18), hvis gennemgangs-cmråde er afstsnt til CC^'s absorptionsbånd, en målecelle (1), son gennøn-strøtmes af åndedrætsluften, og en fotodetektor (23), samt et evalueringskredsløb, der er koblet efter fotodetektoren, 15 kendetegnet ved a) apparatet er indrettet til anbringelse af målecellen (1) i åndedrætsluftens hovedstrøm, b) en åndedræts-fase-erkendelsesenhed (5), c) et første lager (3), der er styret af åndedræts-fase- 20 erkendelsesenheden (5) og anvendes til oplagring af det største udgangssignal fra fotodetektoren (23) under udåndingsfasen, d) et andet lager (4) styret af åndedrætsfase-erkendelsesenheden (5) til oplagring af det mindste udgangssignal fra 25 fotodetektoren (23) under indåndingsfasen, samt e) et beregningskredsløb (6), der er forbundet med de to lagre (3,4) til dannelse af det logaritmiske forhold mellem signalværdierne i det første og det andet lager.