DE10125415A1 - Verfahren zur Messung des 13CO¶2¶/12CO¶2¶-Verhältnisses in der Atemluft intubierter Probanden - Google Patents
Verfahren zur Messung des 13CO¶2¶/12CO¶2¶-Verhältnisses in der Atemluft intubierter ProbandenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des ·13·CO¶2¶/·12·CO¶2¶-Verhältnisses in der Atemluft intubierter Probanden mittels der nichtdispersiven Infrarotspektroskopie. Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das ausgeatmete Kohlendioxid durch Kühlung und/oder durch Sorption aus der Atemluft abzuscheiden und anschließend zu verdampfen, zu desublimieren bzw. zu desorbieren und einem Gas beizumischen, dessen Zusammensetzung etwa derjenigen normaler Atemluft entspricht. Bei geeigneter Wahl des Mischungsverhältnisses der beiden Gase resultieren Gase, deren stoffliche Zusammensetzung derjenigen normaler Atemluft entspricht, wie sie auch bei der Kalibrierung von Geräten zur nichtdispersiven Infrarotspektroskopie zur Anwendung kommen. Das wichtigste Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Durchführung von ·13·C-Atemtests zur Kontrolle des Stoffwechsels von Patienten auf Intensivstationen, ohne dass die Messgenauigkeit durch die hohen Sauerstoffgehalte der den Patienten zugeführten Luft beeinträchtigt wird.
Description
Patienten auf Intensivstationen werden zum Zwecke der Entlastung ihres Blutkreislaufs
häufig mit einem Gas beatmet, dessen Sauerstoffgehalt gegenüber dem der
atmosphärischen Luft beträchtlich angereichert ist. Ein orotrachealer Tubus führt dem
Patienten reinen Sauerstoff oder ein Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch mit einem
Sauerstoff-Gehalt von etwa 80 Vol.% oder mehr Sauerstoff zu. Andererseits besteht ein
großes Interesse daran, den Stoffwechsel-Zustand gerade solcher Patienten laufend zu
kontrollieren, um umgehend eingreifen zu können, wenn dieser Zustand kritische
Parameter erreicht. Hierfür bieten sich 13C-Atemtests an, bei denen den Probanden 13C-
markierte chemische Verbindungen verabreicht werden. In bestimmten Zeitabständen
nach deren Aufnahme wird gemessen, wie schnell diese Stoffe im Organismus des
Patienten abgebaut und als 13C-markiertes Kohlendioxid mit der Atemluft
ausgeschieden werden. Diese Geschwindigkeit kann zur Beurteilung des klinischen
Zustands des Patienten, insbesondere hinsichtlich der Leistungsfähigkeit seiner Leber,
seiner Bauchspeicheldrüse oder seines Magen-Darm Trakts, herangezogen werden.
Solche 13C-Atemtests haben seit der Mitte der 80-er Jahre des vorigen Jahrhunderts
Einzug gehalten in die medizinische Forschung und in die klinische Diagnostik. Die
Messung des 13CO2/12CO2-Verhältnisses in der Atemluft geschieht entweder
massenspektrometrisch oder mittels der nichtdispersiven Infrarotspektrometrie (NDIR-
Spektrometrie), wobei die letztere, im Vergleich zur Massenspektrometrie viel
einfachere und weniger kostspielige Variante gerade bei der Untersuchung der Atemluft
intubierter Patienten auf eine Schwierigkeit stößt: Die bei Messungen im Bereich des
Atmosphärendrucks schon merkliche Druckverbreiterung der Hyperfeinstruktur der
Absorptionsspektren führt zu einer zunehmenden Überlappung der Absorptionsbanden
des 13CO2 und des 12CO2 mit steigendem Sauerstoffgehalt. Es steigt die
Querempfindlichkeit und es sinkt die Messgenauigkeit also mit zunehmendem
Sauerstoffgehalt. Die Folge davon ist, dass die Messung des 13CO2/12CO2-Verhältnisses
in der Atemluft intubierter Probanden mittels NDIR-Spektrometrie gestört wird durch
den gegenüber der Zusammensetzung der Luft erhöhten Sauerstoffgehalt der Atemluft.
Bisher umgeht man diese Störung, indem man die Atemluft der intubierten Probanden
mit Stickstoff verdünnt, bis der Sauerstoffgehalt auf den der normalen Atemluft
gesunken ist. Freilich nimmt man dabei in Kauf, dass die Messsignale für 13CO2 und
12CO2 und damit die Messgenauigkeit um den Faktor 4 bis 5 verringert werden.
Es ist das Ziel der Erfindung, diesen Mangel zu beheben. Das Wesen des
erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das vom Probanden ausgeatmete
Kohlendioxid durch Kühlung, durch Sorption oder durch eine Kombination von
Kühlung und Sorption aus der ausgeatmeten Luft abzuscheiden und anschließend zu
verdampfen, zu desublimieren bzw. zu desorbieren und einem Gas beizumischen,
dessen Zusammensetzung etwa derjenigen normaler Atemluft entspricht. Im Interesse
einer hohen Messgenauigkeit sollte dieses Gas vor dem Zudosieren des vom Probanden
ausgeatmeten Kohlendioxids kein Kohlendioxid enthalten und im Hinblick auf die
Hauptbestandteile der Zusammensetzung der atmosphärischen Luft entsprechen. Nach
dem Zudosieren des vom Probanden ausgeatmeten Kohlendioxids sollte das Gas einen
der Atemluft entsprechenden Kohlendioxidgehalt (also etwa 2 bis 5 Vol-%) aufweisen,
damit in üblicher Weise geeichte NDIR-Geräte für die Ausführung von 13C-Atemtests
verwendet werden können.
Wenn die Abscheidung des Kohlendioxids aus der Atemluft durch Kühlung bewirkt
werden soll, dann können Peltierelemente, Kältemittel oder kleine Kältemaschinen
eingesetzt werden, wie das in den Ansprüchen 2, 3, 4, 5 und 6 zum Ausdruck gebracht
wird. Als Kältemittel ist flüssige Luft bzw. flüssiger Stickstoff besonders geeignet.
Wie in den Ansprüchen 7 und 8 erwähnt, kann die Abscheidung des Kohlendioxids aus
der Atemluft intubierter Patienten auch durch Absorption mittels einer Flüssigkeit
bewirkt werden. Wenn hierfür Natronlauge oder die wässrige Lösung einer anderen
starken Base verwendet wird, so erfolgt die Wiederfreisetzung des Kohlendioxids durch
Zusatz einer äquivalenten Menge bzw. eines Überschusses einer starken Säure wie
Salzsäure oder Schwefelsäure.
Wie im Anspruch 9 herausgestellt wird, ist es besonders vorteilhaft, die zur Absorption
des Kohlendioxids verwendete Flüssigkeit im Gegenstrom zur Atemluft des Probanden
zu führen, weil dann eine weitergehende Abtrennung des Kohlendioxids gelingt und so
eine Verfälschung des zu messenden 13CO2/12CO2-Verhältnisses vermieden wird. Der
hierfür erforderliche Stoff- und Isotopenaustausch zwischen flüssiger und fester Phase
kann durch Einbauten bzw. Füllkörper in der Gegenstromanordnung intensiviert
werden.
Vorteile bietet auch die Anwendung von Adsorbentien bei der Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft intubierter Probanden, wie das in den Ansprüchen 10,
11 und 12 zum Ausdruck gebracht wird. In den Ansprüchen 11 und 12 werden die
besonderen Vorteile einer Kombination von Adsorption und Kühlung bei der
Abscheidung des Kohlendioxids hervorgehoben.
In vielen Krankenhäusern und größeren Arztpraxen wird Sauerstoff nicht aus
Druckflaschen bereitgestellt, sondern entweder größeren, mit flüssigem Sauerstoff
beschickten Tanks entnommen oder an Ort und Stelle in einer Luftverflüssigungsanlage
mit anschließender Tieftemperaturdestillation erzeugt. Es liegt nahe, in diesen Fällen
die von solchen Aggregaten bereitgestellte Kälte für die Realisierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens zu nutzen, wie das im Anspruch 13 zum Ausdruck
kommt.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren unter
Benutzung der Fig. 1, 2 und 3 näher erläutert werden. Darin bedeuten:
1, 2 und 3 Absperrorgane
4 Wärmeaustauscher
5 NDIR-Messgerät
6 mit Mg(ClO4)2 gefülltes Rohr zur Trocknung der Atemluft
7 mit Natronkalk gefülltes Rohr zur Entfernung des Kohlendioxids aus der angesaugten Umgebungsluft
8 mit Mg(ClO4)2 gefülltes Rohr zur Trocknung der angesaugten Umgebungsluft
4 Wärmeaustauscher
5 NDIR-Messgerät
6 mit Mg(ClO4)2 gefülltes Rohr zur Trocknung der Atemluft
7 mit Natronkalk gefülltes Rohr zur Entfernung des Kohlendioxids aus der angesaugten Umgebungsluft
8 mit Mg(ClO4)2 gefülltes Rohr zur Trocknung der angesaugten Umgebungsluft
Die in den Fig. 1, 2 und 3 in verschiedenen Betriebszuständen dargestellte Apparatur
besteht aus den Absperrorganen 1, 2 und 3, einem Wärmeaustauscher 4 zur Kühlung auf
die Temperatur des flüssigen Stickstoffs bzw. zum Aufheizen auf Raumtemperatur,
einem NDIR-Messgerät 5, einem mit Mg(ClO4)2 gefüllten Röhrchen 6 zur Trocknung
der Atemluft, einem mit Natronkalk gefüllten Röhrchen 7 zur Entfernung des
Kohlendioxids aus der angesaugten Umgebungsluft und einem mit Mg(ClO4)2 gefüllten
Röhrchen zur Trocknung der angesaugten Umgebungsluft. Diese Bauteile sind durch
Rohrleitungen miteinander verbunden, die in Fig. 1, 2 und 3 durch ausgezogene Linien
dargestellt sind. Wenn in einer solchen Rohrleitung Atemluft des Probanden, CO2-freie
Umgebungsluft oder ein Gemisch aus CO2-freier Umgebungsluft und durch
Desublimation im Wärmeaustauscher 4 entstehendem CO2 strömt, so ist dies in Fig. 1, 2
und 3 durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet, wobei die Pfeile in Strömungsrichtung
weisen.
Fig. 1 zeigt den normalen Betriebszustand: Die vom Probanden ausgeatmete Luft wird
von dem Absperrorgan 1 in die Umgebung abgeleitet. Der Wärmeaustauscher 4 wird
weder gekühlt noch beheizt. Das Messgerät 5 ist oder wird auf die Messung vorbereitet.
Fig. 2 zeigt den Betriebszustand, in dem die Atemluft des Probanden über das
Absperrorgan 1 und das mit Mg(ClO4)2 gefüllte Röhrchen 6 dem mit flüssigem
Stickstoff gekühlten Wärmeaustauscher 4 zugeführt wird und anschließend die
Apparatur über das Absperrorgan 3 verläßt. In dieser Phase wird der Atemluft das
gesamte Kohlendioxid durch Sublimation entzogen.
Fig. 3 zeigt den Betriebszustand, in welchem dem Wärmeaustauscher 4 über das
Absperrorgan 2, das mit Natronkalk gefüllte Röhrchen 7 und das mit Mg(ClO4)2
beschickte Röhrchen 8 Umgebungsluft zugeführt wird. In dieser Phase wird der
Wärmeaustauscher 4 auf Umgebungstemperatur erwärmt, so dass sich das vorher aus
der Atemluft des Probanden ausgefrorene Kohlendioxid dem Luftstrom beimischt und
über das Absperrorgan 3 in das NDIR-Gerät gelangt, in welchem das 13CO2/12CO2-
Verhältnis gemessen wird. In diesem Betriebszustand werden
Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten Umgebungsluft und dem
Wärmeaustauscher 4 zugeführter Wärmestrom so aufeinander abgestimmt, dass in der
Küvette bzw. in den Küvetten des NDIR-Geräts eine der normalen Atemluft ähnliche
Gaszusammensetzung resultiert, wie sie auch beim Kalibrieren des Geräts herrscht.
Claims (13)
1. Verfahren zur Messung von 13CO2/12CO2-Verhältnissen in Atemgasen intubierter, mit
Atemgasen mit gegenüber der atmosphärischen Luft erhöhtem Sauerstoffgehalt
versorgter Probanden mittels der nichtdispersiven Infrarotspektroskopie, dadurch
gekennzeichnet, dass das in der Atemluft enthaltene Kohlendioxid durch Kühlung,
durch Sorption oder durch eine Kombination von Kühlung und Sorption aus der
ausgeatmeten Luft abgeschieden und anschließend verdampft, desublimiert bzw.
desorbiert und einem Gas beigemischt wird, dessen Zusammensetzung etwa derjenigen
normaler Atemluft entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft durch Kühlung mittels Peltierelementen bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft durch Kühlung mittels eines Kältemittels bewirkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel flüssige
Luft oder flüssiger Stickstoffs ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft durch Kühlung mittels einer Kältemaschine bewirkt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine eine
Stirling-Gaskältemaschine ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft durch Absorption mittels einer Flüssigkeit bewirkt
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit
Natronlauge ist und die anschließende Wiederfreisetzung des Kohlendioxids durch
Zusatz einer starken Säure bewirkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit der
emporströmenden Atemluft entgegenfließt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft durch Adsorption an einer Festkörperoberfläche
bewirkt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft durch eine Kombination von Kühlung und Adsorption
an einer Festkörperoberfläche bewirkt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel
Aluminiumoxid ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 5, 6, 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Kühlung Aggregate benutzt werden, die in vielen
Krankenhäusern und Arztpraxen zur Erzeugung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft
bzw. zur Aufbewahrung von flüssigem Sauerstoff ohnehin vorhanden sind.
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