DE10315864B4

DE10315864B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch

Info

Publication number: DE10315864B4
Application number: DE10315864A
Authority: DE
Inventors: Peter Dreyer; Horst-Dieter Dr. Hattendorff; Jochim Dr. Koch; Dieter Dr. Weismann; Hans Matthiessen; Bernd Dicks; Jördis König
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: DE10315864A1; GB2401939B; GB2401939A; GB0407916D0; US20040203169A1

Abstract

Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch, umfassend:
1.1 eine Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung infrarotoptischer Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbanden der Gaskomponenten, deren Konzentrationen bestimmt werden sollen, sowie im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande eines zur Lungenfunktionsmessung verwendbaren Spurengases,
1.2 eine Gasmesszelle (2), die im Strahlengang der infrarotoptischen Strahlungsquelle (1) angeordnet ist und die das zu analysierende Atemgasgemisch aufnimmt,
1.3 mindestens zwei als Thermosäulen ausgebildete Detektoren (3, 4), die im Strahlengang der infrarotoptischen Strahlungsquelle (1) der Gasmesszelle (2) nachfolgend angeordnet sind, von denen der erste Detektor (3) als Referenzdetektor und für die Messung der infrarotoptischen Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande des Spurengases ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch sowie ein entsprechendes Verfahren.
Vorrichtungen zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten in einem Atemgasgemisch werden unter anderem eingesetzt zur atemzugsaufgelösten Bestimmung der Zusammensetzung des Atemgasgemisches bei einem Patienten oder auch zur Messung seiner Lungenfunktion, insbesondere durch Bestimmung der funktionellen Residualkapazität mit Hilfe eines Spurengases und eines schnellen infrarotoptischen Sensors. Schnell bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Hauptstrom des Atemgasgemisches und dabei atemzugsaufgelöst erfolgt.

Aus der EP 651 244 B1 ist eine Vorrichtung zur Gasanalyse mit einer infrarotoptischen Strahlungsquelle und einer Thermosäule als Detektor bekannt, die die Absorption der infrarotoptischen Strahlung in einem Atemgasgemisch misst, anhand derer sich die Konzentration einer entsprechenden Gaskomponente ermitteln lässt. Thermosäulen als Detektoren haben Vorteile in mehrfacher Hinsicht: Sie lassen sich etwa im Gegensatz zu pyroelektrischen Detektoren unmoduliert betreiben, so dass weder konstruktiv aufwendige mechanische Chopper noch eine elektrische Pulsung thermischer Lichtquellen um den Preis verlangsamter Ansprechzeiten erforderlich sind. Allerdings ist bei Verwendung von Thermosäulen als Detektoren darauf zu achten, dass Messfehler bei Schwankungen der Umgebungstemperatur auftreten können.

Es ist bekannt, mehrere Gaskomponenten eines Gasgemisches gleichzeitig zu bestimmen, indem gleichzeitig auf mehreren Messkanälen infrarotbasierte Messungen durchgeführt werden, wobei zusätzlich separate Referenzkanäle Verwendung finden. Zusätzliche Referenzkanäle erhöhen jedoch den technischen Aufwand und die erforderliche Baugröße (WO 91/05 240, WO 00/70 330).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch mittels einer infrarotoptischen Strahlungsquelle und einer Thermosäule als Detektor sowie ein Verfahren zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch zu verbessern, so dass damit zusätzlich Lungenfunktionsmessungen durchgeführt werden können, wobei die Vorrichtung klein und kompakt aufgebaut ist und das Verfahren schnell anspricht.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren.

Die Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch umfasst eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von infrarotoptischer Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbanden der Gaskomponenten, deren Konzentrationen bestimmt werden sollen, sowie im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande eines zur Lungenfunktionsmessung verwendbaren Spurengases. Eine Gasmesszelle ist im Strahlengang der infrarotoptischen Strahlungsquelle angeordnet und nimmt das zu analysierende Atemgasgemisch auf, das in einem Hauptstrom vorbeigeführt wird. Mindestens zwei als Thermosäule ausgebildete Detektoren sind der Gasmesszelle im Strahlengang der infrarotoptischen Strahlungsquelle nachfolgend angeordnet. Auch andere Detektoren als Thermosäulen sind hierfür denkbar. Um die gesamte Vorrichtung klein und kompakt zu halten, werden soviele Detektoren eingesetzt, wie verschiedenen Gaskomponenten im Atemgasgemisch in ihrer Konzentration bestimmt werden sollen, sowie ein weiterer zusätzlicher Detektor, der als Referenzdetektor dient, und deshalb für die Messung der infrarotoptischen Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande des Spurengases ausgebildet ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Gasmesszelle und die als Thermosäulen ausgebildeten Detektoren werden in einer vorteilhaften Ausführungsform von einer Gehäusestruktur umgeben, die diese Thermosäulen von Temperaturschwankungen der Umgebung weitgehend abschirmt. Dies geschieht durch einen zweischichtigen Aufbau der Gehäusestruktur: eine äußere Schicht, vorzugsweise aus einem Kunststoff gefertigt, dient der Wärmeisolation und eine innere Schicht, beispielsweise aus Aluminium, ist einerseits gut wärmeleitend und besitzt andererseits eine hohe Wärmekapazität. Die Verwendung von Kunststoff und Aluminium hat darüber hinaus den Vorteil, dass das Gewicht der gesamten Vorrichtung damit gering gehalten werden kann.

Sehr gut als Spurengase für eine Lungenfunktionsmessung eignen sich Schwefelhexafluorid oder fluorierte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Fluorpropane, da sie sehr ausgeprägte Absorptionsbanden im infrarotoptischen Wellenlängenbereich besitzen. Der als Referenzdetektor dienende Detektor ist deshalb bevorzugt für die Messung der infrarotoptischen Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande der genannten Spurengase ausgebildet.

Es sind Mittel zur Bündelung der infrarotoptischen Strahlung im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und den Thermosäulen vorgesehen. Dies können beispielsweise plankonvex ausgebildete Sammellinsen sein, ein entsprechend angebrachter parabolischer Reflektor und eine plankonvexe Linse oder ein elliptischer Reflektor.

Vorzugsweise ist ein Bandpassfilter im Strahlengang unmittelbar vor jeder Thermosäule angebracht. Der Filter lässt infrarotoptische Strahlung jeweils nur im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande der in ihrer Konzentration durch die Thermosäule zu bestimmenden Gaskomponente oder des Spurengases passieren.

Die Abschirmungswirkung der Gehäusestruktur gegen Temperaturschwankungen der Umgebung wird in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung unterstützt durch Mittel zur Temperaturregelung innerhalb der Gehäusestruktur, die beispielsweise als Proportional-Integral-Regler ausgebildet sind. Alternativ dazu denkbar sind Mittel zur Kompensation bei der Temperaturmessung.

Das Verfahren zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch enthält mehrere Schritte. Es wird dabei infrarotoptische Strahlung einer Strahlungsquelle im Wellenlängenbereich der Absorptionsbanden der Gaskomponenten, deren Konzentrationen bestimmt werden sollen, sowie im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande eines zur Lungenfunktionsmessung verwendbaren Spurengases durch eine Gasmesszelle gesendet, die das zu analysierende Atemgasgemisch enthält. Ein erster Detektor, der im Strahlengang der Strahlungsquelle der Gasmesszelle nachfolgend angeordnet sind, wird zunächst als Referenzdetektor für die übrigen Detektoren verwendet, die die infrarotoptische Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbanden der Gaskomponenten messen, deren Konzentrationen bestimmt werden sollen. Anschließend wird der erste Detektor zur Messung der infrarotoptischen Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande des Spurengases verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zum Beispiel in der Art durchführen, dass über einen Zeitraum von mehreren Stunden Gaskomponenten im Atemgasgemisch in ihrer Konzentration bestimmt werden, wobei der erste Detektor als Referenzdetektor dient. In zeitlichen Abständen von beispielsweise 15 Minuten bis hin zu einer Stunde erfolgt dann die zur Lungenfunktionsmessung bei einem Patienten erforderliche Bestimmung der Konzentration des Spurengases im Atemgasgemisch, das zuvor in die Lungen des Patienten eingespült wurde. Der erste Detektor dient also die meiste Zeit als Referenzdetektor, eine Unterbrechung erfolgt nur zum Zweck einer Lungenfunktionsmessung mit einem Spurengas.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden beschrieben.
Es zeigt
die Figur eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch im Längsschnitt.
In der Figur ist eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch schematisch im Längsschnitt parallel zum Strahlengang der infrarotoptischen Strahlungsquelle 1 dargestellt, die als sogenannter Membranstrahler ausgebildet ist. Eine Gasmesszelle 2 ist im Strahlengang angeordnet, durch die das Atemgasgemisch als Hauptstrom 19, angedeutet durch den senkrecht in die Bildfläche hinein weisenden Pfeil, dringt. In Richtung des Strahlengangs betrachtet hinter der Gasmesszelle 2 befindet sich ein dichroitischer Strahlteiler 13. Als Mittel zur Bündelung der infrarotoptischen Strahlung sind hier eine erste plankonvexe Linse 8 vor der Gasmesszelle 2 und eine zweite und dritte plankonvexe Linse 9, 10 hinter dem dichroitischen Strahlteiler 13 vorgesehen, auf die jeweils ein Teil der vom Strahlteiler 13 aufgeteilten infrarotoptischen Strahlung trifft. Weiter in Richtung des Strahlengangs betrachtet hinter der zweiten und dritten plankonvexe Linse 9, 10 befindet sich zunächst jeweils ein Bandpassfilter 11, 12 und unmittelbar hinter jedem Bandfpassfilter 11, 12 eine erste und zweite Thermosäule 3, 4. Die erste Thermosäule 3 dient abwechselnd sowohl als Referenzdetektor zur zweiten Thermosäule 4 als auch zur Konzentrationsbestimmung eines Spurengases bei einer Lungenfunktionsmessung, die zweite Thermosäule 4 dient der Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente in dem Atemgasgemisch. Die Gasmesszelle 2 und die Thermosäulen 3, 4 liegen vollständig innerhalb einer Gehäusestruktur 5, die eine äußere wärmeisolierende Schicht 6 und eine innere, gut wärmeleitende Schicht 7 mit hoher Wärmekapazität aufweist.

Claims

Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch, umfassend: 1.1 eine Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung infrarotoptischer Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbanden der Gaskomponenten, deren Konzentrationen bestimmt werden sollen, sowie im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande eines zur Lungenfunktionsmessung verwendbaren Spurengases, 1.2 eine Gasmesszelle (2), die im Strahlengang der infrarotoptischen Strahlungsquelle (1) angeordnet ist und die das zu analysierende Atemgasgemisch aufnimmt, 1.3 mindestens zwei als Thermosäulen ausgebildete Detektoren (3, 4), die im Strahlengang der infrarotoptischen Strahlungsquelle (1) der Gasmesszelle (2) nachfolgend angeordnet sind, von denen der erste Detektor (3) als Referenzdetektor und für die Messung der infrarotoptischen Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande des Spurengases ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Gehäusestruktur (5) umfasst, die die Gasmesszelle (2) sowie die Detektoren (3, 4) umgibt, wobei die Gehäusestruktur (5) aus einer äußeren, wärmeisolierenden Schicht (6) und aus einer inneren, gut wärmeleitenden Schicht (7) mit hoher Wärmekapazität besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere, wärmeisolierende Schicht (6) der Gehäusestruktur (5) aus einem Kunststoff und die innere, gut wärmeleitende Schicht (7) aus Aluminium gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8, 9, 10) zur Bündelung der infrarotoptischen Strahlung im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle (1) und den Detektoren (3, 4) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Bandpassfilter (9, 10) im Strahlengang unmittelbar vor einem Detektor (3, 4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Temperaturregelung innerhalb der Gehäusestruktur (5) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperaturregelung als Proportional-Integral-Regler ausgebildet sind.
Verfahren zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch, enthaltend die folgenden Schritte: 8.1 Infrarotoptische Strahlung einer Strahlungsquelle (1) im Wellenlängenbereich der Absorptionsbanden der Gaskomponenten, deren Konzentrationen bestimmt werden sollen, sowie im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande eines zur Lungenfunktionsmessung verwendbaren Spurengases wird durch eine Gasmesszelle (2) gesendet, die das zu analysierende Atemgasgemisch enthält, 8.2 ein erster Detektor (3), der im Strahlengang der Strahlungsquelle (1) der Gasmesszelle (2) nachfolgend angeordnet ist, wird als Referenzdetektor verwendet für die übrigen Detektoren (4), die die infrarotoptische Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbanden der Gaskomponenten messen, deren Konzentrationen bestimmt werden sollen, 8.3 der erste Detektor (3) wird zur Messung der infrarotoptischen Strahlung im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande des Spurengases verwendet.