DE3247104A1

DE3247104A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der konzentration einer gegebenen komponente in einem patienten ein- oder ausgeatmetem gas

Info

Publication number: DE3247104A1
Application number: DE19823247104
Authority: DE
Inventors: Andras 18330 Täby Gedeon; Lennart 22356 Lund Mathiasson
Original assignee: Engstroem Medical 16120 Bromma AB; Engstrom Medical AB
Current assignee: Gambro Engstrom AB
Priority date: 1981-12-23
Filing date: 1982-12-20
Publication date: 1983-06-30
Also published as: FR2518393A1; SE428345B; GB2114890B; SE8107775L; DE3247104C2; JPS58116340A; GB2114890A; SE428345C; FR2518393B1; US4509359A

Description

ENGSTRÖM MEDICAL AB
Bromma (Schweden)

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer gegebenen Komponente in einem von einem Patienten ein- oder ausgeatmeten Gas

Die Möglichkeit einer Bestimmung der Zusammensetzung des Atmungsgases in den Lungenalveolen eines Patienten ist in der Medizin von großem Interesse. Der Hauptgrund dafür ist, daß Patienten dann bei der Intensivpflege und während der Narkose besser überwacht werden können und die Behandlung besser ihrem Zustand angepaßt werden kann.

Auf dem Gebiet der physiologischen Forschung wird die Zusammensetzung des Atmungsgases bestimmt, damit unter anderem verbesserte Diagnosemethoden bereitgestellt werden können. Komponenten, deren Konzentration im Gas in erster Linie von Interesse ist, sind CO₂, O₂ und gasförmige Narkosemittel, wie N₂O, Halothan usw. Es muß möglieh sein, die Konzentration dieser Komponenten kontinuierlich und mit möglichst kurzer Reaktionszeit zu messen, damit rasche Konzentrationsänderungen der interessierenden Komponente erfolgreich bestimmt werden können. Beispielsweise kann die von einem Patienten verbrauchte Menge Sauerstoff (O₂) durch Messen des O₂-Gehaltes des eingeatmeten und ausgeatmeten Gases bestimmt werden.

Die einzige Stelle, an der praktisch die Konzentration einer gegebenen Komponente eines von einem Patienten ein- oder ausgeatmeten Gasgemisches bestimmt werden kann, ist die Gasleitung, die mit den Luftwegen des Patienten verbunden ist und durch die die ein- und ausgeat-

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. meten Gases strömen, unmittelbar vor dem Mund des Patienten. Eine solche Bestimmung könnte — mindestens für bestimmte Gaskomponenten — mit Hilfe eines Meßwertgebers ausgeführt werden, der im Weg des durch die Leitung strömenden Gases angeordnet wird. An einen solchen Meßwertgeber müßten jedoch hohe Anforderungen gestellt werden; er müßte klein und leicht sowie beständig gegen alle Arten von Behandlungen einschließlich Reinigung und Sterilisation sein. Deshalb zieht man es vor, einen Teil des durch die mit den Atmungswegen des Patienten verbundene Leitung strömenden Atmungsgases an einer Stelle unmittelbar vor dem Mund des Patienten zu entnehmen und diesen Teilstrom einem Gerät zur Bestimmung der Konzentration der interessierenden Gaskomponente des Gasgemisches zuzuführen. Bei Anwendung dieser Meßmethode darf jedoch nur ein verhältnismäßig kleiner Teilstrom des Gases entnommen und dem Meßgerät zugeführt werden. Darüber hinaus muß das Gesamtvolumen des abgezweigten Gases zwischen Anzapfstelle und Meßgerät klein und die Zeitspanne, in der das entnommene Gas zum Meßgerät gelangt, kurz sein, damit eine rasche Messung erhalten wird und nicht die Gefahr besteht, daß sich verschiedene Teile des entnommenen Atmungsgasgemisches vermischen, bevor der Gasstrom das Meßgerät erreicht. Anderenfalls können rasche Änderungen der Konzentration der interessierenden Gaskomponente nicht zufriedenstellend gemessen werden.

Ein schwieriges Problem bei der Ausführung dieses Verfahrens besteht darin, daß die relative Feuchtigkeit des zu: Meßzwecken entnommenen Gasgemisches: zwischen einem Wert nahe bei Null und 97% , die Temperatur zwischen Raumtemperatur und etwa 35 ⁰C schwanken kann. Dies bedeutet, daß die Menge des in den entnommenen Gasgemisch enthaltenen Wasserdampfs in weiten Grenzen schwanken kann, was zahlreiche Schwierigkeiten zur Folge haben kann.

Bei konstantem Gesamtdruck des Gasgemisches führen Änderungen der relativen Feuchtigkeit des zu Meßzwecken entnommenen Gasgemisches natürlich zu entsprechenden Änderungen der Teildrücke aller anderen Gaskomponenten. Andererseits sind Temperatur und relative Feuchtig-

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keit in der Lunge de» Patienten konstant. Infolgedessen müssen die für eine interessierende Gaskomponente oder für Gaskomponenten erhaltenen Meßwerte auf den in der Lunge des Patienten bestehenden Zustand umgerechnet werden. Dies erfordert komplizierte Messungen der momentaren Temperatur und Feuchtigkeit des dem Meßgerät zugeführten Gasstromes. Dieses Problem besteht natürlich auch dann, wenn das Meßgerät selbst gegenüber Schwankungen des Wasserdampfgehaltes unempfindlich ist, da Änderungen des Wasserdampfgehaltes des Gasgemisches Änderungen des Gehaltes aller anderen Komponenten zur Folge haben, wenn der Druck des Gemisches konstant ist.

Die Schwierigkeiten sind naturgemäß noch größer, wenn das Meßgerät gegenüber Wasserdampf empfindlich ist, so daß Messungen der interessierenden Gaskomponente oder Gaskomponenten durch die Gegenwart von Wasserdampf im Gasgemisch gestört werden. Dies ist beispielsweise der Fall bei Gaskonzentrationsmeßgeräten, die einen Kristalloszillator enthalten, dessen Kristall mit einer Beschichtung versehen ist, die die zu messende Gaskomponente oder Gaskomponenten, z. B. ein Narkosegas, aber auch Wasserdampf absorbiert, so daß der Wasserdampfgehalt des Gasgemisches das Maßergebnis beeinflußt. Ein anderes Beispiel sind Meßgeräte, die auf der IR-Absorption beruhen und unter anderem zur Bestimmung der CO₂-Konzentration verwendet werden. Die derzeit gebräuchlichen Geräte arbeiten mit einer Wellenlänge von etwa 4,3 μτα, was bedeutet, daß die Messung durch die Gegenwart von N₂O und O₂ in dem Gasgemisch gestört wird. Es wäre deshalb vorteilhaft, wenn eine Wellenlänge von etwa 2,6 pm benutzt werden könnte, für die viele gute IR-Strahlungsmeßgeräte zur Verfugung stehen. Bei dieser Wellenlänge wird die Messung jedoch durch Schwankungen des Wasserdampfgehaltes in dem Gasgemisch stark gestört.

Eine andere Schwierigkeit, die auftreten kann, wenn die relative Feuchtigkeit und die Temperatur des zu Meßzwecken entnommenen Gasgemisches hoch sind, ist das Auskondensieren von Wasser in der zu dem Meßgerät führenden Schlauch- oder sonstigen Leitung und/oder im Meßgerät selbst, wodurch eine Verstopfung der Leitung bzw.. eine Beschädigung des Meßgerätes eintreten kann.

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Diese Schwierigkeiten lassen sich durch Trocknen des zu Meßzwecken entnommenen Gasgemisches vor dem Zuführen zum Meßgerät verringern. Zum Trocknen des Gasgemisches kann man entweder das in dem Gasgemisch enthaltene Wasser auskondensieren und das Kondensat in einem Abscheider auffangen oder das Gasgemisch durch ein Trocknungsmittel leiten, das den in dem Gasgemisch enthaltenen Wasserdampf absorbiert, so daß in beiden Fällen ein im wesentlichen trockenes Gasgemisch dem Meßgerät zugeführt wird. In der Praxis haben sich jedoch beide Lösungen des Problems als undurchführbar oder höchst unpraktisch erwiesen. Beispielsweise muß der Wasserabscheider oder die Trocknungsvorrichtung regelmäßig gewartet werden, was von den Benutzern der Meßeinrichtung als sehr störend empfunden wird. Ein noch schwerwiegenderer Nachteil dieser Lösungen ist jedoch der Umstand, daß die Gegenwart eines Wasserabscheiders oder einer Trocknungsvorrichtung zu einer Vergrößerung des Gasvolumens zwischen Anzapfstelle und Meßgerät und auch zur Verlängerung der Zeitspanne führt, in der das Gas von der Anzapfstelle zum Meßgerät gelangt, was, wie erwähnt, eine Verlängerung der Reaktionszeit beim Messen zur Folge hat, so daß rasche Konzentrationsänderungen der interessierenden Gaskomponente nicht leicht festgestellt werden können. Diese Schwierigkeit kann nur durch Vergrößerung des zu Meßzwecken entnommenen Gasstromes behoben werden. Eine solche Vergrößerung des zu Meßzwecken entnommenen Gasstromes ist aber nicht wünschenswert, da nur ein kleiner Teil des vom Patienten ein- und/oder ausgeatmeten Gasvolumens für Mößzweeke abgezweigt werden soll und dieses Gesamtvolumen, z.B. bei der Behandlung von Kindern, selbst schon klein sein. kann.

Es stellte sich daher die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Messen der Konzentration einer gegebenen Komponente oder mehrerer Komponenten eines von einem Patienten ein- und/oder ausgeatmeten Gasgemisches anzugeben, bei dem ein kleiner Teil des durch eine mit den Atmungswegen des Patienten verbundenen Atmungsgasleitung strömenden Atmungsgases kontinuierlich entnommen und einem für die interessierende Komponente oder Komponenten empfindlichen Meßgerät zugeführt wird und das die vorstehend dargelegten Nachteile nicht aufweist.

- 7 Ferner war eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß es überhaupt nicht notwendig ist, das zu Meßzwecken entnommene Gas vor dem Zuführen zu dem Meßgerät völlig von Wasserdampf zu befreien, sondern daß durchaus zufriedenstellende Ergebnisse dadurch erreicht werden können, daß Feuchtigkeit und Temperatur des zu Meßzwecken entnommenen Gases im wesentlichen in Übereinstimmung mit Temperatur und relativer Feuchtigkeit der Umgebungsluft gebracht werden. Das Meßgerät kann vor dem Messen leicht auf die Feuchtigkeit und Temperatur der Umgebungsluft eingestellt werden, die sich während des Messens nicht so stark ändern, daß die Genauigkeit der Messungen dadurch wesentlich beeinflußt wird.

Die relative Feuchtigkeit und Temperatur des zu Meßzwecken abgezweigten Gasgemisches kann leicht dadurch auf die Feuchtigkeit und Temperatur der Umgebungsluft gebracht werden, daß es auf dem Wege zu dem Meßgerät durch eine Leitung geleitet wird, die mindestens zu einem Teil ihrer Länge aus einem Material aus einem Material besteht, das hohe selektive und reversible Wasserabsorptionseigenschaften hat und dessen Außenfläche mit der Umgebungsluft in freier Berührung steht. Dieser Teil der Leitung kann vorteilhafterweise aus einem dünnen Schlauch aus einem Material wie einem Fluorsulfonyl-Polymerisat oder einem Copolymerisat des Fluorsulfonyls mit anderen Monomeren, wie Tetrafluorethylen, bestehen. Wenn ein Gas durch eine Leitung, beispielsweise einen dünnen Schlauch, eines solchen Materials geleitet wird, dessen Außenfläche mit der Luft in freier Berührung etsht, wird die relative Feuchtigkeit des durch die Leitung strömen-.den Gases rasch und wirksam der Feuchtigkeit der Umgebungsluft angeglichen, da Wasserdampf durch die Wand der Leitung zu der Wandseite diffundiert, an der die relative Feuchtigkeit geringer ist. Zu-

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gleich wird die Temperatur des durch die Leitung strömenden Gases der Temperatur der Umgebungsluft angeglichen. Erforderlich ist nur, daß die Außenfläche der Leitung mit der Umgebungsluft in freier Berührung steht und die Luft über diese Außenfläche strömen kann. 5

Bei der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung braucht nur ein kleiner Gasstrom abgezweigt und dem Meßgerät zugeführt zu werden, und da die benötigte Schlauchlänge verhältnismäßig kurz ist, ist auch die Zeitspanne, die das Gas. braucht, um von der Anzapfstelle bis zu dem Meßgerät zu gelangen, kurz und das Risiko einer internen Vermischung des entnommenen Gases minimal, so daß selbst rasche Änderungen der Konzentration der interessierenden Gaskomponente gemessen werden können. Die zu Meßzwecken abzuzweigende Gasmenge hängt von den Erfordernissen des Meßgerätes ab.

Wie leicht einzusehen, hängt die erforderliche Länge des Schlauches von dem reversibel Wasserdampf absorbierenden Material von der Größe des Gasstromes, dem Durchmesser des Schlauches und der Größenordnung der Differenz zwischen den auszugleichenden relativen Feuchtigkeiten ab. Diese Werte können jedoch leicht durch einfache Versuche festgestellt werden.

Um die Wirksamkeit des Verfahrens gemäß der Erfindung festzustellen, wurde eine Anzahl von Versuchen ausgeführt, bei denen Luft von vorgegebener relativer Feuchtigkeit durch einen im Handel erhältlichen Schlauch aus einem Fluorsulfonyl-Copolymerisat geleitet wurde, der mit der Umgebungsluft in freier Berührung stand. Die relative Feuchtigkeit der aus dem Schlauch austretenden Luft wurde gemessen. Die Versuche wurden mit Schläuchen jeweils verschiedener Länge und zwei verschiedenen Durchflußmengen, nämlich 100 ml/min und 400 ml/min, ausgeführt. Die Schläuche hatten bei allen Versuchen einen Außendurchmesser von etwa 1,25 mm und einen Innendurchmesser von etwa 1,0 mm.

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VERSUCH

Bei diesem Versuch hatte die in das eine Ende des Schlauches eingeleitete Luft eine relative Feuchtigkeit von 96% und eine Temperatur von 23 ⁰C, während die den Schlauch umgebende Luft eine relative Feuchtigkeit von 25% und eine Temperatur von 23 ⁰C hatte.

VERSUCH

i diesem Versuch hatte die in das eine Ende des Schlauches eingeleitete Luft eine relative Feuchtigkeit von 2% und eine Temperatur von 23 ⁰C, während die den Schlauch umgebende Luft eine relative Feuchtigkeit von 24% und eine Temperatur von 23 ⁰C hatte.

Die Ergebnisse der Versuche sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben, in der die relative Feuchtigkeit der am anderen Ende der Schläuche verschiedener Länge austretenden Luft aufgeführt ist.

TABELLE

	Versuch 1	Durchfluß menge 100 ml/min	Versuch 2	Durchfluß menge 100 ml/min
Schlauchlänge cm	Durchfluß"- menge . 400 ml/min	24	Durchfluß menge 400 ml/min	23
100	24	24	23	23
90	25	24	23	23
80	26	24	23	23
70	28	24	23	23
60	33	24	23	23
50	36	24	23	23
40	39	24	21	23
30	48	32	18	23
20	61	62	12	20
10	79	6

-ιοί Aus diesen Versuchsergebnissen geht klar hervor, daß bei der Ausführung des Verfahrens mit einem verhältnismäßig kurzen Schlauch die relative Feuchtigkeit des durch den Schlauch strömenden Gases der Feuchtigkeit der Umgebungsluft angeglichen werden kann, ganz gleich, ob die ursprüngliche relative Feuchtigkeit des durch den Schlauch strömenden Gases viel höher oder viel geringer als diejenige der Umgebungsluft ist.

Es versteht sich auch, daß das Verfahren gemäß der Erfindung von der Art und Form des Gerätes zur Messung der interessierenden Gaskomponente oder Gaskomponenten unabhängig ist.

Claims

COHAUSZ & FLORACK

PATENTAN WAL.TSBÜRO

SCHUMANNSTR. 97 D-4OOO DÜSSELDORF 1 Telefon: (0211) 68 33 46 Telex: 0858 6513 cop d

PATENTANWÄLTE:
DipL-lng. W. COHAUSZ - Dipl.-Ing. R. KNAUF ■ Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ ■ Dipl.-Ing. D. H. WERNER

20.12.1982 Patentansprüche

1J Verfahren zum Messen der Konzentration einer oder mehrerer Komponenten in einem von einem Patienten ein- und/oder ausgeatmeten Atmungsgas, bei dem ein kleiner Teil des durch eine mit den Luftwegen des Patienten verbundene Atmungsgasleitung strömenden Gases kontinuierlich entnommen und einem für die Komponente oder Komponenten empfindlichen Meßgerät zugeführt wird, dadurch -JO gekennzeichnet, daß die relative Feuchtigkeit und Temperatur des zu Meßzwecken abgezweigten Gases vor dem Zuführen des Gases zu dem Meßgerät der relativen Feuchtigkeit und Temperatur der Umgebungsluft im wesentlichen angeglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das zu Meßzwecken entnommene Gas dem Meßgerät durch eine Leitung zugeführt wird, die mindestens zu einem Teil ihrer Länge aus einem Material mit hohen selektiven und reversiblen Wasserabsorptionseigenschaften besteht und mit der Umgebungsluft in freier Berührung steht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Leitung ein Schlauch aus einem Fluorsulfonyl-Polimerisat verwendet wird.
4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, be- · stehend aus einem für die Gaskomponente oder Gaskomponenten empfindlichen Meßgerät und einer Leitung zum Anschluß des Meßgerätes an eine Leitung, durch die das Atmungsgas des Patienten strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die

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1 Anschlußleitung des Meßgerätes mindestens zu einem Teil ihrer Länge aus einem Material mit hohen selektiven und reversiblen Wasserabsorptionseigenschaften besteht und mit der Umgebungsluft in freier Berührung steht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein Teil der Anschlußleitung des Meßgerätes aus einem Schlauch aus einem Fluorsulfonyl-Polymerisat besteht. 10