CH640347A5

CH640347A5 - Vorrichtung zur stroemungsmessung mit einem massenspektrometer.

Info

Publication number: CH640347A5
Application number: CH263479A
Authority: CH
Inventors: Lawrence G Hall
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Priority date: 1978-04-03
Filing date: 1979-03-21
Publication date: 1983-12-30
Also published as: DE2907788C2; FR2422163A1; GB2017935A; FR2422163B1; JPS54139790A; US4178919A; JPS6236177B2; GB2017935B; CA1133279A; DE2907788A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Strömungsmessung mit einem Massenspektrometer nach dem

Oberbegriff des Anspruchs 1.

Atmungsgase werden gern mit Hilfe eines medizinischen Massenspektrometers analysiert, das kontinuierlich kleine Proben der Gaszusammensetzung empfängt, den Druck durch eine molekulare Schleuse (leak) reduziert, so dass die kombinierten Gasmoleküle durch Elektronenbeschuss ionisiert werden können, und dann die ionisierenden Gasmoleküle einem Magnetfeld aussetzt, das die verschiedenen Gasmoleküle entsprechend ihrem Masse-Ladungsverhältnis trennt. Ionenstrom-Sammelschalen sind vorgesehen, um die Ionen der in dem Gemisch speziell interessierenden Gase aufzunehmen und Ströme zu erzeugen, die der dem System zugeführten Menge des betreffenden Gases proportional sind.

Der Ausgang des Spektrometers wird in eine Schaltung eingegeben, die Elektrometer enthält, welche die Ionenströme empfangen und individuell derart geeichet sind, dass das System für die Ionen jedes Gases gleich empfindlich ist und gleiche Mengen jeder Gasart am Elektrometerausgang als Spannungssignale mit gleicher Amplitude dargestellt werden. Jedes Elektrometer-Ausgangssignal wird an ein Schaltglied mit Verstärkungsregelung angelegt, und alle Schaltglieder werden individuell mit einem gleichen Faktor eingeregelt, der aus der Summe aller Elektrometer-Ausgangssignale abgeleitet wird, um so eine Verstärkungsregelung mit Gegenkopplung zu bilden, in der die Summe aller Elektrometer-Ausgangssignale ein konstanter Wert ist, ungeachtet etwaiger unkontrollierter Verstärkungsschwankungen in dem System. Die Ausgangsspannung jedes Verstärkungsgliedes stellt dann einen genauen Prozentsatz seines zugeordneten Gases in der von dem Atemluft-Durchflussmesser entnommenen Probe der Gaszusammensetzung dar.

Wenn verschiedene medizinische Parameter, etwa die Sauerstoffaufnahme eines Patienten, bestimmt werden sollen, muss die Atemluftströmung zeitlich synchron mit der Atemluftzusammensetzung gemessen werden, so dass das Produkt dieser beiden Variablen den Momentanwert der Teilströmung jeder Gaskomponente genau wiedergibt. In einem bisherigen System erhielt man die Strömungsdaten mittels eines Differenzdruckmessers, der über dem Widerstandskern des Strömungsmessers lag, und das von ihm erzeugte Signal wurde elektronisch derart verzögert, dass es synchron mit dem Eintreffen der Gasprobe erschien. Aber die Gasströmung durch eine Kapillarröhre ist selten konstant, selbst unter besten Arbeitsbedingungen nicht; sie ändert sich mit Gasen unterschiedlicher Viskosität, Temperatur und unterschiedlichem Wassergehalt, der selbst so stark schwanken kann, dass er die Kapillarröhre teilweise blockiert, wenn Atemluftproben von einem Patienten der Intensivstation genommen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile der vorstehend genannten Vorrichtungen nicht aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäss en Vorrichtung fliessen die Gasströmungsdaten zusammen mit den zugehörigen Gasproben, welche vorzugsweise Atemluftproben sind, kontinuierlich durch die Gasleitungsröhre zwischen dem Strömungsmesserelement und dem.Spektrometer. Auf diese Weise sind die bisherigen Mängel beseitigt und Änderungen oder Schwankungen der Überführungszeit für die Gasproben zwischen dem Strömungsmesserelement und dem Massenspektrometer, welches im Falle von Atemluftproben ein medizinisches Massenspektrometer ist, spielen keine Rolle mehr.

Wie bereits erwähnt, dient die Vorrichtung vorzugsweise zur Messung der Atemluft mittels eines medizinischen Massenspektrometers. Die Gasleitungsröhre dient dabei zur Pro5

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benentnahme von Atemluft an der proximalen oder Mundstück-Seite der strömungsdrosselnden Anordnung des Strömungsmesserelementes. Das Fremdgas wird hinter der strömungsdrosselnden Anordnung am äusseren oder distalen Ende des Strömungsmesserelementes zugeführt. Eine Zuführungsröhre für das Fremdgas, welches beispielsweise Helium sein kann, ist bei einer solchen Anordnung mit einer Leitung gepaart, welche in die Gasleitungsröhre mündet, so dass über eine solche Verbindung beide Probenröhren mit der Einlassöffnung des Massenspektrometers verbunden sind.

Gemäss einer Ausführungsform nach Anspruch 2 ist eine Kappe als Gassammelschale vorgesehen, welche die Zu- und die Ableitungsröhre am zweiten Ende des Strömungsmesserelementes lose überdeckt, so dass die distale Probenröhre nur das Fremdgas, und zwar unter dem auf der distalen Seite der strömungsdrosselnden Anordnung herrschenden Druck empfängt. Wenn durch den Strömungsmesser keine Einatmung oder Ausatmung stattfindet und der Druck an der proximalen und distalen Seite der strömungsdrosselnden Anordnung, welche auch als Kern bezeichnet wird, gleich ist, saugt ein Vakuumsystem des Massenspektrometers eine repräsenttive Probe der Atemgase aus der proximalen Probenröhre und eine kleine Probe von dem Fremdgas durch die distale Röhre ein.

Die Elektrometerausgangs-Signale im Massenspektrometer können dann auf die nominelle Fremdgasmenge richtig geeicht werden. Während der Einatmung und Ausatmung erzeugt der Strömungswiderstand des Strömungsmessers Druckdifferenzen am Kern, wodurch verglichen mit der Atemluftprobe ein grösserer oder kleinerer Fremdgasfluss angesaugt wird. Die variierenden Fremdgasmengen werden in das System eingesaugt und analysiert, um daraus ein zur Strömung proportionales Signal zu gewinnen. Demzufolge erscheinen die erzeugten Signale, die die Strömung bzw. die Gaszusammensetzung repräsentieren, zum gleichen Zeitpunkt und können zur Berechnung medizinischer Parameter verwendet werden, deren Richtigkeit von der genauen Synchronisation der beiden Datentypen abhängt.

Bei einer bevorzugten Anwendung werden für die Analyse mittels eines medizinischen Massenspektrometers Strömungsdaten der Atemluft synchron mit kontinuierlichen Gasproben vorgesehen. Die Gasströmungsdaten werden mittels der Druckdifferenz über einem Widerstandskern in einem probennehmenden Strömungsmesser bestimmt und der Strömungswert in einem bestimmten Augenblick wird dadurch registriert, dass ein ungiftiges Gas, das für die normalen Atmungsgase ein Fremdgas ist, proportioniert in einer durch die Druckdifferenz bestimmten Menge in den Probeneinlass eingeführt wird. Die Menge des Fremdgases repräsentiert daher die Strömung und wird durch die Einlassröhre in genauem Synchronismus mit der zugehörigen Atemluftprobe eingesaugt, um von dem Spektrometer analysiert zu werden. Das erzeugte Signal, das die Menge des Fremdgases und damit die Strömung wieder gibt, kann dann zusammen mit den die Konzentration der verschiedenen Gase in der zugeordneten Atemluftprobe repräsentierenden Signalen dazu benützt werden, verschiedene medizinische Parameter, etwa die Sauerstoffaufnahme, zu berechnen, wenn die exakte Synchronität dieser Signale bedeutungsvoll ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild, das die Anordnung eines Atemluft-Strömungsmessers, verbunden mit einem typischen medizinischen Massenspektrometer, veranschaulicht.

In der Figur ist ein typisches medizinisches Massenspektrometer gezeigt, wie es beispielsweise in der US-PS Nr. 3824390 beschrieben ist. Das Gerät weist eine evakuierte

Ionisationskammer 10 auf, durch die ein Elektronenstrahl 12 geschickt wird, um die Gasmoleküle zu ionisieren, die in die Kammer 10 von einem Probeneinlass 14, etwa einer üblichen Molekülschleuse, eingeführt werden, die ohne die Zusammensetzung einer Gasprobe zu stören, den Druck des Gases auf eine an das in der Kammer 10 herrschende Vakuum ange-passte Höhe senkt. Die auf diese Weise ionisierten Gasproben werden durch eine Elektrode 16 fokussiert und in eine Analysenkammer 18 beschleunigt, wo die ionisierten Gasmo-leküle einem Magnetfeld ausgesetzt werden, das die Bahn der Ionen zu gekrümmten Bahnen nach Massgabe der betreffenden Masse-Ladungsverhältnisse der verschiedenen vorhandenen Gasmoleküle ablenkt. Sammelschalen 20, die in der Analysenkammer 18 an passenden Stellen angebracht sind, um die abgelenkten Ionen jedes interessierenden Gases aufzufangen, erzeugen Ströme, die zu der Menge der gesammelten Gasionen proportional sind.

Das Spektrometer ist mit einer Schaltung verbunden, die Elektrometer 22 enthält, welche die Ionenströme empfangen und Spannungssignale erzeugen, die die Höhe dieser Ströme repräsentieren. Wie in der oben erwähnten US-PS 3824390 beschrieben, werden die Spannungssignale dann in Span-nungsverstärker 24 mit Verstärkungsregelung eingegeben, die in der oben beschriebenen Weise geeicht sind, um Ausgangssignale zu erzeugen, die mit einer Bezugsspannung summiert werden, welche von einem Druckmesswertwandler erzeugt wird, der eine zum Druck der Gase in der Gasleitungsröhre 26 proportionale Bezugspannung liefert, um so eine Regelspannung zum Regeln der Verstärker 24 zu gewinnen.

Gemäss der Erfindung erhält man das die Atemluftströmung wiedergebende Drucksignal durch Messung der Fremdgasmenge, die durch den Druckunterschied über dem Widerstandskern im Strömungsmesser in den Einlass eingesaugt wird. Da das Fremdgas zusammen mit seiner zugehörigen Gasprobe in das Spektrometer eintritt, sind beide Daten, die der Gasprobe und die der Gasströmung stets synchronisiert ungeachtet der Überführungszeit zwischen dem probennehmenden Strömungsmesser und dem Spektrometer.

Wie in der Figur gezeigt, ist die Gasleitungsröhre 26, die vorzugsweise eine sehr enge Kapillarröhre ist, durch die Wand 28 in den Probennahmebereich 30 im Luftstrom eines Atemströmungsmessers 32 eingeführt. Der in der Figur dargestellte Strömungsmesser ist ein Pneumotachograph-Strö-mungsmesserteil einer Lungenmaschine nach «Fleisch», der am proximalen Ende eines Gehäuses, das einen Laminarströ-mungskern 36 enthält, mit einem Mundstück 34 versehen ist. Der Kern 36 besteht vorzugsweise aus einem Stück einer gerieften Metallfolie, die passend angeordnet ist, um eine laminare Gasströmung vorbei an Drucköffnungen 38 hervorzurufen, die normalerweise an einen Druckgeber angeschlossen sind, in Ausübung der Erfindung jedoch nicht verwendet werden.

Durch die Wand 28 ist distal vom Kern 36 noch eine Kapillarröhre in den Strömungsmesser 32 eingeführt, die als Differenzröhre 40 bezeichnet wird. Eine Gaszuführröhre 42, die an einen Gasvorrat 44 angeschlossen ist, wobei es sich um ein Fremdgas für die Atmungsgase, etwa Helium, handelt, ist mit der Differenzröhre 40 gekuppelt, so dass beide in einer Gassammelschale 46 endigen. Die Schale 46 kann einfach eine umgedrehte Halbkugel aus Kunststoff sein, die das leichte Fremdgas einfängt, um sicherzustellen, dass die Differenzröhre 40 ausschliesslich Fremdgas empfängt. Zudem muss die Schale 46 am Boden offen sein, damit das von der Differenzröhre 40 aufgenommene Fremdgas den Druck hat, der im distalen Ende des probennehmenden Strömungsmessers herrscht.

Das System arbeitet folgendermassen: Vom Vorrat 44 wird das Fremdgas durch die Gaszuführröhre 42 mit einer

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Rate von annähernd 0,02 ml/s zugeführt, während keine Gasströmung durch den Strömungsmesser 32 geht und das Mundstück 34 offen ist, so dass am Kern 36 des Strömungsmessers keine Druckdifferenz vorhanden ist. Die dem medizinischen Massenspektrometer zugehörige Vakuumpumpe 48 saugt Atmosphärenluft aus dem Bereich 30 und ausserdem Fremdgas durch die Differenzröhre 40 ein. Es ist erfindungswesentlich, dass die Fremdgasprobe gleichzeitig mit dem Einsaugen von Gas aus dem Bereich 30 eingesaugt wird und dass die beiden Proben miteinander gemischt werden, so dass die im Spektrometer aufgenommenen vereinigten Gase die zu analysierende Gasprobe zusammen mit dem Gas, das den Druck der Gasprobe repräsentiert, enthalten. Deshalb muss die Fremdgasprobe aus der Schale 46 die Verbindungsstelle der Differenzröhre 40 mit der Gasleitungsröhre 26 zum gleichen Zeitpunkt erreichen wie die aus dem Probennahmebereich 30 herkommende Gasprobe. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man die beiden Röhren zwischen ihren Enden und der Verbindungsstelle gleich lang macht oder ihnen entsprechend unterschiedliche lichte Weiten gibt.

Die Gase, die somit synchron vereinigt werden, werden von einer nicht dargestellten Vakuumpumpe, die dem Probeneinlass 14 zugeordnet ist, durch die Leitungsröhre in den Probeneinlass 14 gesaugt, von wo eine sehr kleine Probe in die Ionisationskammer 10 eingespeist wird, in der die Moleküle der verschiedenen Gase ionisiert und in die Analysenkammer 18 beschleunigt werden. Die Gasionen der Atemluft werden dann beschleunigt, abgelenkt und von passend angeordneten Sammelschalen 20 aufgenommen, während die Fremdgasionen ausschliesslich in der geeignet angebrachten Sammelschale 50 aufgefangen werden. Die Ströme von den Schalen 20 und 50 werden jeweils an die vorgeeichten Elektrometer 22 angelegt, welche die Ströme in entsprechende genormte Spannungshöhen umwandeln, wie oben beschrieben. Diese Signale, die die von den Sammelschalen 10 aufgenommenen Ionen wiedergeben, werden an Spannungsverstärker 24 mit geregelter Verstärkung angelegt, deren Ausgangsklemmen mit einer passenden Sichtanzeige 52 gekoppelt sind, auf welcher die prozentualen Anteile jedes Gases in der Atemluftprobe erscheinen. Die Ausgangssignale der Verstärker werden ausserdem über gleiche Widerstände 54 einer Summierungsschaltung miteinander verbunden. Die Spannung vom Elektrometer, die den von der Sammelschale 50 für das Fremdgas empfangenen Strom repräsentiert, wird über einen Regelwiderstand 56 in die Summierungsschaltung eingegeben, deren Ausgang mit der Eingangsklemme eines Summierverstärkers 58 mit hoher Verstärkung verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 58 ist an eine Modulationsschaltung 60 für den Arbeitszyklus gelegt, die den Gleichstromausgang des Verstärkers 58 in Rechteckwellen-Ausgangssignale umwandelt, die sich in Übereinstimmung mit Änderungen im Verhältnis zwischen der Bezugsspannung, die durch die

Anwesenheit des von der Sammelschale 50 aufgefangenen Fremdgases erzeugt wird, und der Gesamtspannung von den Verstärkern 24 ändern. Dieses Rechteckwellen-Spannungssignal wird dann an jeden Verstärker 24 angelegt, um auf diese Weise einen geschlossenen Regelkreis oder eine Verstärkung mit Gegenkoppelung zu erhalten. Die vollständige Beschreibung des Modulators 60 für den Arbeitszyklus und die Verstärkungsregelung ist in der oben erwähnten US-PS 3 824390 enthalten.

Während der Eichung des Systems wird der Regelwiderstand 56 so justiert, dass die auf der Sichtanzeige 52 erscheinenden Gaszusammensetzungen insgesamt 100% ergeben. Die geeichten Verstärker korrigieren dann alle etwaigen unkontrollierten Verstärkungsänderungen des Systems und das Spektrometersystem ist nunmehr richtig eingestellt, um die Atmungsgase zu analysieren. Wenn ein Patient einatmet, wird von den eingeatmeten Gasen in dem Probenentnahmebereich 30 durch die Gasleitungsröhre 26 eine Probe entnommen. Die Gasströmung durch den Kern 36 senkt den Druck im Bereich 30 unter den im distalen Ende herrschenden, so dass die Differenzröhre 40 eine grössere Menge Fremdgas, das durch die Gaszuführröhre 42 in die Sammelschale 46 eingespeist worden ist, absaugt. Da die Sammelschale 46 vor-zugseise nahe einer Wand des Strömungsmessers 32 angeordnet ist, während der Einlass der Gasleitungsröhre 26 nahe der Mitte des Luftstromes im Bereich 30 liegt, wird ein etwaiger Überschuss an Fremdgas, der aus der Schale 46 entweicht, durch die Laminarströmungswirkung des Kerns 36 vom Einlass der Gasleitungsröhre 26 weggeführt, so dass die Röhre 26 genau nur die Gase im Bereich 30 erfasst, während die durch die Differenzröhre 40 abgeleitete Fremdgasmenge eine direkte Anzeige für die Druckdifferenz am Kern 36 und damit für die Strömung durch den Strömungsmesser ist.

Wenn der Patient ausatmet, erzeugt die durch den Kern 36 strömende ausgeatmete Atemluft einen Druckanstieg im Probenentnahmebereich 30 über den Druck im distalen Ende, wodurch eine proportionale Drucksteigerung an der Verbindungsstelle der Differenzröhre 40 mit der Gasleitungsröhre 26 entsteht. Dieser Druckanstieg an der Verbindungsstelle bewirkt eine Abnahme der Fremdgasströmung in das System, so dass, wenn die Atemluftprobe am Massenspektrometer ankommt, gleichzeitig die Gasdruckinformation in der Form einer verminderten Menge an Fremdgasmolekülen empfangen wird. Die variierenden Fremdgasmengen, die im Spektrometer empfangen werden, ergeben dann Signale, die die an die Summierungsschaltung über den Leiter 62 angelegte Bezugsspannung ändern und damit auch entsprechend die Steuersignale für die Verstärker 24 ändern, so dass während der Probenprüfung in jedem Augenblick genaue Anzeigen des Atemluftgehaltes in prozentualen Anteilen für jedes Gas erzeugt werden.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Stiöniungsmessung, mit einem Massen-spektrometer, mit Mitteln zum Zuführen von Gasströmungsdaten zum Massenspektrometer, welche mit den Gasproben synchronisiert sind, gekennzeichnet durch:

- ein rohrförmiges'Strömungsmesserelement (32) mit einer zwischen einem ersten und einem zweiten Ende angeordneten strömungsdrosselnden Anordnung (36);

- eine Gasleitungsröhre (26), die das erste Ende des Strömungsmesserelementes (32) mit der Einlassöffnung (14) des Massenspektrometers verbindet;

- eine Einrichtung (42,44) zum Zuführen eines zweiten Gases, das für die zu prüfenden Gase ein Fremdgas ist, in das zweite Ende des Strömungsmesserelementes (32);

- eine Leitung (40), die zwischen dem zweiten Ende des Strömungsmesserelementes (32) und der Gasleitungsröhre (26) liegt und deren eines Ende derart im zweiten Ende des Strömungsmesserelementes (32) angeordnet ist, dass die Leitung (40) ausschliesslich das zweite Gas abzieht, und deren anderes Ende in die Gasleitungsröhre (26) an einer Stelle mündet, an der sich eine Probe des zu prüfenden Gases mit dem zweiten Gas vereinigt, welches gleichzeitig wie die Probe vom Strömungsmesserelement (32) abgezogen worden ist;

und

- eine Einrichtung (20,50) im Massenspektrometer zum Messen der Menge des zweiten Gases in der dem Massenspektrometer zugeführten kombinierten Probe, wobei eine Anzeigevorrichtung (52) zur Anzeige der Gasströmung durch das Strömungsmesserelement (32) vorgesehen ist, wobei die Menge des zweiten Gases proportional zur Druckdifferenz über der strömungsdrosselnden Anordnung (36) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gassammeischale (46) zur Einspeisung des zweiten Gases vorgesehen ist, welche zu einer Wand am zweiten Ende des Strömungsmesserelementes (32) hin offen ist, und dass die Öffnung der Leitung (40) in die Gassammeischale (46) hineingerichtet ist, um nur das zweite Gas über die Gassam-melschale (46) abzuziehen, wobei das zweite Gas den im zweiten Ende des Strömungsmesserelementes (32) herrschenden Druck aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gas Helium ist, und die Gassammelschale (46) zum Sammeln des zweiten Gases angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (40) und die Gasleitungsröhre (26) Kapillarröhren sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsmesserelement (32) ein Pneumotacho-graph-Strömungsmesser ist, dessen erstes Ende als Mundstück (34) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (34) des Strömungsmesserelementes (32) das zum Anschluss an eine einen veränderlichen Druck liefernde Druckquelle bestimmte Einlassende ist und dass die strömungsdrosselnde Anordnung (36) derart bemessen ist, dass die über ihr entstehende Druckdifferenz proportional zur Gasströmung durch diese Anordnung (36) ist, um die Menge des zweiten Gases aus der Kombination von Probengas und zweitem Gas zu bestimmen, wobei die Menge des zweiten Gases ihrerseits proportional zur Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Strömungsmesserelementes (32) ist.