DE10014959C1 - Vorrichtung zur Messung eines Atemgasbestandteils in einer Atemgasleitung - Google Patents

Vorrichtung zur Messung eines Atemgasbestandteils in einer Atemgasleitung

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Abstract

Eine Vorrichtung mit einem Gassensor zur Messung eines Atemgasbestandteils in einer Atemgasleitung soll derart verbessert werden, dass eine Druckkorrektur der Gaskonzentrationsmessung ohne nennenswerte Beeinflussung durch den Beatmungsdruck vorgenommen werden kann. Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass von der Atemgasleitung (7) eine erste Messgasleitung (23) mit einer ersten elektrochemischen Messzelle (28) abzweigt, dass im Leitungszug der ersten Messgasleitung (23) zwischen der ersten elektrochemischen Messzelle (28) und der Atemgasleitung (7) eine erste Drosselstelle (26) angeordnet ist und dass sich abströmseitig der ersten elektrochemischen Messzelle (28) ein erster Drucksensor (29) für die Druckkorrektur befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Ein Beatmungsgerät mit einer Fördervorrichtung für Atemgas, welche Umgebungsluft über eine Gasversorgungsleitung ansaugt und in eine zu einem Patienten führende Atemgasleitung pumpt, ist aus der DE 197 08 094 A1 bekannt geworden. Durch Rückführung eines Teils des angesaugten Atemgases in den Bereich der Ansaugseite der Fördervorrichtung und die gleichzeitige Zudosierung von Sauerstoff aus einer Sauerstoffquelle in die Gasversorgungsleitung, kann die Sauerstoffkonzentration des Atemgases an den Patientenbedarf angepasst werden. Die Sauerstoffkonzentration im Atemgas wird mit einem Sauerstoffsensor in der Atemgasleitung gemessen. Zusätzlich zur Sauerstoffkonzentration werden der Atemgasfluss und der Beatmungsdruck erfasst.
Durch das Wechselspiel von Einatmung und Ausatmung treten in der Atemgasleitung Druckschwankungen auf, die sich auf die Genauigkeit der Sauerstoffkonzentrationsmessung auswirken. Zwar könnte man über die Druck­ messung, die in der Nähe des Sauerstoffsensors durchgeführt wird, Korrekturwerte für die Sauerstoffkonzentration berechnen, jedoch sind hierfür komplizierte Auswertealgorithmen erforderlich, da sowohl der zeitliche Verlauf des Druckes als auch der zeitliche Verlauf der Sauerstoffkonzentration zeitgleich ausgewertet werden müssen. Entsprechend korrigierte Messwerte für die Sauerstoffkonzentration stehen daher erst nach einer gewissen Zeit zur Ver­ fügung und beinhalten daher auch eine große Ungenauigkeit. Sofern der Sauerstoffsensor in einem Regelkreis als Istwertgeber für die einzustellende Sauerstoffkonzentration eingesetzt wird, sind Verzögerungen und Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Istwertes nicht akzeptabel, da diese die Regelung beeinträchtigen würden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beatmungsgerät der genannten Art derart zu verbessern, dass eine Druckkorrektur der Sauerstoff-Konzentrations­ messung ohne nennenswerte Beeinflussung durch den Beatmungsdruck vorge­ nommen werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass durch Anordnung des Sauerstoffsensors in einer von der Atemgasleitung zur Gasversorgungs­ leitung im Ansaugbereich der Atemgasfördervorrichtung verlaufenden Messgas­ leitung und durch die Anbringung einer Drosselstelle strömungsaufwärts der ersten elektrochemischen Messzelle eine Messung der Sauerstoffkonzentration im sogenannten Nebenstrom durchgeführt wird, ohne dass sich Druckschwankungen in der Atemgasleitung nennenswert auf den Gasfluss im Bereich der ersten elektrochemischen Messzelle auswirken. Durch die erste Drosselstelle wird ein Messgasstrom aus der Atemgasleitung abgezweigt, der über die erste elektro­ chemische Messzelle in die Gasversorgungsleitung abfliesst. Die Gasversorgungsleitung befindet sich druckmässig etwas unterhalb des Umgebungsdruckniveaus. Der Druck strömungsabwärts der ersten Drosselstelle wird mit einem ersten Drucksensor erfasst, der, gegenüber der Druckmessung in der mit dem Beatmungsdruck beaufschlagten Atemgasleitung, nur noch geringe Druckschwankungen registriert.
Der Messgasstrom über die erste elektrochemische Messzelle beträgt größen­ ordnungsmäßig etwa 200 Milliliter pro Minute. Durch die Rückführung des Messgases in die Gasversorgungsleitung geht kein Atemgas aus der Atemgas­ leitung verloren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In vorteilhafter Weise ist parallel zur ersten Messgasleitung eine zweite Messgasleitung mit einer zweiten elektrochemischen Messzelle angeordnet. Die zweite elektrochemische Messzelle dient einerseits zur Überwachung der ersten elektrochemischen Messzelle und andererseits als Istwertgeber für die Sauerstoff­ konzentration für den Fall, dass die erste elektrochemische Messzelle nicht aktiv ist, beziehungsweise sich im Kalibriermodus befindet. Zwischen der Atemgasleitung und der zweiten elektrochemischen Messzelle ist innerhalb der zweiten Messgasleitung eine zweite Drosselstelle angeordnet, mit der eine Entkopplung der zweiten elektrochemischen Messzelle von dem in der Atemgas­ leitung herrschenden Druck vorgenommen wird.
In zweckmäßiger Weise ist die Abzweigstelle für die Messgasleitungen innerhalb der Atemgasleitung in Strömungsrichtung vor der Abzweigstelle der Bypassleitung angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass an der Abzweigstelle ständig ein über dem Umgebungsdruckniveau liegender Druck vorhanden ist, der den Mess­ gasfluss durch die Messgasleitungen sicherstellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein Beatmungsgerät 1, bei dem mittels eines Gebläses 2 Luft aus der Umgebung 3 über ein Bakterienfilter 4 und eine Gasversorgungs­ leitung 5 angesaugt und in eine zu einem Patienten 6 führende Atemgasleitung gepumpt wird. Die Ausatmung erfolgt über eine Ausatemleitung 8 und ein Aus­ atemventil 9. Das Ausatemventil 9 ist während der Einatemphase geschlossen, so dass sich der Einatemdruck in der Atemgasleitung 7 ausbilden kann, und während der Ausatemphase soweit geöffnet, dass der Ausatemdruck bis auf einen vorbe­ stimmten endexspiratorischen Restdruck abfällt. Die Höhe des Einatemdruckes wird mit dem Gebläse 2 und mit einem das Gebläse 2 überbrückenden Bypassventil 10 mit einer Bypassleitung 11 eingestellt. Während der Einatemphase ist das Bypassventil 10 weitgehend geschlossen, so dass das angesaugte Atemgas fast vollständig über die Atemgasleitung 7 zum Patienten 6 gefördert wird. Zu Beginn der Ausatemphase wird das Bypassventil 10 geöffnet, so dass das Atemgas über die Bypassleitung 11 zur Ansaugseite des Gebläses 2 zurückgeführt wird und der Patient 6 über das geöffnete Ausatemventil 9 exspirieren kann. Während der Ausatemphase zirkuliert das Atemgas zwischen dem Gebläse 2 und der Bypassleitung 11. Ein Rückschlagventil 12 unterbindet während der Ausatmung ein Rückströmen von Ausatemgas in die Atemgasleitung 7. In der Gasversorgungsleitung 5 befindet sich zwischen dem Bakterienfilter 4 und dem Gebläse 2 ein Puffervolumen 13, das über eine Zuströmleitung 14 mit einer Gasdosierein­ heit 15 für Sauerstoff verbunden ist. Die Gasdosiereinheit 15 besteht aus einer Parallelschaltung von Drosselelementen D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8 mit zugehörigen Absperrventilen A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, die einerseits an einem Sammelpunkt 16 mit der Zuströmleitung 14 verbunden sind und andererseits über einen Verteiler 17 mit Sauerstoff versorgt werden. Der Vertei­ ler 17 ist über ein Filter 18 mit einer Sauerstoff-Druckgasquelle 19 verbunden. Die Drosselelemente D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8 sind hinsichtlich ihrer Durchlassfähigkeit mit einer binären Wichtung versehen, so dass durch geeignetes Öffnen und Schließen einzelner Absperrventile der geforderte Sauerstoff-Gasfluss eingestellt werden kann. Die Absperrventile A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8 erhalten hierzu Steuerimpulse über eine Steuerleitung 21 von einer Steuer- und Regeleinheit 20. Eine eventuell erforderliche Korrektur des Sauerstoff-Gasflusses kann durch Takten einzelner Absperrventile erfolgen, indem durch die Steuer- und Regeleinheit 20 Steuerimpulse mit variabler Taktfrequenz und unterschiedlichen Puls-Pause-Verhältnissen erzeugt werden. Die Steuer- und Regeleinheit 20, die alle Mess-, Auswerte- und Regelaufgaben ausführt, ist ebenfalls mit dem Ausatemventil 9 und dem Bypassventil 10 verbunden.
In der Atemgasleitung ist strömungsabwärts des Gebläses 2 und anströmseitig einer Abströmöffnung 37 der Bypassleitung 11, eine Abzweigstelle 22 für eine erste Messgasleitung 23 und eine zweite Messgasleitung 24 angebracht. Die Messgasleitungen 23, 24 verlaufen von der Abzweigstelle 22 bis zu einer Ein­ mündungsstelle 25, strömungsaufwärts der Bypassleitung 11. Die Einmündungs­ stelle 25 befindet sich somit im wesentlichen auf dem innerhalb des Puffervolumens 13 herrschenden Druckniveaus, das nur geringfügig von dem in der Umgebung 3 herrschenden Druck abweicht.
In der ersten Messgasleitung 23, sind, ausgehend von der Abzweigstelle 22, eine erste Drosselstelle 26, ein Umschalter 27, eine erste elektrochemische Mess­ zelle 28 und ein erster Drucksensor 29 angeordnet. Die zweite Messgasleitung 24 enthält eine zweite Drosselstelle 30 und eine zweite elektrochemische Messzelle 31.
Mittels des Umschalters 27 kann entweder eine Gasverbindung zwischen der ersten elektrochemischen Messzelle 28 und der ersten Drosselstelle 26 oder zwischen der ersten elektrochemischen Messzelle 28 und einer dritten Drosselstelle 32 hergestellt werden, welche über einen Druckminderer 33 mit einer Sauerstoff-Druckgasquelle 19 verbunden ist. Je nach Stellung des Umschalters 27 erhält die erste elektrochemische Messzelle 28 das Messgas entweder aus der Atemgasleitung 7 oder für Kalibrierzwecke aus der Sauerstoff-Druckgasquelle 19.
Das erfindungsgemäß angegebene Beatmungsgerät 1 arbeitet folgendermaßen:
Über eine Bedieneinheit 34 werden bestimmte Beatmungsparameter, wie Atemgasfluss, maximaler Einatemdruck, Einatemzeit, Ausatemzeit, endex­ spiratorischer Druck und inspiratorische Sauerstoffkonzentration in die Steuer- und Regeleinheit 20 eingegeben. In der Steuer- und Regeleinheit 20 werden hieraus Vorgabewerte für die Gasdosiereinheit 15, die Drehzahl des Gebläses 2, die Einstellung des Bypassventils 10 und das Ausatemventil 9 berechnet. Mit einem Flussmessgerät 35 innerhalb der Atemgasleitung 7 wird der Gasfluss gemessen und es werden entsprechend dem Messwert und der eingestellten inspiratorischen Sauerstoffkonzentration die Absperrventile der Gasdosiereinheit 15 so betätigt, dass sich eine entsprechende Sauerstoffkonzentration im Atemgas einstellt. Die Sauerstoffkonzentration strömungsabwärts des Gebläses 2 wird mit der ersten elektrochemischen Messzelle 28 bestimmt. Durch den sich vor der Abström­ öffnung 37 der Bypassleitung 11 während der Inspiration aufbauenden Staudruck wird über die erste Drosselstelle 26 ein erster Messgasstrom durch die erste Messgasleitung 23 zur ersten elektrochemischen Messzelle 28 gelenkt. Für die vorzunehmende Druckkorrektur des gemessenen Sauerstoff-Konzentrations­ messwertes wird der Druck abströmseitig der ersten elektrochemischen Mess­ zelle 28 mit dem ersten Drucksensor 29 erfasst. In der Figur befindet sich der erste Drucksensor 29 zwischen der Einmündungsstelle 25 und der ersten elektro­ chemischen Messzelle 28.
Schwankungen des äußeren Umgebungsdruckes werden von einem außerhalb der Leitungen 5, 7 liegenden zweiten Drucksensor 36 gemessen und von der Steuer- und Regeleinheit 20 in die Druckkorrektur des von der ersten elektrochemischen Messzelle 28 gelieferten Messwertes mit einbezogen.
Ein zweiter Messgasstrom fließt von der Abzweigstelle 22 durch die zweite Messgasleitung 24 über die zweite Drosselstelle 30 und die zweite elektrochemische Messzelle 31 zur Einmündungsstelle 25 innerhalb der Gasversorgungsleitung 5. Die Druckkorrektur des von der zweiten elektrochemischen Messzelle 31 ermittelten Konzentrationsmesswertes erfolgt mit dem ersten Drucksensor 29 unter Einbeziehung des zweiten Drucksensors 36.
Die zweite elektrochemische Messzelle 31 dient im wesentlichen zur Über­ wachung der ersten elektrochemischen Messzelle 28. Hierzu werden die von den elektrochemischen Messzellen 28, 31 ermittelten Sauerstoff-Konzentrationsmess­ werte ständig in die Steuer- und Regeleinheit 20 eingelesen und dort auf Plausi­ bilität überprüft. Die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Atemgasleitung 7 wird mittels eines in der Figur nicht näher bezeichneten Regelkreises überwacht, bei dem der Istwert der Sauerstoffkonzentration mit der ersten elektrochemischen Messzelle 28 gemessen wird und unter Einbeziehung des über die Bedienein­ heit 34 in die Steuereinheit 20 eingegebenen Vorgabewertes für die Sauerstoff­ konzentration eine Stellgröße erzeugt und über die Steuerleitung 21 an die Gas­ dosiereinheit 15 übertragen wird. In die Stellgröße wird der von dem Flussmess­ gerät 35 ermittelte Messwert in der Weise mit einbezogen, dass, entsprechend einer flussproportionalen Zudosierung von Sauerstoff in das Puffervolumen 30, der Sauerstoff-Gasfluss bei höheren Gasflüssen proportional vergrößert und bei geringeren Gasflüssen entsprechend reduziert wird. Über die flussproportionale Sauerstoffzudosierung lässt sich die Sauerstoff-Konzentration zunächst grob auf den Vorgabewert einstellen, wobei die Feineinstellung über die Sauerstoffkonzen­ trationsmessung mittels der ersten elektrochemischen Messzelle 28 vorgenommen wird.
Beim Ausfall der ersten elektrochemischen Messzelle 28 wird als Istwertgeber die zweite elektrochemische Messzelle 31 benutzt. Die zweite elektrochemische Messzelle 31 wird auch dann für die Regelung der Sauerstoffkonzentration ver­ wendet, wenn sich die erste elektrochemische Messzelle 28 im Kalibriermodus befindet. Zur Kalibrierung wird die erste elektrochemische Messzelle 28 mittels des Umschalters 27 über die dritte Drosselstelle 32 mit der Sauerstoff-Druckgas­ quelle 19 verbunden. Durch das Vorhandensein von zwei elektrochemischen Messzellen ist der Betrieb des Beatmungsgerätes 1 auch dann gewährleistet, wenn für Kalibrierzwecke eine der elektrochemischen Messzellen kurzfristig abgeschaltet werden muss beziehungsweise wenn eine elektrochemische Mess­ zelle auszutauschen ist.
Durch die Anordnung der Abzweigstelle 22 strömungsaufwärts der Abström­ öffnung 37 der Bypassleitung 11 entsteht an den Drosselstellen 26, 30 während der Einatemphase und auch während der Ausatmung ein Staudruck, der zwar unterschiedlich hoch ist, jedoch einen permanenten Messgasfluss durch die Messgasleitungen 23, 24 zur Folge hat. Die Querschnittsflächen der Drossel­ stellen 26, 30 sind so bemessen, dass sich ein mittlerer Messgasfluss von etwa 200 Milliliter pro Minute einstellt. Das Messgas strömt näherungsweise unter Umgebungsdruckbedingungen über die Einmündungsstelle 25 in die Gasver­ sorgungsleitung 5 beziehungsweise das Puffervolumen 13 ein und wird dort zusammen mit der Umgebungsluft und dem von der Gasdosiereinheit 15 in das Puffervolumen 13 eingeleiteten Sauerstoff wieder angesaugt und dem Patienten 6 zugeführt. Auf diese Weise geht kein Messgas verloren. Durch die Drosselstellen 26, 30 wird eine wirksame Entkopplung der elektrochemischen Messzellen 28, 31 von dem in der Atemgasleitung 7 herrschenden Druck erreicht.
Strömungsabwärts des Rückschlagventils 12 befindet sich in der Atemgas­ leitung 7 ein Atemgasanfeuchter 38, der als elektrisch beheizter Anfeuchter aus­ geführt ist und mit dem die Atemluft den natürlichen Gegebenheit des Patienten 6 angepasst wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung mit einem Gassensor zur Messung eines Atemgas-Bestandteils in einer Atemgasleitung, welche über eine Atemgasfördervorrichtung mit einer Gasversorgungsleitung für Atemgas verbunden ist und mit einer von der Atemgasleitung zur Gasversorgungsleitung verlaufenden Bypassleitung, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Bypassleitung (11) eine erste Messgasleitung (23) mit einer ersten elektrochemischen Messzelle (28) als Gassensor vorhanden ist, dass im Leitungszug der ersten Messgasleitung (23) zwischen der ersten elektrochemischen Messzelle (28) und der Atemgasleitung (7) eine erste Drosselstelle (26) angeordnet ist und dass sich abströmseitig der ersten elektrochemischen Messzelle (28) ein erster Drucksensor (29) befindet und dass eine Einmündungsstelle (25) für die erste Messgasleitung (23) innerhalb der Gasversorgungsleitung (5) strömungs­ aufwärts der Bypassleitung (11) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Atemgasleitung (7) und der Einmündungsstelle (25) eine zweite Messgas­ leitung (24) mit einer zweiten elektrochemischen Messzelle (31) angeordnet ist, und dass sich eine zweite Drosselstelle (30) strömungsaufwärts der zweiten elektrochemischen Messzelle (31) befindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Atmosphärendruck messender zweiter Drucksensor (36) vorgesehen ist, und dass mit dem Messwert des zweiten Drucksensors (36) ein Korrekturwert für den ersten Drucksensor (29) gebildet wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigstelle (22) für die Messgasleitungen (23, 24) innerhalb der Atem­ gasleitung (7) strömungsaufwärts einer Abströmöffnung (37) in der Bypassleitung (11) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der ersten Messgasleitung (23) ein Umschalter (27) in der Weise angeordnet ist, dass die erste elektrochemische Messzelle (28) mit einer Kalibriergasquelle (19) verbindbar ist.
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