DE102010047159A1

DE102010047159A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid in einer Gasprobe

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Publication number: DE102010047159A1
Application number: DE201010047159
Authority: DE
Inventors: Ralf Döring; Peter Dreyer; Alfred Kelm; Hartmut Stark
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: DE102010047159B4

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Messung einer Konzentration eines zu messenden Gases, z. B. Kohlendioxid, in Messgas, z. B. Atemluft, soll die Konzentration oder Anteils eines Gases in Messgas mit einem geringen technischen Aufwand zuverlässig erfasst werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Heizelement zur Erwärmung des Messgases und ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des vom Heizelement nicht erwärmten Messgases in einer Messkammer (16) mit einer Öffnung (17) angeordnet sind, wobei aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und der Temperatur des nicht erwärmten Messgases die Wärmeleitfähigkeit des Messgases bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid in einer Gasprobe.
Für verschiedene medizinische Anwendungen, z. B. bei Operationen, ist eine künstliche Beatmung von Patienten notwendig. Beatmungsgeräte bzw. Beatmungssysteme dienen zur künstlichen Beatmung von Patienten. Bei Anästhesiesystemen kann wenigstens teilweise das von dem Patienten ausgeatmete Exspirationsgas als Inspirationsgas wiederverwendet werden, d. h. es handelt sich um ein Rückatemsystem mit Kreislauf der Atemluft. In dem Anästhesiebeatmungsgerät mit dem Atemluftkreissystem ist eine Gasfördereinrichtung vorhanden, welche die Atemluft während der Inspiration zum Patienten leitet. Während und nach der Ausatmung ist die Gasfördereinrichtung entweder abgeschaltet oder wird nur mit einem sehr geringen Förderstrom betrieben. Die von dem Beatmungs- oder Anästhesiesystem durchgeführte künstliche Beatmung kann entweder vollständig die Eigenatemtätigkeit des Patienten übernehmen, oder bei einem unterstützenden Verfahren die eigene Atemtätigkeit des Patienten lediglich teilweise ersetzten, so dass die Atemmuskulatur des Patienten einen Teil der Atemtätigkeit übernimmt.
In Beatmungs- oder Anästhesiesystemen ist es erforderlich, die Konzentration an Kohlendioxid des von dem Patienten ausgeatmeten Exspirationsgases mit einem Sensor zu erfassen bzw. zu messen. Zur Umsetzung dieser Messung der Konzentration an Kohlendioxid kommen verschiedene physikalische oder chemische Verfahren in Betracht. Beispielsweise kann die Konzentration an Gasen mit Hilfe von Infrarotsensoren, elektrochemischen Sensoren, einem colorimetrischen Verfahren, oder auch mit Hilfe von Massenspektrometern erfasst werden. Einige dieser Verfahren sind jedoch technisch aufwendig und damit teuer oder für eine kontinuierliche Erfassung von Kohlendioxid nicht geeignet.
Die DE 100 37 380 B4 zeigt eine Vorrichtung zum Messen des Anteils eines paramagnetischen Gases in einer Gasprobe mit einer modulierbaren Magnetfeldquelle mit einem Luftspalt, einer Modulationsquelle zur Abgabe eines Modulationssignales an die Magnetfeldquelle, einem auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizten Messelement innerhalb des Luftspaltes, welches aus einer Thermoelementanordnung mit einer Aneinanderreihung von gleichartigen Thermoelementen besteht. Diese dient zur Abgabe eines Wärmefluss-Messsignals aus dem Wärmefluss von der Thermoelementanordnung an die Gasprobe. Eine mit der Thermoelementanordnung verbundene Filtereinrichtung dient zum Abtrennen von periodischen Schwankungen aus dem Wärmefluss-Messsignal aufgrund der Modulation der Magnetfeldquelle, wobei die Amplitude der periodischen Schwankungen ein Maß für den Anteil des nachzuweisenden Gases ist.
Die DE 196 37 520 C1 zeigt ein Verfahren zum Nullpunktabgleich einer Wärmeleitfähigkeitsmesszelle in einem Begasungsbrutschrank mit einer Kohlendioxid enthaltenden Nutzraumatmosphäre, die mit Hilfe der Messzelle geregelt wird, wobei ein Referenzgas eingesetzt wird.
Der Anteil oder die Konzentration eines zu messenden Gases im Messgas kann auch mit der Wärmeleitfähigkeit des Messgases bestimmt werden. Dies ist möglich, sofern bei dem Gasgemisch oder dem Messgas sich die zu messende Komponente in der Wärmeleitfähigkeit ausreichend von den restlichen Bestandteilen des Gasgemisches bzw. des Messgases unterscheidet. Dazu wird eine elektrisch beheizte Oberfläche, z. B. in Gestalt eines elektrischen Heizdrahtes, dem zu messenden Messgas bzw. dem Gasgemisch ausgesetzt. Von einem Mittel wird die Temperatur des elektrischen Heizdrahtes erfasst und außerdem wird von einem Temperatursensor die Temperatur des Messgases in einem bestimmten Abstand zu der beheizten Oberfläche bzw. dem elektrischen Heizdraht gemessen. Aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des elektrischen Heizdrahtes und der Temperatur an dem Temperatursensor kann die Wärmeleitung bzw. die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches bzw. des Messgases bestimmt werden. Weist das zu messende Gas eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als die übrigen Komponenten des Messgases, verringert sich die Wärmeleitfähigkeit des Messgases. Eine geringere Wärmeleitfähigkeit des Messgases hat eine höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Heizdraht und dem Temperatursensor zur Folge und umgekehrt. Damit kann aus der Temperaturdifferenz zwischen dem elektrischen Heizdraht und dem Temperatursensor die Konzentration des zu messenden Gases bestimmt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid in einer Gasprobe anzugeben.
Diese Aufgabe für die Vorrichtung wird gelöst mit einem Sensor, umfassend ein Heizelement, insbesondere ein elektrisches Heizelement das mit elektrischem Strom erwärmbar ist, ein Mittel zur Erfassung der Temperatur des Heizelementes, wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des von dem Heizelement nicht erwärmten Messgases, so dass aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des elektrischen Heizelementes und der Temperatur des Messgases die Wärmeleitfähigkeit des Messgases ermittelbar ist. Durch Vergleich dieser Wärmeleitfähigkeit mit der Wärmeleitfähigkeit eines Messgases, welches bei sonst gleicher Gasartzusammensetzung die nachzuweisende Gaskomponente nicht enthält, kann die Konzentration der zu messenden Gaskomponente ermittelt werden, wobei das Heizelement und der wenigstens eine Temperatursensor in einer Messkammer mit einer Öffnung angeordnet sind. Bei der Bestimmung der Kohlendioxidkonzentration im Atemgas, ist das Messgas, welches die zu messende Gaskomponente nicht enthält, das Einatemgas und das Ausatemgas ist bei gleicher Gasartzusammensetzung mit Kohlendioxid angereichert.
Als ein Heizelement, insbesondere elektrisches Widerstandsheizelement, wird auch ein Teil betrachtet, welches sich nicht selbständig erwärmt und lediglich von der sich erwärmenden Komponente des Heizelementes erwärmt wird. Als Heizelement kommt neben einem elektrischen Widerstandsheizelement auch beispielsweise eine Infrarotlampe in Betracht, so dass ein Teil, welches von dem ausgesendeten Infrarotlicht erwärmt wird ebenfalls als Heizelement betrachtet wird und von dem Teil das Messgas in der Messkammer erwärmt wird.
Insbesondere umfasst der Sensor eine Gasleitung zum Durchleiten des Messgases, wobei die Öffnung der Messkammer in die Gasleitung mündet, so dass das Messgas aus der Gasleitung in die Messkammer strömt und vorzugsweise umgekehrt. In der Messkammer tritt keine oder nur eine sehr geringe Strömung an Messgas auf, so dass dadurch auch nur keine oder nur eine sehr geringe Konvektion durch das Messgas zwischen dem elektrischen Heizelement und dem wenigstens einen Temperatursensor auftritt. Eine Konvektion innerhalb der Messkammer zwischen dem Heizelement und dem wenigstens einen Temperatursensor würde die Messung oder Ermittelung der Wärmeleitfähigkeit des Messgases verfälschen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Öffnung mit einer hydrophoben Membran verschlossen und/oder die Öffnung ist mit einer Strömungsbarriere verschlossen und/oder die Öffnung ist mit einer Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht verschlossen. Die hydrophobe Membran stellt dabei eine Sperre für flüssiges Wasser dar. Bei einem Einsatz des Sensors, beispielsweise in einer Gasleitung eines Beatmungssystems, kann Kondenswasser auftreten, welches beim Einströmen in die Messkammer das Messergebnis verfälschen würde. Die Strömungsbarriere verhindert eine starke Strömung des Messgases innerhalb der Messkammer, welche ebenfalls die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Messgases verfälschen würde. Bei einem Einsatz des Sensors an einem Y-Stück eines Beatmungssystems strömt durch das Y-Stück sowohl Exspirationsgas als auch Inspirationsgas. Das Exspirationsgas weist dabei eine größere Feuchtigkeit auf als das Inspirationsgas und im Allgemeinen auch eine höhere Temperatur. Mit Hilfe der Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht kann die Feuchtigkeit und vorzugsweise auch die Temperatur des Messgases innerhalb der Messkammer auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten werden. Dadurch schwankt in dem Messgas innerhalb der Messkammer nur noch die Konzentration an Kohlendioxid bei einer Verwendung an einem Y-Stück in einem Beatmungssystem.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Störungsbarriere und die Feucht- und/oder Wärmespeicherschicht ein Bauteil.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist die hydrophobe Membran und/oder die Strömungsbarriere und/oder die Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht in Richtung von der Gasleitung zu der Messkammer und umgekehrt gasdurchlässig, so dass ein ständiger Gasaustausch zwischen der Gasleitung und der Messkammer ausführbar ist. Zwischen der Messkammer und der Gasleitung muss einerseits ein ausreichender Austausch des Messgases erfolgen, damit innerhalb der Messkammer die Konzentration des zu messenden Gases in der Gasleitung erfasst werden kann, andererseits darf der Austausch und damit die Strömung des Messgases innerhalb der Messkammer nicht so hoch sein, dass dadurch die Messung der Temperaturdifferenz zwischen dem elektrischen Widerstandsheizelement und der Umgebungstemperatur beeinflusst wird. Bei dem Sensor kann dabei auch auf die Strömungsbarriere verzichtet werden, sofern die Öffnung eine relativ kleine Strömungsquerschnittsfläche aufweist im Verhältnis zum Volumen der Messkammer und dadurch keine zu großen Strömungen innerhalb der Messkammer auftreten.
Vorzugsweise ist die Strömungsbarriere als eine Scheibe mit Bohrungen, ein Wabengitter, ein Drahtgeflecht, eine Scheibe aus offenporigem Metall-, Keramik- oder Kunststoffschaum ausgebildet.
In einer Variante ist die Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht ein Drahtgewebe, eine Scheibe aus offenporigem Metall- oder Keramikschaum.
Zweckmäßig ist die Messkammer mit einer Wasserverdunstungseinheit versehen, um die Feuchtigkeit des Messgases in der Messkammer im Wesentlichen konstant zu halten. Die Wasserverdunstungseinheit kann dabei beispielsweise ein innerhalb der Messkammer angeordneter Wasserbehälter mit einer offenen Oberfläche des Wassers zu dem Messgas innerhalb der Messkammer sein oder durch einen Docht gelangt Wasser aus einem Wasserbehälter in die Messkammer und der Docht ist teilweise innerhalb der Messkammer angeordnet. Mit der Wasserverdunstungseinheit wird die Feuchtigkeit des Messgases innerhalb der Messkammer konstant gehalten, so dass dadurch keine Verfälschungen der Messung der Wärmeleitfähigkeit aufgrund von Schwankungen der Feuchtigkeit auftreten. Die erfassten Schwankungen der Wärmeleitfähigkeit sollen ausschließlich aus Schwankungen der Konzentration des zu messenden Gases resultieren.
In einer weiteren Ausführung wird eine konstante Temperaturdifferenz erzeugt zwischen dem Messchip und dem Messgas, so dass in der Messkammer eine gegenüber dem Messgas reduzierte, relative Luftfeuchte erreicht wird. Eine unerwünschte Kondensation in der Messkammer wird so unterbunden. Zweckmäßigerweise wird die Temperaturdifferenz mit einem Peltierelement oder einer Heizung in der Messkammer erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform sind das elektrische Heizelement und der wenigstens eine Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Messgases auf einem Messchip angeordnet und insbesondere ist der wenigstens eine Temperatursensor als ein elektrisches Thermoelement ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid in Atemluft in einem Beatmungs- oder Anästhesiesystem ist gekennzeichnet durch die Schritte, dass die Wärmeleitfähigkeit der Atemluft in einer Messkammer derart erfasst wird, dass in der Messkammer ein elektrisches Heizelement erwärmt wird, so dass von dem Heizelement das Messgas in der Messkammer erwärmt wird und die Temperatur der von dem Heizelement nicht erwärmten Atemluft in der Messkammer und die Temperatur des Heizelementes gemessen werden und aus der hieraus ermittelten Temperaturdifferenz die Wärmeleitfähigkeit der Atemluft in der Messkammer bestimmt wird, wobei die Kohlendioxidkonzentration durch Vergleich mit der Wärmeleitfähigkeit von einer Gasprobe ermittelt wird, die bei gleicher Gasartzusammensetzung kein Kohlendioxid enthält.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Teil der Atemluft kontinuierlich in die Messkammer eingeleitet und vorzugsweise wird die eingeleitete Atemluft wieder in die Gasleitung zurückgeleitet, so dass ein kontinuierlicher Atemluftaustausch zwischen der Gasleitung und der Messkammer ausgeführt wird.
In einer Variante wird in der Messkammer ein Heizelement, insbesondere ein elektrisches Heizelement mit elektrischem Strom erwärmt, so dass von dem Heizelement das Messgas in der Messkammer erwärmt wird und die Temperatur der vom Heizelement nicht erwärmten Atemluft in der Messkammer und die Temperatur des Heizelementes erfasst werden und aus der hieraus ermittelten Temperaturdifferenz die Wärmeleitfähigkeit der Atemluft in der Messkammer bestimmt wird.
In einer weiteren Variante wird die aus der Gasleitung in die Messkammer geleitete Atemluft (und insbesondere umgekehrt), vorzugsweise ausschließlich, durch eine hydrophobe Membran und/oder eine Strömungsbarriere und/oder einer Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht geleitet.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Atemluft in der Messkammer dahingehend angefeuchtet, dass die Atemluft in der Messkammer eine im Wesentlichen konstante Feuchtigkeit aufweist.
Das Messgas kann der Messkammer bei dem Sensor auch durch Absaugen aus der Gasleitung zugeführt werden. Das aus der Gasleitung abgesaugte Messgas kann dabei in einzelnen Stufen in der Saugleitung aufbereitet werden. Beispielsweise kann die Luft bzw. das Messgas unterhalb des Taupunktes abgekühlt werden und anschließend auf eine vorzugsweise konstante Temperatur erwärmt werden, so dass das Messgas innerhalb der Messkammer eine konstante Feuchtigkeit aufweist. Außerdem weist dadurch das Messgas innerhalb der Messkammer eine konstante Temperatur auf und die Strömungsverhältnisse am Ort der Absaugung, beispielsweise der Gasleitung, spielen aufgrund der Länge der Saugleitung keine Rolle mehr.
Bei der Ausbildung eines Atemluftkreissystems wird das von dem Patienten ausgeatmete Exspirationsgas wenigstens teilweise wieder als Inspirationsgas dem Patienten zugeführt. Dabei wird dem ausgeatmeten Exspirationsgas, vorzugsweise in dem CO₂-Absorber, das Kohlendioxid entzogen und vorzugsweise wird in einem Gasmischer das dem Patienten zuzuführende Inspirationsgas mit einer Mischung aus Sauerstoff, Lachgas oder Luft angereichert.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Beatmungssystems mit einem Sensor zur Erfassung der Konzentration an Kohlendioxid,
2 eine vereinfachte Darstellung des Sensors in einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine vereinfachte Darstellung des Sensors in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 eine vereinfachte Darstellung eines Messchips des Sensors gemäß 2 oder 3 und
5 eine vereinfachte Darstellung eines elektrischen Widerstandsheizelementes mit einem Mittel zur Erfassung der Temperatur des Widerstandsheizelementes.
6 ein Beispiel für eine Messschaltung zur Bestimmung der Kohlendioxidkonzentration aus einem Wärmeleitungsmesssignal,
7 einen Messaufbau mit drei koaxial angeordneten Röhren.
In 1 ist schematisch ein Beatmungssystem 1 in einer ersten Ausführungsform zur künstlichen Beatmung eines Patienten 7 dargestellt. Gasleitungen 10 des Beatmungsgerätes 1 bilden dabei ein Atemkreissystem, bei dem das von dem Patienten ausgeatmete Exspirationsgas für eine Rückatmung als Inspirationsgas wiederverwendet wird. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Beatmungsgerät 1 auch dahingehend ausgebildet sein, dass das Exspirationsgas in die Atmosphäre ausgeleitet wird und als Inspirationsgas Frischgas aus einer zentralen Gasversorgungsanlage oder Luft aus der Umgebung verwendet wird.
Die Atemluft wird mittels einer als Radialverdichter ausgebildeten Gasfördereinrichtung 27 durch die Gasleitungen 10 des Kreissystems geleitet. In der Gasleitung 10 ist ein erstes, inspiratorisches Rückschlagventil 4 und ein zweites exspiratorisches Rückschlagventil 9 angeordnet. Dadurch bildet sich eine Exspirationsgasleitung 8 und eine Inspirationsgasleitung 5 als Teil der Gasleitungen 10 aus. An dem Ende der Inspirations- und Exspirationsgasleitung 5, 8 ist ein Y-Stück 28 angeschlossen, das mittels eines Patientenanschlussstückes 6 das Inspirations- und Exspirationsgas zu dem Patienten 7 leitet. Ein CO₂-Absorber 11 absorbiert das in dem Exspirationsgas enthaltene CO₂. Ferner wird mittels einer nicht dargestellten Zuführeinrichtung frisches Atemgas dem Exspirationsgas zugeführt, um das von dem Patienten 7 verbrauchte Gas zu ersetzen. Ein Handbeatmungsbeutel 3 dient zur zusätzlichen manuellen künstlichen Beatmung des Patienten 7.
Das Beatmungssystem 1 weist einen Sensor 2 zur Messung der Konzentration an Kohlendioxid in der Atemluft, d. h. insbesondere dem Exspirationsgas auf. Der Sensor 2 ist dabei am Y-Stück 28 bzw. an dem Patientenanschlussstück 6 angeordnet. Der Sensor 2 weist eine Messkammer 16 mit einer Öffnung 17 (2 und 3) auf. Innerhalb der Messkammer 16 ist ein Messchip 21 angeordnet. Durch die Öffnung 17 der Messkammer 16 kann Luft aus der Gasleitung 10 in den von der Messkammer 16 eingeschlossenen Innenraum einströmen und auch wieder ausströmen. Dadurch erfolgt ein Austausch des durch die Gasleitung 10 geleiteten Messgases bzw. der Atemluft, die durch die Gasleitung 10 strömt und der Atemluft in der Messkammer 16 (2 und 3). In dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Sensors 2 ist die Öffnung 17 vollständig von einer hydrophoben Membran 18, einer Strömungsbarriere 19 und einer Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht 20 verschlossen. Die hydrophobe Membran 18 verhindert, dass Wasser, insbesondere Kondenswasser, aus der Gasleitung 10 in die Messkammer 16 eindringt. Die Strömungsbarriere 19 ermöglicht einerseits einen Austausch des Messgases zwischen der Gasleitung 10 und dem Messgas innerhalb der Messkammer 16. Dabei verhindert jedoch die Strömungsbarriere 19 stärkere Strömungen innerhalb der Messkammer 16, so dass dadurch die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Messgases in der Messkammer 16 an dem Messchip 21 nicht verfälscht wird. Die Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht 20 bewirkt, dass das Messgas bzw. die Atemluft innerhalb der Messkammer 16 eine im Wesentlichen konstante Feuchtigkeit und/oder Temperatur aufweist.
Während des Einatmens des Patienten 7 durch das Patientenanschlussstück 6 weist das Inspirationsgas eine geringere Feuchtigkeit und eine geringere Temperatur auf als das anschließend ausgeatmete Exspirationsgas, welche ebenfalls durch das Patientenanschlussstück 6 als Gasleitung 10 strömt. Um derartige Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen des Messgases innerhalb der Messkammer 16 auszugleichen, ermöglicht die Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht 20, dass diese Schwankungen ausgeglichen werden und dadurch eine im Wesentlichen konstante Feuchtigkeit und/oder Temperatur, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 20%, 10%, 5% oder 2%, auftritt. Der in 3 dargestellte Sensor 2 unterscheidet sich im Wesentlichen von dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Sensors 2 dadurch, dass die Öffnung 17 der Messkammer 16 nicht von der Strömungsbarriere 19 verschlossen ist. Dies ist möglich, da die Strömungsquerschnittsfläche der Öffnung 17 im dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 wesentlich kleiner ist als die Strömungsquerschnittsfläche der Öffnung 17 in dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2. Dadurch treten auch bei einem Durchströmen von Messgas bzw. Atemluft durch die Gasleitung 10 auch ohne der Strömungsbarriere 19 innerhalb der Messkammer 16 nur sehr geringe oder keine Strömungen an Messgas auf. Ein ausreichender Austausch des Messgases zwischen dem Messgas in der Gasleitung 10 und dem Messgas innerhalb des Messkammer 16 ist dabei gewährleistet.
In 4 ist der Messchip 21 dargestellt. Zentrisch auf den Messchip 21 befindet sich ein elektrisches Heizelement 12, welches als ein Widerstandsheizelement ausgeführt ist. Durch das elektrische Heizelement 12 wird durch Stromleitungen elektrischer Strom geleitet, so dass sich dadurch das elektrische Heizelement 12 erwärmt. In einem sehr geringen Abstand zu dem elektrischen Heizelement 12 sind vier Temperatursensoren 13, 14 angeordnet, welche zur Messung bzw. Erfassung der Temperatur des elektrischen Heizelementes 12 dienen. Die Temperatursensoren 13, 14 sind dabei vorzugsweise als Thermoelemente ausgebildet. Am äußeren Rand des Messchips 21 sind in einem großen Abstand zu dem elektrischen Heizelement 12 vier weitere Temperatursensoren 15 angeordnet. Mittels dieser Temperatursensoren 15, ebenfalls vorzugsweise als Thermoelemente ausgebildet, wird die Temperatur des vom Heizelement 12 nicht erwärmten Messgases bzw. der Atemluft innerhalb der Messkammer 16 erfasst bzw. gemessen. Wird das Heizelement 12 z. B. mit einer konstanten elektrischen Heizleistung versorgt, dann tritt bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeleitung des Messgases bzw. der Atemluft innerhalb der Messkammer 16 eine geringe Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der von den Temperatursensoren 13, 14 erfassten Temperatur des elektrischen Heizelementes 12 und der von den Temperatursensoren 15 erfassten Temperatur der Atemluft bzw. des Messgases auf. Bei einer kleinen Wärmeleitfähigkeit der Atemluft bzw. des Messgases in der Messkammer 16 tritt entsprechend eine große Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatursensor 15 und den Temperatursensoren 13, 14 auf. Dadurch kann aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 15 und 13, 14 die Wärmeleitfähigkeit der Atemluft in der Messkammer 16 bestimmt werden. Bei einer großen Wärmeleitfähigkeit der Atemluft wird eine große Wärmemenge mittels Wärmeleitung von dem elektrischen Heizelement 12 zu dem Atemgas in dem Bereich des Temperatursensors 15 geleitet und umgekehrt.
Das von dem Patienten 7 eingeatmete Inspirationsgas besteht im Wesentlichen aus den Komponenten Sauerstoff und Stickstoff. Das von dem Patienten ausgeatmete Exspirationsgas weist neben den Komponenten Sauerstoff und Stickstoff auch noch zu einem geringeren Anteil die Komponente Kohlendioxid mit ungefähr 4 bis 6 Vol.-% auf. Dabei weisen Sauerstoff und Stickstoff eine im Wesentlichen gleiche Wärmeleitfähigkeit auf. Kohlendioxid weist hingegen eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf als Sauerstoff und Stickstoff. Die Wärmeleitfähigkeit von Sauerstoff beträgt dabei λ = 261 × 10^–4 W/mK, die von Stickstoff beträgt 256 × 10^–4 W/mK und die Wärmeleitfähigkeit von Kohlendioxid beträgt lediglich 164 × 10⁴ W/mK. Das von dem Patienten ausgeatmete Exspirationsgas weist dabei somit eine höhere Konzentration an Kohlendioxid auf und damit sinkt die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit des Exspirationsgases ab bezüglich der Wärmeleitfähigkeit des Inspirationsgases. Das Exspirationsgas weist dabei eine geringere Konzentration an Sauerstoff auf, dies hat jedoch keine wesentliche Auswirkung auf die Wärmeleitfähigkeit des Exspirationsgases, weil Sauerstoff und Stickstoff eine im Wesentlichen gleiche Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Aus der von dem Messchip 21 erfassten Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 15 und den Temperatursensoren 13, 14 kann somit die Wärmeleitfähigkeit der Atemluft bestimmt werden. Und aus der Wärmeleitfähigkeit der Atemluft kann wiederum die Konzentration an Kohlendioxid bestimmt oder berechnet werden. Damit ist es in dem vorliegenden Beatmungssystem 1 möglich, in einfacher Weise die Konzentration an Kohlendioxid zu messen. Dabei wird von einer nicht dargestellten elektrischen Schaltung oder einem Mikrocontroller aus den Messsignalen der Temperatursensoren 13, 14 und 15 die Konzentration an Kohlendioxid bestimmt.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein elektrisches Heizelement 12 mit Temperatursensor 14 sowie Temperatursensor 15 abgebildet, welcher beispielsweise in der Messkammer 16 gemäß 2 und 3 angeordnet werden kann. Als elektrisches Heizelement 12 wird ein elektrischer Heizdraht genutzt, der durch Stromleitungen 25 mit einer Stromquelle 22 verbunden ist. Ein Spannungsmessgerät 23 misst die Spannung an dem elektrischen Widerstandsheizelement 12 und ein Strommessgerät 24 erfasst die durch die Stromleitung 25 fließenden Strom. Der elektrische Widerstand des elektrischen Heizelementes 12 hängt dabei von der Temperatur des elektrischen Heizelementes 12 ab. Eine Auswerteeinheit 26 erfasst aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom den elektrischen Widerstand des elektrischen Heizelementes 12 und aus diesem gemessenen oder erfassten elektrischen Widerstand des elektrischen Heizelementes 12 kann die Temperatur des elektrischen Heizelementes 12 bestimmt oder berechnet werden. Somit stellen die Auswerteeinheit 26, das Strommessgerät 24 und das Spannungsmessgerät 23 ein Mittel 13 zur Erfassung der Temperatur des elektrischen Heizelementes 12 dar, wie die Temperatursensoren 14 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Beatmungssystem 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Konzentration an Kohlendioxid in der Gasleitung 10 als Patientenanschlussstück 6 kann mit dem Sensor 2 auf einfache Weise erfasst werden. Der Sensor 2 ist damit in der Herstellung preiswert und die Strömungsgeschwindigkeit sowie Temperatur- oder Feuchtigkeitsschwankungen der Atemluft in der Gasleitung 10 wirken sich nicht auf die Messkammer 16 aus, so dass dadurch mit dem einfachen physikalischen Verfahren der Messung der Wärmeleitfähigkeit der Atemluft innerhalb der Messkammer 16 zuverlässig die Konzentration an Kohlendioxid in der Atemluft bestimmt werden kann.
6 zeigt beispielhaft eine Messschaltung zur Bestimmung der Kohlendioxidkonzentration aus dem Wärmeleitungsmesssignal.
Während der Einschaltphase heizt eine Spannungsquelle U1 über einen Widerstandsheizer 29 einen Membranträger 30 auf, der mit einem Thermopile 31 versehen ist. Das Thermopile 31 ist auf dem Membranträger 30 so angeordnet, dass erste Verbindungsstellen des Thermopiles 31 auf dem Membranträger 30 aufliegen und sich auf dem Temperaturniveau des Membranträgers 30 befinden, während zweite Verbindungsstellen auf einem Chiprahmen 32 befestigt sind und Umgebungstemperatur haben. Je nach Wärmeleitungseigenschaften des umgebenden Gases gibt das Thermopile 31 eine unterschiedliche, temperaturproportionale Messspannung an den Vorverstärker V1 ab. Gleichzeitig wird durch ein aus CR, RR, R8 und der dazugehörigen Diode sowie Verstärker V3 gebildetes Monoflop für eine definierte Zeit ein Schalter 33 geschlossen, der es Verstärker V2 gestattet, über einen niederohmigen Widerstand R3, von z. B. 22 Ohm, den Kondensator C1 auf den Wert der von V1 verstärkten Thermospannung aufzuladen. Da R2 sehr viel größer ist, z. B. 4 Gigaohm, als R3, wird diese Spannung von C1 nach Öffnen des Schalters im Wesentlichen unverändert gehalten. Es handelt sich daher bei dem um V2 aufgebauten Schaltungsteil um eine Abtast- und Halteschaltung, die die Aufgabe hat, die im zeitlichen Verlauf niedrigste Thermopilespannung, welche in CO2-freiem, feuchten Gas, also während der Inspirationsphase auftritt, für eine gewisse Zeit im Kondensator C1 zu speichern. Wenn feuchtes, CO2-freies Gas zu dem Thermopile 31 gelangt, reduziert sich die Arbeitstemperatur und damit die entsprechende Thermospannung etwas und D1 wird leitend, wodurch C1 über den ebenfalls niederohmigen Widerstand R1, von z. B. 1 KOhm, den Kondensator C1 entlädt, bis C1 das Niveau der „feuchten, CO2-freien” Thermospannung erreicht hat.
In der Exspirationsphase bewirkt der CO2-Anteil eine annähernd proportionale Erhöhung der Temperatur bzw. der Thermopilespannung, so dass D1 sperrt und der Inspiratonswert festgehalten wird. Da R2 sehr viel hochohmiger ist, verändert er diesen Referenzwert nur sehr langsam, was zur Kompensation langsamer Driften erforderlich ist. Es stehen so zwei Signale zur Verfügung: Ein atemzugsynchrones Wärmeleitungsmesssignal und ein in jedem Atemzyklus aufgefrischtes Inspirationssignal, was über den Verstärker V4 impedanzgewandelt wird. Der aus Verstärker V5 und R4–R7 gebildete Subtrahiererverstärker hat dann die Aufgabe, die Differenz aus den beiden Signalen zu bilden. Da sich Inspirations- und Exspirationsluft im Wesentlichen durch den CO2-Gehalt unterscheiden, wird so der durch das CO2 verursachte Wärmeleitungsanteil bzw. die entsprechende Temperaturdifferenz bestimmt und über den Verstärker V6 an dem Messgerät 34 als ein der CO2 Konzentration proportionaler Messwert zur Anzeige gebracht.
7 veranschaulicht einen Messaufbau 35, bei welchem der vom Chiprahmen 32 aufgenommene Membranträger 30 innerhalb von drei koaxial angeordneten Röhren 36, 37, 38 liegt. Eine innere Röhre 36, die eine Länge zwischen 3 mm und 10 mm und einem lichten Durchmesser von etwa 5 mm hat, wird direkt auf den Chiprahmen 32 geklebt, so dass sich der Membranträger 30 ganz im Inneren befindet. Eine mittlere Röhre 37 ist etwas oberhalb des Chiprahmens 32 angeordnet mit einem ersten Ringspalt 39 zur inneren Röhre 36. Die Spaltbreite des ersten Ringspaltes 39 ist kleiner 1 mm. Eine äußere Röhre 38 umgibt die mittlere Röhre 37 mit einem zweiten Ringspalt 40. Das Messgas strömt längs der Pfeile 41 vom zweiten Ringspalt 40 in den ersten Ringspalt 39. Der Gasaustausch mit der inneren Röhre 36, an dessen Boden sich der Membranträger 30 befindet, erfolgt im Wesentlichen durch Diffusion, schematisch durch die Pfeile 42 veranschaulicht. Der Messaufbau 35 kombiniert die Vorteile eines schnellen Gaszutritts mit einer geringen Flussabhängigkeit bei gleichzeitig kompakter Bauweise
Bezugszeichenliste

1: Beatmungssystem
2: Sensor
3: Handbeatmungsbeutel
4: erstes Rückschlagventil, inspiratorisch
5: Inspirationsgasleitung
6: Patientenanschlussstück
7: Patient
8: Exspirationsgasleitung
9: zweites Rückschlagventil, expiratorisch
10: Gasleitung
11: CO₂-Absorber
12: elektrisches Heizelement
13: Mittel zur Erfassung der Temperatur des elektrischen Widerstandsheizelementes
14: Temperatursensor für Widerstandsheizelement
15: Temperatursensor für Atemluft
16: Messkammer
17: Öffnung
18: hydrophobe Membran
19: Strömungsbarriere
20: Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht
21: Messchip
22: Stromquelle
23: Spannungsmessgerät
24: Strommessgerät
25: Stromleitung
26: Auswerteeinheit
27: Gasfördereinrichtung
28: Y-Stück
29: Widerstandsheizer
30: Membranträger
31: Thermopile
32: Chiprahmen
33: Schalter
34: Messgerät
35: Messaufbau
36: innere Röhre
37: mittlere Röhre
38: äußere Röhre
39: erster Ringspalt
40: zweiter Ringspalt
41: Pfeil
42: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10037380 B4 [0004]
DE 19637520 C1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid in einer Gasprobe durch Messung deren Wärmeleitfähigkeit umfassend – ein elektrisches Heizelement (12, 29), – ein Mittel (13, 14) zur Erfassung der Temperatur des Heizelementes (12), – wenigstens einen Temperatursensor (15) zur Erfassung der Temperatur des von dem Heizelement (12, 29) nicht erwärmten Messgases, so dass aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Heizelementes (12, 29) und der vom Temperatursensor (15) erfassten Temperatur die Wärmeleitfähigkeit der Gasprobe ermittelbar ist, wobei das Heizelement (12, 29) und der wenigstens eine Temperatursensor (15) in einer Messkammer (16) mit einer zur Gasprobe führenden Öffnung (17) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasleitung (10) zum Durchleiten des Messgases vorhanden ist und die Öffnung (17) der Messkammer (16) in die Gasleitung (10) mündet, so dass das Messgas aus der Gasleitung (10) in die Messkammer (16) gelangt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (17) mit einer hydrophoben Membran (18) verschlossen ist und/oder die Öffnung (17) mit einer Strömungsbarriere (19) verschlossen ist und/oder die Öffnung (17) mit einer Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht (20) verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Membran (18) und/oder die Strömungsbarriere (19) und/oder die Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht (20) in Richtung von der Gasleitung (10) zu der Messkammer (16) und umgekehrt gasdurchlässig ist, so dass ein ständiger Gasaustausch zwischen der Gasleitung (10) und der Messkammer (16) ausführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsbarriere (19) als eine Scheibe mit Bohrungen, ein Wabengitter, ein Drahtgeflecht, eine Scheibe aus offenporigem Metallschaum oder eine Scheibe aus offenporigen Schaum ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht (20) ein Drahtgewebe, eine Scheibe aus offenporigem Metall- oder Keramikschaum ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (16) mit einer Wasserverdunstungseinheit versehen ist, um die Feuchtigkeit des Messgases in der Messkammer (16) im Wesentlichen konstant zu halten.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (13, 14) zur Erfassung der Temperatur des Heizelementes (12, 29) und der wenigstens eine Temperatursensor (15) zur Erfassung der Temperatur des vom Heizelement (12, 29) nicht erwärmten Messgases als ein elektrisches Thermoelement, bevorzugt als ein Thermopile (31) ausgebildet ist.
Verfahren zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid in Atemluft in einem Beatmungs- oder Anästhesiesystem (1), gekennzeichnet durch die Schritte, dass die Wärmeleitfähigkeit der Atemluft in einer Messkammer (16) derart erfasst wird, dass in der Messkammer ein elektrisches Heizelement (12, 29) erwärmt wird, so dass von dem Heizelement (12, 29) das Messgas in der Messkammer (16) erwärmt wird und die Temperatur der von dem Heizelement (12, 29) nicht erwärmten Atemluft in der Messkammer (16) und die Temperatur des Heizelementes (12, 29) gemessen werden und aus der hieraus ermittelten Temperaturdifferenz die Wärmeleitfähigkeit der Atemluft in der Messkammer (16) bestimmt wird, wobei die Kohlendioxidkonzentration durch Vergleich mit der Wärmeleitfähigkeit von einer Gasprobe ermittelt wird, die bei gleicher Gasartzusammensetzung kein Kohlendioxid enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Messkammer (16) gelangte Atemluft, vorzugsweise ausschließlich, durch eine hydrophobe Membran (18) und/oder eine Strömungsbarriere (19) und/oder eine Feuchte- und/oder Wärmespeicherschicht (20) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemluft in der Messkammer (16) dahingehend konditioniert wird, dass die Atemluft in der Messkammer (16) eine im Wesentlichen konstante Feuchtigkeit aufweist.