DE10228497A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Anteils eines für die Stoffwechselfunktion eines atmenden Lebewesens charakteristischen Bestandteils in der von dem Lebewesen ausgeatmeten Luft - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Anteils eines für die Stoffwechselfunktion eines atmenden Lebewesens charakteristischen Bestandteils in der von dem Lebewesen ausgeatmeten Luft Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Anteils A¶a,1¶ eines ersten, für die Stoffwechselfunktion eines atmenden Lebewesens charakteristischen Bestandteils in der von dem Lebewesen ausgeatmeten Luft, insbesondere des Anteils an Kohlendioxid (CO¶2¶) oder an Sauerstoff (O¶2¶), wobei die ausgeatmete Luft mindestens zwei Bestandteile (i = 1, 2, ...) mit jeweils einem Anteil A¶a,i¶ aufweist, und wobei die Molekulargewichte M¶i¶ und die Adiabatenkoeffizienten k¶i¶ der Bestandteile bekannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit v¶S¶ in der ausgeatmeten Luft gemessen wird, und daß der Anteil A¶a,1¶ des ersten Bestandteils in der ausgeatmeten Luft berechnet wird unter Verwendung der gemessenen Schallgeschwindigkeit v¶S¶, der Temperatur T der ausgeatmeten Luft und der Beziehung M¶G¶/k¶G¶ = R x (T/v¶S¶·2·), wobei für das Molekulargewicht M¶G¶ der ausgeatmeten Luft gilt M¶G¶ = Summe (A¶a,i¶ x M¶i¶), i = 1, 2, ..., und für den Adiabatenkoeffizient k¶G¶ der ausgeatmeten Luft gilt 1/(1 - k¶G¶) = Summe (A¶a,i¶/(1 - k¶i¶)), i = 1, 2, ..., und R die allgemeine Gaskonstante ist, sowie eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Anteils eines für die Stoffwechselfunktion eines atmenden Lebewesens charakteristischen Bestandteils in der von dem Lebewesen ausgeatmeten Luft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine zugehörige Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.
  • Sowohl für diagnostische Zwecke als auch für länger andauernde Überwachungen, beispielsweise von Patienten auf der Intensivstation eines Krankenhauses oder im Schlaflabor, ist alternativ oder ergänzend zur Elektrokardiographie oder der Messung der Sauerstoffsättigung im Blut der Anteil des Bestandteils Kohlendioxid (CO2) in der ausgeatmeten Luft eine wichtige Meßgröße. Die aus der EP 0 309 666 A1 , DE 39 36 825 C2 oder US 5,159,934 bekannten Verfahren lehren diesbezüglich die Bestimmung des CO2-Anteils in der Atemluft durch Messung der Absorption von infraroter Strahlung.
  • Bei dem sogenannten „Mainstreamverfahren" ist die Absorptionsstrecke für die infrarote Strahlung direkt im Atemweg des Patienten angeordnet. Dies hat den Nachteil, daß das Meßergebnis durch Feuchtigkeitsniederschlag auf den optischen Elementen verfälscht werden kann. Beim sogenannten „Sidestreamverfahren" wird ein geringer Teil der ausgeatmeten Luft abgesaugt und entfernt vom Patienten spektroskopisch vermessen. Abgesehen von der Gefahr einer möglichen Verstopfung des Absaugschlauches hat dieses Verfahren den Nachteil, daß geringe Schwankungen der CO2-Konzentration, die diagnostisch wichtige Informationen enthalten können, in der Praxis in der Regel meßtechnisch nicht nachweisbar sind.
  • Die EP 0 653 919 B1 und CH 669 463 A5 zeigen ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeit, Durchflußvolumen, Temperatur und mittleren Molekulargewichten von Gasen und Gasgemischen. Soweit die Messung der Molekulargewichte zur Bestimmung diverser Ausatmungsparameter in der Lungenfunktionsdiagnostik eingesetzt werden, lehren diese Dokumente, einen separaten Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxid oder von Sauerstoff einzusetzen.
  • Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren bzw. eine zugehörige Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere soll die Ermittlung des Anteils eines für die Stoffwechselfunktion charakteristischen Bestandteils dauerhaft zuverlässig sowie mit hoher Meßgeschwindigkeit und mit geringem Aufwand möglich sein und die zugehörige Vorrichtung soll kostengünstig in der Herstellung und im Betrieb sowie robust und leicht zu reinigen sein.
  • Ferner soll diese Vorrichtung nur ein geringes Gewicht haben und mit Heißdampf sterilisierbar sein.
  • Das Problem ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Verfahren bzw. durch die im nebengeordneten Anspruch bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
  • Das Problem ist durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Anteils Aa,1 eines ersten, für die Stoffwechselfunktion eines atmenden Lebewesens charakteristischen Bestandteils in der von dem Lebewesen ausgeatmeten Luft, insbesondere des Anteils an Kohlendioxid (CO2) oder an Sauerstoff (O2), wobei die ausgeatmete Luft mindestens zwei, in der Regel jedoch vier Bestandteile (i = 1, 2,...) mit jeweils einem Anteil Aa,i aufweist, und wobei die Molekulargewichte Mi und die Adiabatenkoeffizienten ki der Bestandteile bekannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit vS in der ausgeatmeten Luft gemessen wird, und daß der Anteil Aa,1 des ersten Bestandteils in der ausgeatmeten Luft berechnet wird unter Verwendung der gemessenen Schallgeschwindigkeit vS, der Temperatur T der ausgeatmeten Luft und der Beziehung MG/kG = R × (T/ vS 2), wobei für das Molekulargewicht MG der ausgeatmeten Luft gilt MG = Summe (Aa,i × Mi), i = 1, 2,..., und für den Adiabatenkoeffizient kG der ausgeatmeten Luft gilt 1/(1 – kG) = Summe (Aa,i/(1 – ki)), i = 1, 2,..., und R die allgemeine Gaskonstante ist.
  • Dieses Verfahren bietet unter anderem den Vorteil, daß der Adiabatenkoeffizient kG für das Gasgemisch der ausgeatmeten Luft weder exakt berechnet werden muß, noch exakt experimentell ermittelt werden muß. Vielmehr genügt es, daß gemäß der angegebenen Beziehung der Quotient aus dem Molekulargewicht MG und dem Adiabatenkoeffizient kG nach meßtechnischer Ermittlung der Schallgeschwindigkeit sowie bei bekannter Temperatur T bestimmt ist.
  • Soweit nachfolgend nichts anderes angegeben ist, handelt es sich bei den Anteilen der Bestandteile jeweils um prozentuale Volumenanteile bezogen auf das Gesamtvolumen der eingeatmeten bzw. ausgeatmeten Luft. Grundsätzlich enthält sowohl die eingeatmete als auch die ausgeatmete Luft Feuchtigkeit. Der Gehalt der Feuchtigkeit ist in der Regel bei der ausgeatmeten Luft höher als bei der eingeatmeten Luft.
  • Grundsätzlich kommt für viele Anwendungsfälle sowohl die Ermittlung des Anteils von Kohlendioxid als auch des Anteils von Sauerstoff als charakteristischer Bestandteil in Betracht. Da allerdings die relativen Änderungen der Anteile zwischen eingeatmeter und ausgeatmeter Luft bei Kohlendioxid in der Regel größer sind als beim Sauerstoff soll nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung dieser Fall bevorzugt betrachtet werden.
  • Bei normalen Umgebungsbedingungen beträgt für trockene Luft (Feuchtigkeitsgehalt = 0) der Anteil Aet,1 des ersten Bestandteils Kohlendioxid (CO2) 0,034 %. Der Anteil Aet,2 des zweiten Bestandteils Sauerstoff (O2) beträgt typisch 20,95 %. Der Anteil Aet,3 des dritten Bestandteils inerter Gase, insbesondere Stickstoff (N2), beträgt typisch 79,015 %. Diese Anteile sind natürlich gegeben und bekannt. Der vierte Bestandteil ist Wasserdampf oder Feuchtigkeit. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dadurch, daß der Feuchtigkeitsgehalt der eingeatmeten Luft aus der Umgebungstemperatur, der relativen Feuchte und des Luftdruckes berechnet wird, durch Messung der Schallgeschwindigkeit ermittelt werden, ob Abweichungen von dieser Zusammensetzung vorliegen. Die allgemeine Gaskonstante R beträgt 8,314 Ws/(K × mol).
  • Das Molekulargewicht MG des Gasgemisches der ausgeatmeten Luft bestimmt sich aus der Summe der Produkte der Anteilen Aa,i der einzelnen Bestandteile der ausgeatmeten Luft und der Molekulargewichte Mi der einzelnen Bestandteile, die bekannt sind und beispielsweise einschlägigen Fachbüchern entnommen werden können. Der Adiabatenkoeffizient kG des Gasgemisches der ausgeatmeten Luft ist durch die Anteile Aa,i der Bestandteile der ausgeatmeten Luft und durch die bekannten und beispielsweise aus Fachbüchern entnehmbaren Adiabatenkoeffizienten ki der Bestandteile der ausgeatmeten Luft zu bestimmen. Mithin lassen sich die angegebenen Gleichungen derart miteinander verknüpfen, daß eine eindeutige Lösung für den zu ermittelnden Anteil Aa,1 des ersten Bestandteils berechnet werden kann, wenn man davon ausgeht, daß das Volumen des Inertgases in der eingeatmeten und der ausgeatmeten Luft gleich groß ist und eine Abschätzung für den Respirationsquotienten RQ angenommen wird.
  • In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung ist die Summe aus dem Anteil Aa,1 des ersten Bestandteils und einem Anteil Aa,2 eines zweiten Bestandteils in der ausgeatmeten Luft im wesentlichen gleich der Summe der Anteile Ae,1 und Ae,2 dieser Bestandteile in der eingeatmeten Luft, die bekannt sind oder separat gemessen werden können. Insbesondere sind die Summen der Kohlendioxid- und Sauerstoffanteile in dem Trockenluftanteil der eingeatmeten und ausgeatmeten Luft im wesentlichen gleich groß.
  • Der Respirationsquotient RQ ist definiert als das Volumen von abgegebenem Kohlendioxidvolumen zu aufgenommenem Sauerstoffvolumen und liegt gemäß Literaturangaben zwischen 0,7 oder 0,8 und 1, abhängig beispielsweise von der Ernährung des Patienten. Für einen Respirationsquotienten RQ kleiner 1 ist deshalb das ausgeatmete Volumen kleiner als das eingeatmete Volumen.
  • Dieser Umstand wir im Berechnungsalgorithmus folgendermaßen berücksichtigt. Es sei Va + Ve das durchschnittliche und bezüglich der Temperatur und Feuchte normierte Atemzugvolumen mit Ve für das eingeatmete und Va für das ausgeatmete Luftvolumen. Beispielsweise sei das Atemzugvolumen normiert auf eine Feuchte von 0 %, d.h. trockene Luft, und eine vorgebbare Temperatur, beispielsweise Körpertemperatur. Dementsprechend gilt für das Inertgas
    Ve × Aet,3 = Va × Aat,3
    oder bei Einführen eines Faktors f
    Aat,3 = f × Aet,3 bzw.
    f = Aat,3/Aet,3 = Ve/Va
  • Es ist daher vorteilhaft, wenn in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Inertgas-Anteil der ausgeatmeten Luft gleich dem Inertgas-Anteil der eingeatmeten Luft multipliziert mit dem Faktor f gesetzt wird.
  • Für die Differenz von eingeatmetem und ausgeatmeten Volumen gilt
    Ve – Va = (Aet,1 + Aet,2 + Aet,3) × Ve – (Aat,1 – Aat,2 + Aat,3) × Va
    und wenn der Anteil Aet,1 des eingeatmeten Kohlendioxids in der trockenen Luft vernachläßigt wird (Aet,1 = 0) sowie das sich durch die Atmung nicht verändernde Volumen des Inertgas-Bestandteils berücksichtigt wird (Aet,3 × Ve = Aat,3 × Va)
    Ve – Va = Aet,2 × Ve – (Aat,1 – Aat,2) × Va .
  • Zusammen mit der Gleichung für den Respirationsquotient RQ, für die unter Vernachlässigung des Anteils Aet,1 des eingeatmeten Kohlendioxids gilt
    RQ = Aat,1 × Va/(Aet,2 × Ve – Aat,2 × Va),
    erhält man die Beziehung
    f = 1 + Aat,1 × (1/RQ – 1)
    mit das Verhältnis Ve/Va abgeschätzt werden kann. Für RQ = 1 ist f = 1 und für RQ = 0,8 mit Aat,1 = 0,06 ist f = 1,02.
  • Für viele Anwendungen wird eine ausreichende Genauigkeit erreicht, wenn für den Faktor f mit einem Wert entsprechend einem Respirationsquotient RQ von 0,85 gerechnet wird. Soweit genauere Meßwerte der Kohlendioxidkonzentration erforderlich sind, können ein- und ausgeatmetes Volumen meßtechnisch erfaßt und der Faktor f präzisiert werden.
  • Der in der ausgeatmeten Luft in der Regel enthaltene Anteil eines vierten Bestandteils, nämlich Feuchtigkeit, kann für viele Anwendungsfälle als gesättigter Wasserdampf angenommen werden. Der Anteil der Feuchtigkeit wird demzufolge von der Temperatur T der ausgeatmeten Luft und dem barometrischen Luftdruck Pbar bestimmt und kann daher von diesen Werten abgeleitet werden.
  • Für viele Anwendungsfälle kann es ausreichend sein, daß für die Temperatur T der ausgeatmeten Luft die Körpertemperatur des untersuchten Lebewesens angenommen wird. Diese Körpertemperatur kann entweder separat meßtechnisch ermittelt werden, ein empirisch gewonnener Wert verwendet werden, der auch die konkrete Meßanordnung berücksichtigen kann, oder es kann ein üblicher Wert angenommen werden, beispielsweise bei einem Menschen eine Temperatur von 37°C.
  • Sofern eine höhere Meßgenauigkeit gefordert wird, kann die Temperatur T der ausgeatmeten Luft auch direkt meßtechnisch ermittelt werden. Hierfür bieten sich aus dem Stand der Technik zahlreiche Meßverfahren an, beispielsweise mittels Thermoelementen oder temperaturabhängigen Widerständen.
  • Für viele Anwendungsfälle wird es jedoch vorteilhaft sein, die Temperatur T der ausgeatmeten Luft mit einem Taupunktsensor meßtechnisch zu ermitteln. Dabei wird die Temperatur einer Betauungsfläche so eingeregelt, daß sich ein gerade noch feststellbarer Feuchtigkeitsniederschlag bildet, der auf verschiedene Weise detektiert werden kann, beispielsweise optisch aufgrund des veränderten Reflexions- oder Transmissionsverhaltens, durch Änderung eines elektrischen Widerstandes, einer elektrischen Kapazität oder der mechanischen Schwingeigenschaften.
  • Für die Messung der Schallgeschwindigkeit vS wird vorzugsweise ein Ultraschallsignal eingesetzt, beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 50 und 200 kHz, insbesondere etwa 120 kHz. Die Messung der Schallgeschwindigkeit erfolgt dabei im wesentlichen rechtwinklig zur Hauptströmrichtung der ausgeatmeten Luft. Dadurch sind Störeffekte ausgeschaltet, wie sie beispielsweise durch Luftverwirbelungen beim Ein- und Ausatmen entstehen können. Der Meßwert der Schallgeschwindigkeit vS der ausgeatmeten Luft kann dadurch verifiziert werden, daß auch die Schallgeschwindigkeit der eingeatmeten Luft gemessen wird, deren Zusammensetzung und damit die zu erwartende Schallgeschwindigkeit bekannt ist. Nur bei ausreichender Übereinstimmung des für die eingeatmete Luft gemessenen Wertes mit dem erwarteten Wert wird der Meßwert der Schallgeschwindigkeit der ausgeatmeten Luft für gültig erachtet.
  • Die Erfindung ist auch durch eine Vorrichtung zum Ausführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens gelöst, wobei die Vorrichtung eine erste Meßeinrichtung zum Messen der Schallgeschwindigkeit vS der ausgeatmeten Luft aufweist, elektronische Speichermittel zum Speichern der Molekulargewichte Mi und Adiabatenkoeffizienten ki der Bestandteile der Atemluft aufweist, und elektronische Rechenmittel zum Berechnen des Anteils Aa,1 des ersten Bestandteils aufweist. Die elektronischen Rechenmittel und elektronischen Speichermittel können vorzugsweise in einer Baueinheit ausgeführt sein und beispielsweise als Einsteckkarte für einen handelsüblichen Personalcomputer oder für ein bereits bestehendes medizintechnisches Grundgerät vorgesehen sein. Die Werte für die Molekulargewichte M1 und/oder die Adiabatenkoeffizienten ki können fest vorgegeben oder programmierbar bzw. vorgebbar sein.
  • In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung ist die erste Meßeinrichtung mit einer ersten Meßachse in einem Atemrohr zwischen einem Mundstück und einer Öffnung angeordnet, über welche die ausgeatmete Luft abströmen kann. Die Meßmittel der ersten Meßeinrichtung sind vorzugsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten des Atemrohres angeordnet. Vorzugsweise ist die erste Meßachse zur Messung der Schallgeschwindigkeit vS so ausgerichtet, daß sie mit der Längsachse des Atemrohrs im Bereich der erstem Meßeinrichtung einen im wesentlichen rechten Winkel einschließt.
  • In einer besondere Ausführungsart der Erfindung weist die Vorrichtung eine zweite Meßeinrichtung mit einer zweiten Meßachse in dem Atemrohr auf, die so angeordnet ist, daß die zweite Meßachse mit der Längsachse des Atemrohrs im Bereich der zweiten Meßeinrichtung einen spitzen Winkel einschließt. Vorzugsweise schließen die erste und die zweite Meßachse einen im wesentlichen rechten Winkel ein. Durch die zweite Meßeinrichtung kann insbesondere das Volumen der eingeatmeten Luft und/oder der ausgeatmeten Luft und damit das Verhältnis f = Ve/Va meßtechnisch ermittelt werden. Weiterhin lassen sich durch die zweite Meßeinrichtung weitere Parameter der Atemluft wie ermitteln, wie beispielsweise der Volumenstrom oder die Strömungsgeschwindigkeit.
  • In einer besonderen Ausführungsart wird mittels eines Sensors die Temperatur der ausgeatmeten und/oder eingeatmeten Luft gemessen. Vorzugsweise wird hierfür ein Taupunktsensor verwendet, d.h. ein Sensor, dessen Temperatur so eingestellt wird, daß die Feuchtigkeit in dem den Sensor umgebenden Gas zu kondensieren beginnt. Gegebenenfalls kann sowohl ein Taupunktsensor als auch ein separater Temperatursensor verwendet werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
  • 1 zeigt eine Seitenansicht eines Querschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäße Vorrichtung,
  • 2 zeigt eine Vorderansicht gemäß II auf die Vorrichtung der 1,
  • 3 zeigt eine Draufsicht eines Querschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäße Vorrichtung, und
  • 4 zeigt eine Seitenansicht eines Querschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäße Vorrichtung.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines selbständig atmenden Patienten beschrieben. In diesem Fall sei die Zusammensetzung der eingeatmeten Luft bekannt. Wenn man die Anteile der inerten Bestandteile der Luft, insbesondere des Stickstoffs und weiterer Edelgase, zu einem inerten Gasgemisch zusammenfaßt, das beim Atemvorgang chemisch nicht verändert wird, können die Volumenanteile der eingeatmeten, trockenen Luft bezogen auf das Gesamtvolumen der eingeatmeten Luft wie folgt angegeben werden:
    Kohlendioxid: Aet,1 = 0,034
    Sauerstoff: Aet,2 = 20,950
    inerte Gase: Aet,3 = 79,015
    Feuchtigkeit: Aet,4 = 0 Für die Volumenanteile der ausgeatmeten Luft ergeben sich für das vorliegende Ausführungsbeispiel:
    Für die Temperatur T der ausgeatmeten Luft wird die Körpertemperatur des Patienten angenommen. Für den Feuchtigkeitsgehalt der ausgeatmeten Luft wird Sättigung angenommen. Demzufolge ist der Sättigungsdruck PS der Feuchtigkeit bzw. des in der ausgeatmeten Luft enthaltenen Wasserdampfes allein von der Temperatur T der ausgeatmeten Luft abhängig und kann beispielsweise mittels der sogenannten Magnusformel berechnet werden: PS in Millibar = 6,112 × exp (17,62 × T/(243,12 + T)) (1)
  • Mit Hilfe des bekannten oder gemessenen barometrischen Luftdrucks Pbar wird der Partialdruck und damit der Volumenanteil Aa,4 = PS/Pbar (2) des Wasserdampfes bzw. der Feuchtigkeit berechnet in Abhängigkeit der Temperatur T. Der Volumenanteil des Inertgases ist Aa,3 = f × Aet,3 × (1 – Aa,4) (3)
  • Der Volumenanteil Aa,1 des Kohlendioxids ist die gesuchte Größe.
  • Der Anteil Aa,2 des Sauerstoffs kann angegeben werden als Aa,2 = 1 – Aa,1 – Aa,3 – Aa,4 (4)
  • Für die gemessene Schallgeschwindigkeit vS gilt die Gleichung vS = √(kG × R × T/MG) (5) wobei kG der Adiabatenkoeffizient des Gasgemisches ist, R die allgemeine Gaskonstante und MG das Molekulargewicht des Gasgemisches. Durch Umstellung dieser Gleichung läßt sich der Quotient aus Molekulargewicht MG und Adiabatenkoeffizient kG als Funktion der Temperatur T und der gemessenen Schallgeschwindigkeit vS ausdrücken: MG/kG = R × T/(vS 2) (6)
  • Der zu bestimmende Anteil Aa,1 des Kohlendioxids läßt sich dann für jeden einzelnen Meßwert der Schallgeschwindigkeit vS bestimmen, wobei für das Molekulargewicht MG gilt: MG = Summe über alle i (Aa,i × Mi), mit i = 1,2,3,4 (7) und für den Adiabatenkoeffizient kG gilt 1/(1 – kG) = Summe über alle i (Aa,i/(1 – ki)) mit i = 1,2,3,4 (8)
  • Die Gleichungen (1) bis (8) bilden ein Gleichungssystem mit einer eindeutigen Lösung für den Anteil Aa,1 des Kohlendioxids in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit vS und der Temperatur T. Es ist daher lediglich notwendig, die Schallgeschwindigkeit vS, den barometrischen Luftdruck Pbar und die Temperatur T der Luft im Atemkanal möglichst genau zu kennen. Die Berechnung kann mit handelsüblichen elektronischen Rechenmittel erfolgen, beispielsweise auch mit einem Personalcomputer, der ein entsprechendes Meß- und/oder Rechenprogramm abarbeitet.
  • Die 1 zeigt eine Seitenansicht eines Querschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Ermitteln eines Anteils eines für die Stoffwechselfunktion eines atmenden Lebewesens charakteristischen Bestandteils in der von dem Lebewesen ausgeatmeten Luft, insbesondere zum Ermitteln des Anteils von Kohlendioxid in der von einem menschlichen Patienten ausgeatmeten Luft.
  • In dem ersten Ausführungsbeispiel ist in einem im wesentlichen zylindrischen Atemrohr 2 eine erste Meßeinrichtung 3 zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit vS der das Atemrohr 2 durchströmenden Atemluft angeordnet. Die Hauptströmrichtung der eingeatmeten Luft ist durch den Pfeil 4 angegeben, die Hauptströmrichtung der ausgeatmeten Luft durch den Pfeil 5. Die Strömungsrichtungen verlaufen im wesentlichen parallel zur Längsachse 6 des Atemrohrs 2. Auf einander gegenüberliegenden Seiten in Bezug auf die Längsachse 6 weist die erste Meßeinrichtung 3 einen Ultraschallsensor 7 und einen zugehörigen Empfänger 8 auf. Der Sender 7 sendet ein Signal mit vorgegebener Signalform, dessen Empfang am Empfänger 8 registriert wird und aus der Laufzeit und dem bekannten Abstand von Sender 7 und Empfänger 8 die Schallgeschwindigkeit vS der Atemluft bestimmt wird. Die erste Meßachse 9 schließt mit der Längsachse 6 des Atemrohrs 2 einen rechten Winkel ein.
  • An seinem einen Ende weist das Atemrohr 2 ein einstückig ausgebildetes oder insbesondere im Hinblick auf Reinigungszwecke abnehmbares Mundstück 10 auf. Das gegenüberliegende Ende des Atemrohrs 2 ist offen und über die zugehörige Öffnung kann die Atemluft frei ein- bzw. ausströmen.
  • Unmittelbar benachbart an die erste Meßeinrichtung 3 oder sogar unmittelbar an diese angrenzend und insbesondere elektrisch mit dieser verbunden ist ein Sensorelement 11 im Atemrohr 2 angeordnet. Das Sensorelement 11 weist auf einem elektrisch beheizbaren Substrat 12 einen Taupunktsensor 13 mit einem Temperatursensor 14 auf. Das Substrat 12 wird dabei gerade so stark beheizt, daß sich auf dem Taupunktsensor 13 ein gerade noch detektierbarer Feuchtigkeitsniederschlag bildet. Der Temperatursensor 14 mißt die zugehörige Temperatur, aus der wiederum gemäß der vorstehend genannten Magnusformel der Anteil der Feuchtigkeit in der Atemluft ableitbar ist.
  • Die elektrischen Signale werden über eine Anschlußleitung 15 an eine möglicherweise auch entfernt von dem untersuchten Patienten angeordneten Auswerteeinheit 16 zugeführt, die elektronische Speichermittel 17 aufweist, in denen die für die Berechnung erforderlichen Koeffizienten und Konstanten abgespeichert sind, die frei programmierbar und mithin aktualisierbar sein können. Weiterhin weist die Auswerteeinheit 16 elektronische Rechenmittel 18 auf, die das ermittelte Ergebnis auf einer Anzeigeeinheit 19 anzeigen und/oder an einem Anschlußelement 20 zur Weiterleitung an eine nachgeordnete Einheit bereitstellen.
  • Die 2 zeigt eine Vorderansicht gemäß II auf die Vorrichtung der 1 in Richtung der Längsachse 6. Der im wesentlichen kreiszylindrische Hohlraum des Atemrohrs 2 ist lediglich im axial etwa mittleren Bereich unterbrochen durch die vorzugsweise planparallel zueinander angeordneten Sender 7 und Empfänger 8.
  • Die 3 zeigt eine Draufsicht eines Querschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels 101 einer erfindungsgemäße Vorrichtung. Die in der 3 nicht näher dargestellte erste Meßeinrichtung weist die senkrecht zur Zeichenebene verlaufende erste Meßachse 109 auf. Wie vorstehend beschrieben, wird damit der Anteil Aa,1 des interessierenden ersten Bestandteils an dem Gasgemisch der Atemluft bestimmt.
  • Mit einer zweiten Meßeinrichtung 121, deren Meßachse 122 mit der Längsachse 106 des Atemrohrs 102 einen spitzen Winkel von beispielsweise 45° einschließt, wird in an sich bekannter Weise das Volumen der eingeatmeten und ausgeatmeten Luft bestimmt. Gemäß den in Frage kommenden Zahlenwerten für den Respirationsquotient RQ, der u.a. auch von den Ernährungsgewohnheiten des untersuchten Patienten abhängt und zwischen 0,7 und 1 liegen kann, liegt das Verhältnis f von eingeatmetem zu ausgeatmetem Volumen der bezüglich Temperatur und Feuchtigkeit normierten Luft zwischen 1 und 1,025. Anstelle des durch die zweite Meßeinrichtung 121 exakt ermittelbaren Verhältnisses kann für den Faktor f beispielsweise ein fester Wert von 1,01 angenommen werden, der für viele Anwendungsfälle eine ausreichende Meßgenauigkeit ergibt. Die Signale der ersten und zweiten Meßeinrichtung 3, 121 sowie eventuell vorhandener Sensorelemente 7 werden über eine gemeinsame Anschlußleitung 115 abgeführt.
  • Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel schneiden sich die erste und zweite Meßachse 109, 122. Für manche Anwendungsfälle kann es vorteilhaft sein, die erste Meßachse 109 mit einem gewissen Versatz insbesondere in Richtung der Längsachse 106 von der zweiten Meßachse 122 anzuordnen. Vorzugsweise beträgt der Versatz der ersten Meßachse 109 in Richtung auf das Mundstück des Atemrohrs 102 beispielsweise 1 bis 5 cm, insbesondere 2 bis 3 cm, wie dies in der 3 für die erste Meßeinrichtung 103' gestrichelt angedeutet ist. Dadurch kann beispielsweise eine Interferenz der Meßverfahren der ersten und zweiten Meßeinrichung 103', 121 verhindert werden.
  • Die 4 zeigt eine Seitenansicht eines Querschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels 201 einer erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung 201 unterscheidet sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 u.a. darin, daß der Taupunktsensor 213 zwischen der ersten Meßeinrichtung 203 und dem Mundstück 210 des Atemrohrs 202 angeordnet ist. Die Beheizung des Taupunktsensors 213 erfolgt durch eine ringförmige Heizmanschette 223. Das Detektieren des Feuchtigkeitsniederschlages auf einer hierfür vorgesehenen spiegelnden Niederschlagsfläche 224 erfolgt unter Auswertung des optischen Reflexionsverhaltens. Hierzu wird von einem Lichtsender 225, beispielsweise einer Leuchtdiode, unter einem spitzen Winkel ein Lichtstrahl 227 auf die Niederschlagsfläche 224 geleitet. Eine optimale Reflexion auf den Lichtempfänger 226, beispielsweise eine Fotodiode, ergibt sich dann, wenn sich auf der Niederschlagsfläche 224 kein Feuchtigkeitsniederschlag befindet.
  • Die Temperatur der Niederschlagsfläche 224 wird so eingestellt, daß sich gerade ein ausreichender Niederschlag bildet, der durch den Lichtempfänger 226 noch sicher detektiert werden kann. Die Spiegelwirkung der Niederschlagsfläche 224 kann beispielsweise durch eine entsprechende metallische Beschichtung der Oberfläche erreicht werden. Die Anordnung der Niederschlagsfläche 224 kann langgestreckt flächig oder auch im wesentlichen punktförmig sein, in jedem Fall ist sie vorzugsweise zwischen dem Lichtsendeelement 225 und dem Lichtempfänger 226. Damit die Niederschlagsfläche 224 möglichst im direkten Luftstrom der Atemluft im Atemrohr 202 liegt, können der Lichtsender 225 und der Lichtempfänger 226 versetzt zueinander in Bezug auf die Längsachse 206 angeordnet sein, d.h. in einer Draufsicht auf die Vorrichtung 201 in Richtung auf die Längsachse 206 nicht fluchtend hintereinander liegen, sondern einen gewissen Versatz in Umfangsrichtung aufweisen.
  • Alternativ zum dargestellten optisch arbeitenden Taupunktsensor kann das Erkennen eines Feuchtigkeitsniederschlages auch durch Auswerten der Änderung eines elektrischen Widerstandes, einer elektrischen Kapazität oder des mechanischen Schwingungsverhaltens erfolgen. Die Temperatur, bei der ein gerade noch meßbarer Feuchtigkeitsniederschlag auftritt, wird als die Temperatur T der Atemluft verwendet. Erforderlichenfalls kann ein beispielsweise empirisch gewonnener Korrekturfaktor oder Korrekturwert berücksichtigt werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Ermitteln eines Anteils Aa,1 eines ersten, für die Stoffwechselfunktion eines atmenden Lebewesens charakteristischen Bestandteils in der von dem Lebewesen ausgeatmeten Luft, insbesondere des Anteils an Kohlendioxid (CO2) oder an Sauerstoff (O2), wobei die ausgeatmete Luft mindestens zwei Bestandteile (i = 1, 2, ...) mit jeweils einem Anteil Aa,i aufweist, und wobei die Molekulargewichte Mi und die Adiabatenkoeffizienten ki der Bestandteile bekannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit vS in der ausgeatmeten Luft gemessen wird, und daß der Anteil Aa,1 des ersten Bestandteils in der ausgeatmeten Luft berechnet wird unter Verwendung der gemessenen Schallgeschwindigkeit vS, der Temperatur T der ausgeatmeten Luft und der Beziehung MG/kG = R × T/(vS 2), wobei für das Molekulargewicht MG der ausgeatmeten Luft gilt MG = Summe (Aa,i × Mi), i = 1, 2, ... und für den Adiabatenkoeffizient kG der ausgeatmeten Luft gilt 1/(1 – kG) = Summe (Aa,i/(1 – ki)), i = 1, 2, ... und R die allgemeine Gaskonstante ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Anteils Aa,1 des ersten Bestandteils in der ausgeatmeten Luft berücksichtigt wird, daß die Summe aus dem Anteil Aa,1 des ersten Bestandteils und einem Anteil Aa,2 eines zweiten Bestandteils in der ausgeatmeten Luft im wesentlichen gleich der Summe der Anteile Ae,1, Ae,2 dieser Bestandteile in der eingeatmeten Luft, die bekannt sind oder gemessen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Anteils Aa,1 des ersten Bestandteils in der ausgeatmeten Luft berücksichtigt wird, daß ein dritter Bestandteil der ein- und ausgeatmeten Luft inert ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Anteils Aa,1 des ersten Bestandteils in der ausgeatmeten Luft ein Anteil Aa,4 einer in der ausgeatmeten Luft enthaltenen Feutigkeit als gesättigter Wasserdampf angenommen wird, und daß der Anteil Aa,4 der Feuchtigkeit von der Temperatur T der ausgeatmeten Luft abgeleitet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T der ausgeatmeten Luft gemessen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T der ausgeatmeten Luft mit einem Taupunktsensor gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit vS mit einem Ultraschallsignal gemessen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Schallgeschwindigkeit vS im wesentlichen rechtwinklig zu der Hauptströmrichtung der ausgeatmeten Luft erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verifizieren des Meßwertes der Schallgeschwindigkeit vS der ausgeatmeten Luft, auch die Schallgeschwindigkeit der eingeatmeten Luft gemessen wird und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird.
  10. Vorrichtung (1; 101; 201) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Ermitteln eines Anteils Aa,1 eines ersten, für die Stoffwechselfunktion eines atmenden Lebewesens charakteristischen Bestandteils in der von dem Lebewesen ausgeatmeten Luft, insbesondere des Anteils an Kohlendioxid (CO2) oder an Sauerstoff (O2), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1; 101; 201) eine erste Meßeinrichtung (3; 203) zum Messen der Schallgeschwindigkeit vS der ausgeatmeten Luft aufweist, elektronische Speichermittel (17) zum Speichern der Molekulargewichte Mi und der Adiabatenkoeffizienten ki der Bestandteile aufweist, und elektronische Rechenmittel (18) zum Berechnen des Anteils Aa,1 des ersten Bestandteils aufweist.
  11. Vorrichtung (1; 101; 201) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung (3; 203) mit einer ersten Meßachse (9; 109) in einem Atemrohr (2; 102; 202) zwischen einem Mundstück (10; 210) und einer Öffnung angeordnet ist, über welche die ausgeatmete Luft abführbar ist, daß Mittel der ersten Meßeinrichtung (3; 203) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Atemrohres (2; 102; 202) angeordnet sind, und daß die erste Meßachse (9; 109) zur Messung der Schallgeschwindigkeit vS mit der Längsachse (6; 106; 206) des Atemrohrs (2; 102; 202) im Bereich der ersten Meßeinrichtung (3; 203) einen im wesentlichen rechten Winkel einschließt.
  12. Vorrichtung (1; 101; 201) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Meßeinrichtung (121) mit einer zweiten Meßachse (122) in dem Atemrohr (2; 102; 202) angeordnet ist, daß die zweite Meßachse (122) mit der Längsachse (6; 106; 206) des Atemrohrs (2; 102; 202) im Bereich der zweiten Meßeinrichtung (121) einen spitzen Winkel einschließt, und daß die erste und die zweite Meßachse (109, 122) einen im wesentlichen rechten Winkel einschließen.
  13. Vorrichtung (1; 101; 201) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Sensors, insbesondere eines Taupunktsensors (13; 213), die Temperatur der ausgeatmeten und/oder eingeatmeten Luft meßbar ist.
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