DE10352652A1 - Breathing apparatus breath flow volume sensor has bidirectional ultrasonic sensor in fY piece flow chamber - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Atemvolumenstromsensor für ein Beatmungsgerät.The The present invention relates to a respiratory volume flow sensor for a ventilator.
Bisher wird der Volumenstrom des Patienten entweder (a) als Bilanz aus den Messwerten von zwei Sensoren, die den inspiratorischen und den exspiratorischen Volumenstrom separat voneinander im Beatmungsgerät erfassen, ermittelt oder (b) mit Hilfe eines dritten Sensors gemessen, der direkt am Patientenzugang hinter dem sogenannten Y-Stück liegt. In dem Y-Stück vereinigen sich die Leitungen für den inspiratorischen und exspiratorischen Volumenstrom aus dem Beatmungsgerät zu einer einzigen Leitung, an die der Beatmungsschlauch angeschlossen ist.So far the patient's flow rate is either (a) as a balance the readings of two sensors, the inspiratory and the capture expiratory flow separately in the ventilator, determined or (b) measured by means of a third sensor, the directly behind the patient access behind the so-called Y-piece. Unite in the Y-piece the lines for the inspiratory and expiratory volume flow from the ventilator to one single line to which the breathing tube is connected.
Die beiden oben genannten Messprinzipien sind mit unterschiedlichen Eigenschaften behaftet.The Both of the above measuring principles are different Properties tainted.
Werden die Volumenströme im Beatmungsgerät getrennt für den inspiratorischen und den exspiratorischen Volumenstrom gemessen, so werden die von den Sensoren gemessenen Signale zur Ermittlung einer Volumenstrom-Summe oder -Bilanz (unter Summe der Volumenströme soll hier die bei Berücksichtigung der Strömungsrichtungvorzeichen richtige Addition verstanden werden, d.h. bei entgegengesetzten Strömungen die Differenz der Absolutwerte der Volumenströme) verrechnet. Allerdings stellt dies hohe Anforderungen an den Gleichlauf und die Stabilität der Sensoren im Hinblick auf deren Signalnullpunkt, Linearität und Verstärkung, da Abweichungen der beiden Sensoren voneinander sich direkt in die Summe der Volumenströme fortpflanzen. Wird in dem Atemkreissystem mit einer zusätzlichen Basisströmung oder Basis-Flow (kontinuierlicher Fluss innerhalb des Beatmungskreissystems ohne Beteiligung des Patienten, was zur besseren Vermischung der Gase dient) gearbeitet, der in der Größenordnung des Patientenvolumenstroms liegt, wird die Genauigkeit des durch Summenbildung (d.h. die Differenzbildung von zwei großen, mit voneinander unabhängigen Fehlern behafteten Absolutwerten) errechneten Patientenvolumenstroms so gering, dass eine zeitliche Integration nicht mehr sinnvoll ist.Become the volume flows in the ventilator separate for measured the inspiratory and expiratory flow rate, Thus, the signals measured by the sensors for determination a volumetric flow total or balance (under sum of the volumetric flows should here the considering the flow direction sign correct addition, i. at opposite currents the difference between the absolute values of the volume flows). Indeed This places high demands on the synchronization and the stability of the sensors with regard to their signal zero point, linearity and gain, since deviations of two sensors from each other directly into the sum of the volume flows propagate. Used in the breathing circuit with an additional base flow or Basic flow (continuous flow within the ventilation loop system without involvement of the patient, resulting in better mixing of the Gases serving), which is of the order of magnitude of the patient's volume flow is the accuracy of the summation (i.e., the difference of two big, with independent Faulty absolute values) calculated patient volume flow so small that a temporal integration no longer makes sense.
Die
Verwendung eines dritten Sensors direkt am Patientenzugang vermeidet
die oben genannten Nachteile, bedingt aber durch das für den Aufbau
des Sensors benötigte
Leitungsstück
zusätzliches
Volumen, das sich gegenüber
dem Beatmungsschlauch alleine als zusätzliches Totraumvolumen auswirkt. Dieses
Totraumvolumen verhält
sich bei der Beatmung als Pendelvolumen, das lediglich hin- und
herfließt
und den Frischgasanteil verringert und nicht an dem Basis-Flow teilnimmt.
Weiterhin muss dieser Sensor, wenn sein Ausgangssignal zur zeitlichen
Integration der Volumenströme
zu Volumina dienen soll, eine eindeutige Richtungserkennung der
Strömung
ermöglichen,
damit die Integration mit dem jeweils richtigen Vorzeichen erfolgt.
Jetzt benötigen
die bisher verwendeten Druckabfall- oder Wärmetransport-Sensoren (Hitzdraht-Anemometer,
wie beispielsweise in
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Atemvolumenstromsensor zu schaffen, mit dem der tatsächliche Patienten-Volumenstrom unter Vermeidung von zusätzlichem Totraum und pneumatischem Widerstand messbar ist.It Object of the present invention, a tidal flow sensor to create, with which the actual Patient flow while avoiding additional Dead space and pneumatic resistance is measurable.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient der Atemvolumenstromsensor mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.to solution This task is served by the tidal flow sensor with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are in the subclaims specified.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in das Y-Stück ein Sensoraufbau integriert ist, der auf die Messgröße der Summe der in spiratorischen und exspiratorischen Volumenströme direkt anspricht und ein für diese Summe (wobei der Begriff Summe der Volumenströme hier auch als Volumenstrombilanz oder Nettovolumenstrom bezeichnet werden kann) repräsentatives elektrisches Signal erzeugt, ohne dabei von einer die inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme etwa überlagernden Basisströmung (Basis-Flow) beeinflusst zu werden.According to the invention, it is provided that in the Y-piece a sensor structure is integrated, which is based on the measured value of the sum that in spiratory and expiratory flows directly appeals and one for this sum (where the term sum of the volume flows here also referred to as volume flow balance or net volume flow can) representative produces electrical signal without being inspired by one and expiratory flow rates about overlapping base flow (Basic flow) to be influenced.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Sensoraufbau zwei Ultraschallwandler (Transducer) auf, die zwischen sich eine Messstrecke definieren, die die inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme oder den Patientenvolumenstrom zumindest teilweise durchläuft, wobei die Richtung der Messstrecke nicht senkrecht zu der Richtung der inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme oder des Patientenvolumenstroms liegt. Mit dem Sensoraufbau kann die Laufzeit der Ultraschallwellen bei der Durchschallung der inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströmung erfasst werden, die direkt ein Maß für die Summe der inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme liefert. Bei der Durchschallung der Messstrecke wird die Schallausbreitung durch die eine Strömung (stromabwärts) beschleunigt und durch die entgegengesetzte andere Strömung (stromaufwärts) verzögert, so dass sich aus der Laufzeit direkt ein Maß für die Volumenstromsumme oder Volumenstrombilanz ableiten lässt. Der Sensoraufbau liefert damit direkt ein Signal, das für die Volumenstromsumme oder die Volumenstrombilanz repräsentativ ist, ohne dass Signale oder Messwerte von zwei unabhängigen Sensoren miteinander verrechnet werden müssten.In a preferred embodiment, the sensor structure comprises two ultrasound transducers (transducers) which define between them a measurement path which at least partially passes through the inspiratory and expiratory volume flows or the patient volume flow, the direction of the measurement path not perpendicular to the direction of the inspiratory and expiratory flow rates the patient volume flow is. With the sensor design, the transit time of the ultrasound waves can be recorded during the transmittance of the inspiratory and expiratory volume flow, which directly provides a measure of the sum of the inspiratory and expiratory flow rates. During the sound transmission through the measuring section, the sound propagation through the one flow (downstream) is accelerated and delayed by the opposite other flow (upstream), so that a measure of the volume flow total or volumetric flow balance can be derived directly from the running time. The sensor structure thus directly supplies a signal which is representative of the total flow or the volume flow balance, without signals or measurement values of two independent sensors would have to be offset against each other.
Bei der Verwendung von Ultraschallwandlern in dem Sensoraufbau kann die Messstrecke entweder schräg zur Senkrechten auf den Volumenstromrichtungen, insbesondere parallel/antiparallel zu diesen durch getrennt geführte inspiratorische und exspiratorische Volumenströme verlaufen oder in nicht senkrechter Richtung direkt durch den Patientenvolumenstrom. In beiden Fällen wird so durch den Sensoraufbau als Messgröße ein Maß für die Summe der inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme ohne Einfluss durch eine etwa vorhandene, die exspiratorischen und inspiratorischen Volumenströme überlagernde Basisströmung erfasst.at the use of ultrasonic transducers in the sensor assembly can the measuring section either diagonally to the perpendicular to the flow directions, in particular parallel / anti-parallel to these separately conducted inspiratory and expiratory volumetric flows or in non-vertical Direction directly through the patient's volume flow. In both cases, so a measure of the sum of the inspiratory through the sensor structure as a measured variable and expiratory flow rates without influence by any existing, the expiratory and superimposed on inspiratory volume flows base flow detected.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass die Messstrecke die Volumenströme vollständig durchläuft. Vielmehr ist es ausreichend, wenn jeweils nur ein Teil der Volumenströme durchlaufen wird, da sich auch daraus ein Maß für die Volumenstrombilanz ableiten lässt. Dazu wird es aber in der Regel notwendig sein, zu Beginn einmalig eine Kalibrierung oder Eichung des Sensoraufbaus und seiner Auswerteelektronik dahingehend durchzuführen, dass aus dem erfassten Sensorsignal über eine anderweitige Messung der Summe der inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme der Funktionszusammenhang ermittelt wird, mit dem das von dem Sensoraufbau erzeugte elektrische Signal mit der Summe der inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme verknüpft ist. Eine solche Kalibrierung oder Eichung muss für eine gegebene Gerätekonfiguration einmal vorab bestimmt werden, um die gerätespezifischen geometrischen Gegebenheiten zu erfassen und aus dem Sensorsignal die gewünschte Volumenstrombilanz ableiten zu können.It It is not absolutely necessary that the measuring section completely traverses the volume flows. Much more it is sufficient if in each case only a part of the volume flows through since this also gives a measure of the volumetric flow balance leaves. But it will usually be necessary to do this at the beginning a calibration or calibration of the sensor assembly and its evaluation to do so that from the detected sensor signal via another measurement the sum of the inspiratory and expiratory flow rates of the functional relationship is determined, with the generated by the sensor assembly electrical Signal is linked to the sum of the inspiratory and expiratory flow rates. Such a calibration or calibration must be done once for a given device configuration be determined in advance to the device-specific geometric To detect conditions and from the sensor signal, the desired volumetric flow to derive.
Bei der Verwendung von Ultraschallwandlern besteht ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Strömungssensoren (wie etwa Hitzdraht-Anemometer) darin, dass die Schallausbreitung in den zu messenden Medien nicht konzentriert oder gebündelt ist, sondern eher divergent ist. Der als Empfänger fungierende Ultraschallwandler empfängt somit auf seiner ganzen Detektorfläche Ultraschallwellen von dem in diesem Fall als Sender fungierenden gegenüberliegenden Ultraschallwandler. Die "Messstrecke" ist insofern nicht im geometrischen Sinne eine "Strecke", sondern eher ein zylindrisches Volumen, dessen Durchmesser oder Querabmessungen durch die Detektorfläche des empfangenden Ultraschallwandlers festgelegt ist. Dadurch ist der Sensoraufbau integrierend über einen ganzen Raumbereich sensitiv, während bei herkömmlichen Sensoren, wie etwa Hitzdraht-Anemometern, nur eine punktuelle Sensitivität für den Volumenstrom bzw. die punktuelle Strömungsgeschwindigkeit gegeben ist. Dadurch liefert der bevorzugte Sensoraufbau ein besser gemitteltes, weniger fluktuationsanfälliges Ergebnis als herkömmliche Sensoren.at the use of ultrasonic transducers is another advantage across from usual flow sensors (such as hot wire anemometer) in that the sound propagation is not concentrated or bundled in the media to be measured, but rather divergent. The ultrasonic transducer acting as a receiver receives Thus, on its entire detector surface ultrasonic waves of the in this case acting as a transmitter opposite ultrasonic transducer. The "measuring section" is not so far in the geometrical sense a "route", but rather a cylindrical volume, its diameter or transverse dimensions through the detector surface of the receiving ultrasonic transducer is determined. This is the sensor structure integrating over an entire spatial area sensitive, while in conventional Sensors, such as hot wire anemometers, only a one-time sensitivity to the flow rate or the punctual flow velocity given is. As a result, the preferred sensor construction provides a better averaged, less fluctuation prone result than conventional Sensors.
Bei einem Sensoraufbau mit Ultraschallwandlern wird das Prinzip der Laufzeitunterschiede bei der Durchschallung der Strömung mit Ultraschall stromaufwärts und stromabwärts durch den inspiratorischen und exspiratorischen Volumenstrom oder durch den inspiratorischen und exspiratorischen Patientenvolumenstrom gewählt. Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung wird in eine Richtung von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums unterstüzt (stromabwärts) und in der anderen Richtung verringert (stromaufwärts). Wird Die Messung in beiden Richtungen durchgeführt, wobei die Ultraschallwandler oder Transducer die Funktionen von Sender und Empfänger wechselseitig wahrnehmen, so sind die Einflüsse des Mediums wie Schallgeschwindigkeit und deren Abhängigkeiten von äußeren Parametern von geringerer Bedeutung. Zusätzlich kann die Messung der Schallgeschwindigkeit Rückschlüsse auf die Gasart ermöglichen.at A sensor structure with ultrasonic transducers is the principle of Run-time differences in the flow through the flow with Ultrasound upstream and downstream through the inspiratory and expiratory flow or through the inspiratory and expiratory patient volume flow selected. The speed of sound propagation is in one direction from the flow velocity the medium supports (downstream) and in the other direction decreases (upstream). Will the measurement in both directions carried out, wherein the ultrasonic transducers or transducers perform the functions of Sender and receiver perceive each other, so are the influences of the medium as the speed of sound and their dependencies from outside parameters of lesser importance. additionally For example, the measurement of the speed of sound allows conclusions to be drawn about the type of gas.
Durch die vorgesehene Integration des Sensoraufbaus in das ohnehin vorhandene Y-Stück wird eine Minimierung des Totraumvolumens erreicht. Die Kombination von Y-Stück und Messraum ermöglicht die Minimierung des Bauraums, der für Y-Stück und Atemvolumenstromsensor insgesamt benötigt wird, und eine starke Reduzierung des Totraumes für den Patientenvolumenstrom bei den periodischen Strömungsrichtungswechseln. Die bevorzugte Anwendung von Ultraschallsensoren in dem Atemstromvolumensensor ermöglicht ein richtungssensitives, integratives Messverfahren, das eindeutige (und nicht abgeleitete) Richtungsinformationen des Volumenstroms unmittelbar erfasst. Ferner wird ein größerer Bereich der Strömung als z.B. bei einem Hitzdraht-Anemometer in die Messung mit einbezogen, wodurch die Messung gegenüber Strömungsfluktuationen unabhängiger wird. Die Verwendung des richtungssensitiven Ultraschall-Sensoraufbaus ermöglicht die Reihenanordnung der Inspirations- und Exspirationsvolumenströme. Hierdurch wird eine physikalisch richtige Summenbildung oder Bilanz der Volumenströme direkt messbar.By the planned integration of the sensor assembly in the already existing Y-piece a minimization of the dead space volume is achieved. The combination from Y-piece and measuring room allows the Minimizing the space required for Y-piece and tidal flow sensor total needed and a large reduction in dead space for patient volume flow at the periodic flow direction changes. The preferred application of ultrasonic sensors in the respiratory flow volume sensor allows a direction-sensitive, integrative measuring method, the unique (and not derived) directional information of the flow rate directly detected. It also becomes a larger area the flow as e.g. in a hot-wire anemometer included in the measurement, thereby the measurement opposite flow fluctuations independent becomes. The use of the directionally sensitive ultrasonic sensor assembly allows the series arrangement of inspiratory and expiratory volume flows. hereby is a physically correct summation or balance of the flow rates directly measurable.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen erläutert, in denen:The Invention will be described below with reference to embodiments in the drawings explained in which:
An
dem Y-Stück
ist ein Sensoraufbau
Wird
die Laufzeitmessung in beiden Richtungen durchgeführt, wobei
die Ultraschallwandler
Die
Ultraschall-Laufzeitmessung bedingt einen Mindestabstand zwischen
den beiden wechselseitig benutzten Sender-Empfänger-Ultraschallwandlern
Bei der Ultraschalllaufzeitmessung ist es auch möglich, dass nur Teilbereiche eines Durchmessers oder Teillängen der Leitungen von dem Ultraschall durchschallt werden. In einem solchen Fall sollten die von dem Messstrahl erfassten Teilbereiche der Strömung stabil und repräsentativ sein. Bei allen Anordnungen, in denen der Sensoraufbau nur einen Teilbereich der Volumenströme erfasst, muss ein Formfaktor oder Geometriefaktor ermittelt werden, der den Zusammenhang zwischen dem gemessenen Signal und der Summe der Volumenströme und der Volumenstrombilanz herstellt. In diesen Fällen müssen für die spezifische Gerätegeometrie die Laufzeitmessungen durchgeführt und dann mit separaten Messgeräten die Summe der Volumenströme gemessen werden, um dadurch eine Verknüpfung zwischen dem gemessenen elektrischen Signal und dem diesem entsprechenden Volumenstrom herstellen zu können. Eine solche Eichung oder Kalibrierung muss für jede Gerätegeometrie jedoch nur einmal vorab vorgenommen werden.In the ultrasonic transit time measurement, it is also possible that only portions of a diameter or partial lengths of the lines are penetrated by the ultrasound. In such a case, the partitions covered by the measuring beam should the flow should be stable and representative. In all arrangements in which the sensor structure detects only a subarea of the volume flows, a form factor or geometric factor must be determined which establishes the relationship between the measured signal and the sum of the volume flows and the volumetric flow balance. In these cases, the runtime measurements must be carried out for the specific device geometry and then the sum of the volume flows must be measured with separate measuring devices in order to be able to establish a link between the measured electrical signal and the corresponding volume flow. However, such a calibration or calibration must be made only once in advance for each device geometry.
Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach
Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach
In
einem nächsten
Ausführungsbeispiel
gemäß
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gemäß
Bisher werden Ausführungsformen beschrieben, bei denen der Sensoraufbau auf der Erfassung der Laufzeit der Schallausbreitung in den Volumenströmen beruht. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Sensorprinzipien anwendbar.So far become embodiments described in which the sensor structure on the detection of the transit time the sound propagation in the volume flows is based. Basically However, other sensor principles applicable.
In
einer weiteren möglichen
Ausführungsform
kann der Sensor
Claims (13)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Owner name: DRAEGER MEDICAL AG & CO. KG, 23558 LUEBECK, DE |
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