DE1203021B

DE1203021B - Device for controlling the supply of breathing gases to a gas analyzer

Info

Publication number: DE1203021B
Application number: DEF37849A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Franz Fenyves; Werner Gut
Original assignee: Fenyves & Gut Dr
Current assignee: Fenyves & Gut Dr
Priority date: 1961-11-20
Filing date: 1962-09-20
Publication date: 1965-10-14

Description

Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Atemgasen zu einem Gasanalysegerät Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr der Atemgase zu einem Gasanalysegerät in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Ausatemstromes.Device for controlling the supply of breathing gases to a gas analyzer The invention relates to a device for controlling the supply of breathing gases a gas analyzer depending on the speed of the expiratory flow.

Für die moderne Lungenfunktionsdiagnostik ist die fortlaufende Analyse der Atemgase von ausschlaggebender Bedeutung. Obwohl man in den Massenspektrographen Geräte zur Verfügung hat, welche dank ihrer kleinen Anzeigeverzögerung eine praktisch augenblickliche Analyse der Atemgase ermöglichen, scheiden sie wegen ihres hohen Preises für viele Untersuchungsstellen aus. Die Einstellzeit der für die Praxis tragbaren Geräte beträgt meist mehrere Sekunden, wodurch man gezwungen ist, auf die kontinuierliche Analyse zu verzichten und sich auf die Analyse der zu gewissen Atemphasen gehörenden Gasproben zu beschränken, die dann fortlaufend aufgezeichnet werden. Continuous analysis is essential for modern lung function diagnostics respiratory gases are of crucial importance. Although one in the mass spectrograph Devices available which, thanks to their small display delay, are a practical Instant analysis of the breathing gases allow them to divorce because of their high levels Price for many investigation bodies. The setting time for the practice portable devices is usually several seconds, which means that one is forced to To forego the continuous analysis and rely on the analysis of the conscience Gas samples belonging to breathing phases, which are then recorded continuously will.

Um die Atemgase in der gewünschten Atemphase automatisch zu gewinnen, steuerte man bisher durch atmungsbedingte Druckdifferenzen mechanische oder elektrische Systeme, die in den gewünschten Atemphasen, praktisch stets in der Ausatmungsphase, einen Teil der Atemgase dem Analysiergerät zuführen. In order to automatically obtain the breathing gases in the desired breathing phase, Until now, it was controlled mechanically or electrically by means of pressure differences caused by breathing Systems that operate in the desired breathing phases, practically always in the exhalation phase, feed some of the breathing gases to the analyzer.

Die Steuerung durch atmungsbedingte Druckdifferenzen ist mit verschiedenen Unzulänglichkeiten verbunden. Der zeitliche Verlauf der Druckkurven bietet keine scharfen Referenzpunkte, ist von der Atemmittellage abhängig, und seine Abnahme setzt eine nicht vernachlässigbare künstliche Erhöhung des Atemwiderstandes voraus, was unphysiologische Verhältnisse zu Folge hat. The control by respiratory pressure differences is with different Shortcomings associated. The time course of the pressure curves does not offer any sharp reference points, depends on the position of the breathing center and its decrease requires a not negligible artificial increase in breathing resistance, which results in unphysiological conditions.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie ist gekennzeichnet durch eine in einer Leitung für den Atemstrom angeordnete Geschwindigkeitsmeßblende, deren Druckleitungen mit einem elektromechanischen Wandler verbunden sind, welcher die zwischen den beiden Ableitungen vorhandene Druckdifferenz in ein elektrisches Signal umsetzt, dessen Spannung eine Funktion der Geschwindigkeit und Richtung des Gasstromes in der Leitung ist, einen Verstärker für dieses Signal, ein Ventil in einer von der Atemstromleitung zum Analysengerät führenden Leitung, welches von dem Signal so gesteuert wird, daß es nur während der Ausatemperiode offen ist, und eine Pumpe in der letztgenannten Leitung, die von einem Rotameter gesteuert ist. The device according to the present invention avoids this Disadvantage. It is characterized by one in a line for the respiratory flow arranged speed measuring diaphragm, the pressure lines with an electromechanical Converters are connected, which the pressure difference existing between the two lines into an electrical signal, the voltage of which is a function of the speed and direction of gas flow in the line, an amplifier for this signal, a valve in a line leading from the respiratory flow line to the analyzer, which is controlled by the signal so that it only occurs during the exhalation period is open, and a pump in the latter line operated by a rotameter is controlled.

Weitere in den nachfolgenden Ansprüchen enthalteile erfindungswesentliche Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Beispiels einer Vorrichtung gemäß Erfindung hervor. Further parts of the invention which are contained in the following claims Features emerge from the following description of an example of a device according to the invention.

F i g. 1 zeigt eine Einrichtung zur Gewinnung von zur Analyse bestimmter Atemluft; Fig.2 zeigt ein Pneumotachogramm. F i g. 1 shows a device for obtaining data intended for analysis Breathing air; Fig. 2 shows a pneumotachogram.

In F i g. 1 ist mit 1 das Atemrohr eines Pneumotachometers bezeichnet, wie es sich zur Gewinnung einer Kurve eignet, die die Geschwindigkeit des Atemluftstromes z. B. in Abhängigkeit von der Zeit anzeigt. Das Rohr 1 besitzt eine Geschwindigkeitsmeßblende 2, die einen vorgegebenen, geringen Widerstand für die durch das Rohr 1 strömenden Gase darstellt. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Druckdifferenz an den beiden Seiten der Blende 2 ein Maß für die Geschwindigkeit des Gasstromes, beispielsweise in Einheiten von Litern pro Sekunde ist. An die beiden Seiten der Blende 2 ist nun je eine Druckleitung 3 bzw. 4 angeschlossen. Die freien Enden der Leitung sind an ein Differentialdruckmanometer angeschlossen. Dieses Differentialdruckmanometer enthält eine Membrankapsel 5, die beispielsweise aus zwei wenigstens zum Teil metallischen, gegeneinander isolierten Schalen 5 a und 5 b besteht. In Fig. 1, 1 denotes the breathing tube of a pneumotachometer, how it is suitable for obtaining a curve showing the speed of the breath air flow z. B. shows as a function of time. The tube 1 has a speed measuring orifice 2, which have a predetermined, low resistance for the flowing through the pipe 1 Represents gases. It is readily apparent that the pressure difference across the both sides of the diaphragm 2 a measure of the speed of the gas flow, for example is in units of liters per second. On both sides of the cover 2 is now one pressure line 3 or 4 each connected. The free ends of the line are on a differential pressure gauge connected. This differential pressure gauge contains a membrane capsule 5, which, for example, consists of two at least partially metallic, insulated from each other shells 5 a and 5 b.

Die Kammer, die von den beiden Schalen 5a und Sb gebildet wird, wird durch eine metallische Membran 6 in zwei Hälften geteilt. Die Membran 6 ist von den beiden Schalen isoliert. Die Druckleitungen 3 und 4 sind nun mit je einer der beiden Kammerhälften verbunden, so daß sich die Membran bei einer Strömung in dem Rohr 1 ausbiegt. Atmet der Patient beispielsweise aus, strömt das Atemgas in der Darstellung von oben nach unten durch das Atemrohr, wie dies durch den Pfeil 8 veranschaulicht ist.The chamber that is formed by the two shells 5a and Sb is divided into two halves by a metallic membrane 6. The membrane 6 is of the two shells isolated. The pressure lines 3 and 4 are now each connected to one of the two chamber halves, so that the membrane is at a Flow in the pipe 1 bends. For example, if the patient exhales, it flows Breathing gas in the illustration from top to bottom through the breathing tube, like this through the arrow 8 is illustrated.

Zufolge der durch die Blende 2 hervorgerufenen Stauwirkung in dem Rohr 1 ist der Druck in der Leitung 3 größer als in der Leitung 4, so daß sich die Membran nach unten verschiebt bzw. wölbt. Eine Folge hiervon ist, daß sich die Kapazität zwischen der Membran 6 und der Schale 5b vergrößert, während sich die Kapazität zwischen der Membran 6 und der Schale 5a verringert. Diese Kapazitätsänderung, die eine Funktion der Geschwindigkeit des Gasstromes in dem Rohr 1 ist, wird nun zur Gewinnung eines entsprechenden elektrischen Signals herangezogen.As a result of the damming effect caused by the diaphragm 2 in the Pipe 1, the pressure in line 3 is greater than in line 4, so that the Membrane shifts or bulges downwards. A consequence of this is that the capacity between the membrane 6 and the shell 5b increases while the capacitance between the membrane 6 and the shell 5a is reduced. This change in capacitance that is a function of the speed of the gas flow in the pipe 1, is now to Obtaining a corresponding electrical signal used.

Die beiden Schalen 5 a und 5b sind an eine hochfrequente Spannungsquelle 9 angeschlossen. Mit dieser Spannungsquelle sind weiterhin zwei in Serie liegende Kondensatoren 10a und 10 b gleicher Kapazität angeschlossen. Es entsteht somit eine Brückenschaltung aus vier Kapazitäten, die paarweise gleich sind, wenn durch das Rohr 1 kein Gas strömt. Strömt nun ein Gas durch das Rohr 1, tritt die beschriebene Kapazitätsänderung auf, so daß zwischen der Membran 6 und dem Mittelpunkt 11 zwischen den beiden Kondensatoren 10 a und 10 b eine Spannung entsteht, die eine Funktion der Geschwindigkeit des Gasstromes in dem Rohr 1 ist. The two shells 5 a and 5 b are connected to a high-frequency voltage source 9 connected. With this voltage source there are still two in series Capacitors 10a and 10b of the same capacity are connected. This creates a Bridge circuit made up of four capacitances, which are equal in pairs when through the Pipe 1 no gas flows. If a gas now flows through the tube 1, the one described occurs Change in capacitance, so that between the membrane 6 and the center 11 between the two capacitors 10 a and 10 b creates a voltage that has a function is the velocity of the gas flow in the pipe 1.

Dieses Signal wird nun in dem Gleichrichter 12 gleichgerichtet und in dem Verstärker 13 verstärkt und stellt das Pneumotachogramm dar. Bei einer normalen Atmung hat das Pneumotachrogramm etwa das in Fig.2 gezeigte Aussehen (Kurve K), wobei die positiven Halbwellen (schraffiert) der Ausatmung und die negativen Halbwellen der Einatmung zugeordnet seien. This signal is now rectified in the rectifier 12 and amplified in the amplifier 13 and represents the pneumotachogram Respiration, the pneumotachrogram has roughly the appearance shown in Fig. 2 (curve K), where the positive half-waves (hatched) of exhalation and the negative half-waves associated with inhalation.

Das das Atemrohr 1 bei der Einatmung verlassende Gas gelangt zu einer Trocknungsvorrichtung 16, einer Pumpe 17 und einem Ventil 15. Die Aufgabe dieses Ventils besteht darin, den Atemgasstrom nur in der Phase der Ausatmung in der Pfeilrichtung durchzulassen, hingegen bei der Einatmung zu unterbrechen. Zu diesem Zweck wird das Ventil 15 von dem Signal des Pneumotachogramms gesteuert. Es kann dabei angenommen werden, daß das elektrisch zu betätigende Ventil 15 bei der Übermittlung einer positiven Spannung öffnet, hingegen bei Fehlen einer Spannung oder bei Übermittlung einer negativen Spannung geschlossen bleibt. Weiterhin ist es möglich, ein übliches Ventil zu verwenden und mit dem Ausgang des Verstärkers über einen entsprechend gepolten Gleichrichter zu verbinden, so daß nur positive Signale eine Öffnung des Ventils 15 bewirken. Es ist ohne weiteres zu ersehen, daß bei der bisher beschriebenen Einrichtung das Ventil 15 immer während der Phase des Ausatmens geöffnet und in der Phase des Einatmens geschlossen ist. The gas leaving the breathing tube 1 on inhalation reaches a Drying device 16, a pump 17 and a valve 15. The task of this The valve consists in the flow of breathing gas only in the exhalation phase in the direction of the arrow to let through, but to interrupt the inhalation. To this end, will the valve 15 is controlled by the signal from the pneumotachogram. It can thereby be assumed be that the electrically operated valve 15 when transmitting a positive Voltage opens, but if there is no voltage or if there is a transmission negative voltage remains closed. It is also possible to use a conventional valve to be used and to the output of the amplifier via an appropriately polarized Connect rectifier so that only positive signals open the valve 15 effect. It can be seen without further ado that in the device described so far the valve 15 is always open during the exhalation phase and during the Inhalation is closed.

Bei vielen Untersuchungen soll nicht das gesamte ausgeatmete Gasgemisch untersucht werden, sondern nur das Gas, welches beispielsweise am Ende der Ausatmungsphase erscheint. Um dies zu erreichen, ist zwischen den Ausgang des Verstärkers und das Ventil 14 ein Verzögerungsglied 14 eingeschaltet, dessen Verzögerung vorzugsweise eingestellt werden kann. Es entsteht somit beispielsweise die Kurve, die in Fig. 2 mit k' bezeichnet ist. Das Ventil 15 wird nun durch das Verzögerungsglied geöffnet und durch den nächstfolgenden Nulldurchgang der Ausgangskurve k geschlossen, wie dies durch die Leitung 14' angedeutet ist. Das Ventil 15 bleibt nun in den Zeiten t' geöffnet, die in F i g. 2 durch dicke Linien angedeutet sind. Selbstverständlich kann auch in die Leitung 14' noch ein Verzögerungsglied eingeschaltet werden, so daß nicht nur der Beginn, sondern auch das Ende der Öffnungszeiten des Ventils 15 einstellbar ist. Als Bezugspunkt dient in jedem Fall der Nulldurchgang des Pneumotachogramms. In many examinations, the entire exhaled gas mixture should not be used be examined, but only the gas, which, for example, at the end of the exhalation phase appears. To achieve this, there is a gap between the output of the amplifier and the Valve 14 switched on a delay element 14, the delay of which is preferably can be adjusted. The result is, for example, the curve that in Fig. 2 is denoted by k '. The valve 15 is now opened by the delay element and closed by the next following zero crossing of the output curve k, as this is indicated by the line 14 '. The valve 15 now remains in the times t 'opened in FIG. 2 are indicated by thick lines. Of course a delay element can also be switched into line 14 ', see above that not only the beginning, but also the end of the opening times of the valve 15 is adjustable. The zero crossing of the pneumotachogram serves as the reference point in each case.

Das das Ventil 15 verlassende Gas gelangt nun zu einem Rotameter 18, welches die Pumpe 17 beispielsweise über eine Leitung 18 a steuert. Da das Gas in der das Ventil 15 enthaltenden Leitung intermittierend strömt, ist ein Speicher 19 vorgesehen, den das Gas über die Leitung 22, die zu dem Analysengerät 21 führt, praktisch in kontinuierlichem Strom verläßt. Mit dem Speicher 19 kann weiterhin eine Ausgleichsleitung 20 vorgesehen sein, die gewährleistet, daß in dem Speicher 19 Überdrücke praktisch nicht auftreten können. The gas leaving the valve 15 now reaches a rotameter 18, which controls the pump 17, for example via a line 18 a. Because the gas intermittently flowing in the line containing the valve 15 is a reservoir 19 provided that the gas via the line 22, which leads to the analyzer 21, leaves practically in a continuous stream. With the memory 19 can continue a compensation line 20 may be provided, which ensures that in the memory 19 Overpressures practically cannot occur.

In dem Analysengerät 21 kann nun ein Gasstrom verarbeitet werden, der praktisch kontinuierlich zufließt und der nur einem geringen Zeitintervall der Ausatemphase entnommen sein kann. A gas stream can now be processed in the analyzer 21, which flows in practically continuously and only for a short time interval Exhalation phase can be taken.

Claims

Claims: 1. Device for controlling the supply of breathing gases to a gas analyzer depending on the speed of the exhalation flow, characterized by a speed measuring diaphragm arranged in a line (1) for the respiratory flow (2), the pressure lines (3, 4) of which with an electromechanical converter (5, 6, 9, 10), which is the pressure difference between the two outlets into an electrical signal, the voltage of which is a function of the speed and direction of the gas flow in the line (1), an amplifier (13) for this Signal, a valve (15) in one of the breath flow line (1) leading to the analyzer Line (22) which is controlled by the signal so that it is only available during the exhalation period is open, and a pump (17) in the latter line (22), which is from a Rotameter (18) is controlled.

2. Device according to claim 1, characterized in that the electromechanical transducer a membrane chamber (5) divided into two spaces by a metallic membrane (6) each of the two spaces with one of the pressure lines (3, 4) of the speed measuring diaphragm (2) is connected that on both sides of the membrane (6) electrical conductors (5, 5a) are provided which, together with the membrane, are dependent on the deflection of the latter Form capacities, and that a bridge circuit fed with high-frequency voltage (10 a, 10b), in which the two capacitances are located, via a rectifier (12) is connected to the amplifier (13).

3. Apparatus according to claim 1 or 2 with a device for supply only the breathing gases from the end of the exhalation phase are marked by a delay element (14) between the amplifier (13) and the valve (15).

4. Apparatus according to claim 3, characterized by the delay element (14) bridging line (14 ') connected in parallel.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that also a delay element is located in the bridging line g (14 ').

6. Device according to one of claims 1 to 5 with a device for drying the breathing gases, characterized in that a Drying device (16) lies in the line leading from the respiratory flow line (1) to the pump (17).

7. Device according to one of claims 1 to 6 with a device for continuous exhalation supply to the gas analyzer, characterized by a Gas storage (19), between the rotameter (18) and the analysis device (22).

8. Device according to one of claims 1 to 7 with a device to compensate for excess pressures, characterized by a pressure compensation line (20) in the gas storage tank (19).