DE1648989B2 - Kohlendioxid-warngeraet zu ueberwachungszwecken bei der inhalationsnarkose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kohlendioxid-Warn-

Ierät zur Überwachung des bei der Inhalationsnarose in einem Kreissystem umlaufenden Gasgemisches in Form einer Zelle, die eine sehr kleine Menge entionisierten Wassers und zwei an ein elektriiches Meßinstrument angeschlossene Elektroden enthält.

Aus der deutschen Patentschrift 3 87 911 ist ein Verfahren und Gerät zur fortlaufenden Prüfung des Kohlendioxidgehalts von Gasmischungen, insbesondere von Rauchgas mittels Durchleitens durch eine Flüssigkeit und der Messung ihrer elektrischen Leitfähigkeit bekannt. Dabei geht man davon aus, daß die an sich geringe elektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser durch Einleiten von gewissen Gasen, t. B. Kohlendioxid, stark erhöht wird. In diesem Verfahren braucht nicht das gesamte Kohlendioxid durch das Wasser absorbiert zu werden, sondern es wird auf Grund des Henry-Daltonschen Gesetzes ein Lösungsgleichgewicht hergestellt, bei dem die Konzentration des in der Flüssigkeit gelösten Gases dem Teildruck des Gases im Gasraum proportional ist. Da die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bekanntlich ein gutes Maß für die Konzentration der in ihr enthaltenen Substanzen darstellt, kann die Leitfähigkeit des mit dem Kohlendioxid gesättigten Wassers unmittelbar zur Messung des Prozentgehalts des Kohlendioxids verwendet werden. Um eine rasche Sättigung des reinen Wassers mit Kohlendioxid zu ermöglichen, ist es empfehlenswert, dem der Messung dienenden Behälter ein kleines Volumen zu geben und ihn mit einer Vorrichtung zu versehen, die den Gasstrom beim Eintreten in den Behälter in zahlreiche kleine Bläschen zerteilt. Zu diesem Zweck wird nur ein kleiner Teil des auf seine Kohlendioxid-Konzentration zu untersuchenden Gasgemisches aus einem Hauptkanal mit Hilfe einer Pumpe in eine Nebenleitung abgezweigt und durch ein mit zahlreichen Löchern versehenes Platinblech in den der Messung dienenden Behälter hinein befördert. Die der jeweiligen Konzentration des Kohlendioxids entsprechende elektrische Leitfähigkeit stellt sich in wenigen Minuten ein; bei einem ununterbrochenen Betrieb folgt das elektrische Meßgerät fast momentan den Schwankungen der Kohlendioxid-Konzentration, so daß sie unmittelbar abgelesen werden kann.

In der Medizin gibt es für verschiedene Zwecke sogenannte Atem-Kreissysteme, an denen ein Patient oder eine Versuchsperson mittels eines Atemventils od. dgl. so angeschlossen wird, daß die Aus-

atemluft in das System gelangt, andererseits aber aus diesem wieder eingeatmet wird. Die Atemluft kreist also, gerichtet durch Ventile, in einem solchen Atemkreissystem. Durch die Gasstoffwechselvorgänge im Menschen wird dem System Sauerstoff entnommen,

»5 während Kohlendioxid ins System abgegeben wird. Der Sauerstoff wird von außen fortlauffend ergänzt, und die Kohlensäure wird durch Absorber, die in das System eingeschaltet sind, gebunden. Diese Absorber sind Töpfe mit einer Füllung von Natronlack oder

ao ähnlichen Substanzen, die im Wesentlichen CaO und NaOH enthalten, also alkalisch reagieren und ein bestimmtes Volumen an CO2 zu absorbieren vermögen. Is* der Atemkalkvorrat mit CO2 abgesättigt, wird er verworfen, und die Absorber sind mit frischem Kalk zu beschicken. Der Zeitpunkt der Erschöpfung ist indessen ungewiß. Zwar enthält die als AteirJcalk im Handel befindliche Substanz einen Indikator, der dem Arzt den Zeitpunkt der Erschöpfung durch Farbumschlag anzeigen soll, doch beruht

die Verfärbung nicht auf Karbonatbildung sondern auf zunehmender Feuchtigkeit. Diese Feuchtigkeitszunahme, normalerweise bedingt durch das als Reaktionsprodukt der CXh-Bindung entstehende Wasser, kann aber auch andere Ursachen haben, wie Kondenswasserbildung aus der Ausatemluft. Andererseits verliert der Atemkalk mitunter auch durch Lagerung einen Großteil der Feuchtigkeit (Sollwert etwa 15%) die ihm vom Hersteller beigefügt wurde, so da3 das Reaktionswasser nicht mehr ausreicht, um einen Farbumschlag herbeizuführen. Während im erstgenannten Fall die Atemkalkfüllung zu oft ausgewechselt wird, was unnötige Kosten und Arbeitsaufwand erfordert, stellt der Letztgenannte eine Gefahr für den Patienten dar, der Kohlensäure rückatmet, was zu einer lebensbedrohendcn pH-Verschiebung im Blut (sogenannte Azidose) führt.

Die Unzulänglichkeiten des Atemkalks sind den Ärzten meist hinlänglich bekannt, vor allem den Anästhesisten, die routinemäßig mit Atemkreissystemen (Narkosesystemen) arbeiten. Man setzt hier aus Sicherheitsgründen 2 Absorber aufeinander, die man alternierend umsetzt und auswechselt. Man muß also einige Unbequemlichkeiten auf sich nehmen, will man bei genügend Sicherheit für den Patienten auch nur

einigermaßen ökonomisch mit dem Atemkalk arbeiten.

Der Wunsch nach einem CO2-Warngerät ist deshalb wohl ebenso alt wie die Atemkreissysteme selbst, doch mußte ein solches, für den Routinebetrieb zugeschnitten, klein, robust und preiswert sein, was ein sehr einfaches Meßprinzip voraussetzt.

Aus der britischen Patentschrift 9 83 669 ist bekannt, den Partialdruck von Sauerstoff in einem Gasgemisch mit Hilfe einer polarographischen Zelle zu

bestimmen, in der eine Platinkathode und eine filmartige Silberchloridanode über einen geeigneten Elektrolyten, z. B. ein Kaliumchloridgel an eine elektrische Spannungsquelle von knapp 1 Volt angeschlos-

sen sind. Der Elektrolyt ist vom Gasgemisch durch eine für Sauerstoff durchlässige Membran aus Polytetrafluorethylen getrennt. Wenn der Sauerstoff durch die Membran hindurchdiffundiert, w»rd er an der Kathode reduziert, und bei dieser chemischen Reaktion entsteht ein elektrischer Strom zwischen den beiden Elektroden, der dem Partialdnick des Sauerstoffs im zu analysierenden Gasgemisch proportional ist. In Abwesenheit des Sauerstoffs wird das Elektrodensystem von der anliegenden Spannung polarisiert, so daß der Strom durch den Elektrolyten in sehr kurzer Zeit unterbrochen wird. Eine selche Zelle hat man mit Erfolg zut Messung der Sauerstoffkonzentration unter der Gesichtsmaske eines Flugzeugpiloten verwendet.

In der britischen Patentschrift 10 51 807 ist eine ähnliche Zelle mit einer Membran aus Polyäthylen, Polypropylen oder einem unter dem Handelsnamen »Teflon« bekannten Fluoräthylenpolvinerisat erläutert; das Elektrodenmaterial und der Elektrolyt sind derart gewählt, daß diese Zelle den Partialdruck des Wasserstoffs in einem Gasgemisch zu messen in der Lage ist.

Bei den erwähnten bekannten Zellen wird eine chemische Reaktion, bei der ersten die Reduktion des Sauerstoffs und bei der zweiten die Oxydation des Wasserstoffs ausgenutzt, um den zur Messung notwendigen elektrischen Stromfluß hervorzubringen.

Zellen dieser Art erscheinen völlig ungeeignet, die Messung der Konzentration von Kohlendioxid in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, wie es einem Patienten zur Inhalationsnarkose zugeleitet wird, zu ermöglichen. Bei den zur elektrischen Stromerzeugung ausgenutzten Reaktionen wird das Sauerstoff bzw. Wasserstoffmolekül aufgespalten. Bei einer entsprechenden Aufspaltung des Kohlendioxidmoleküls wird neben dem festen Kohlenstoff Sauerstoff freigesetzt, der sich meßtechnisch nicht vom übrigen Sauerstoff des zur Inhalationsnarkose vorgesehenen Gasgemisches unterscheiden oder trennen läßt.

Aus der britischen Patentschrift 8 38 980 ist eine weitere polarographische Zelle bekannt, in der zwei Elektroden innerhalb eines flüssigen Elektrolyten untergebracht sind. Das eine Ende dieser Zelle ist von einer Membran abgeschlossen, durch die die zu prüfende Substanz, z. B. Kohlenmonoxid aus einem Gasraum zum flüssigen Elektrolyten hindurchtreten kann. Dieser Elektrolyt ist derart gewählt, daß seine elektrische Aktivität vom Kohlenmonoxid irreveresibel abgeändert wird. Wegen dieser Irreversibilität und dem damit verknüpften Verbrauch muß ein umfangreicher Vorrat an flüssigem Elektrolyten beibehalten werden, der langsam zum Elektrodcnraum, also zur Meßstrecke hin diffundiert. Außer Kohlenmonoxid können von dieser Zelle auch elektrisch reduzierbare Gase, wie Schwefeldioxid, gemessen werden.

Auch in dieser pol arographischen Zelle wird der Meßwert durch eine irreversible, chemische Reaktion, nämlich eine Reduktion oder Oxydation der elektrolytischen Flüssigkeit gewonnen. Den polarographischen Zellen liegt daher ein Funktionsprinzip zu Grunde, das sich völlig von dem des Lösungsgleichgewichts gemäß dem Henry-Daltonschen Gesetz unterscheidet, das in Verbindung mit der deutschen Patentschrift 3 87 911 eingangs besprochen ist. Das eingangs erläuterte Gerät zur fortlaufenden Prüfung des Kohlendioxidgehalts von Gasmischungen nach der deutschen Patentschrift 3 #7 911 hat sich bei der Inhalationsnarkose in Atemkreissystemen als völlig unbrauchbar erwiesen, weil es nur dann binnen weniger Sekunden anspricht und den ricbfigen Meßwert anzeigt, wenn die zu überprüfende Gasmischung die sehr kleine Menge entionisierten Wassers in Form kleiner Bläschen oder Perlen durchströmt Die menschliche Lunge, die die Gasmischung durch den Absorber des Atemkreissystems treibt, kann aber

ίο nicht gleichzeitig noch eine Bläschen- oder Perlenströmung durch ein kleines Volumen entionisierten Wassers herstellen. Die im Atemkreissystem umlaufenden Volumina der Gasmischung sind nämlich sehr groß im Verhältnis zum Volumen der Bläschen oder Perlen, die zwecks Prüfen die kleine Menge entionisierten Wassers durchsetzen müssen. Folglich kann das bekannte Gerät nur in einem Nebenschluß des Atemkreissystems mit einer Hilfspumpe betrieben werden. Der Betrieb einer zusätzlichen Hilfspumpe birgt im Laufe einer chirurgischen Operation jedoch die Gefahr in sieb, daß ihr Ausfall durch eine zufällige Störung nicht unmittelbar vom Personal bemerkt wird. In einem solchen Fall werden also während der Operation falsche Meßwerte vermittelt, die das Leben des Patienten gefährden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Kohlendioxid-Warngerät anzugeben, daß bei einer Inhalationsnarkose mit größter Sicherheit unmittelbar auf den Kohlendioxidgehalt der im Atemkreissystem umlaufenden Gasmischung anspricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Wand der Zelle von einer gasdurchlässigen Membran aus einer Kunststoffolie gebildet und in dem das Gasgemisch führende Rohr

am Ausgang des Absorbers angeordnet ist, und daß die Elektroden in geringem Abstand voneinander angeordnet sind.

Als Elektrolyt wird vollentsalzenes Wasser verwendet, das nach erfolgter Sättigung über einen klei-

nen Vorrat an Ionenaustauscher-CMischbettfilter-) Substanz nach Bedarf regeneriert werden kann. Der Gasaustausch erfolgt über eine gasdurchlässige Membran, füi die sich einige Kunststoff-Folien wie Silikonkautschuk, Polyäthylen, Teflon und andere eig-

"en. _

Die Leitfähigkeitsänderung, in unserem Falle immer eine Erhöhung, erreicht bei Anwesenheit von CO2 im Trägergas einen Wert, der dem Löslichkeitsgleichgewicht zwischen Gas- und flüssiger Phase

so entspricht. Die Küvette ist so ausgebildet, daß darin eine nur sehr kleine Wassermenge Platz hat, damit der Gasaustauschvorgang durch die Membran möglichst rasch zu einem Endwert gelangt.

Auf Grund der Meßküveltenfüllung mit vollentsalztem Wasser ist die Meßzelle sehr hochohmig. Das: bedingt bei einem vergleichsweise niederohmigen Anzeigeinstrument in der Diagonale einer Weatstonschen Wechselspannungsmeßbrücke eine hohe Nullpunktstabilität, ' während schon CXh-Konzentratio-

nen in der Größenordnung von 0,05% zu einer erheblichen Leitfähigkeitszunahme der Lösung und mitnin einem kräftigen Meßeffekt führen. Der gleiche Effekt läßt sich natürlich auch elektrisch durch Parallelschaltung eines Hochohm-Widerstands zur Meß-

brücke simulieren, der mittels einer Prüftaste von außen her zu schalten ist. Die Größe der Ausschlagsänderung am Anzeigeinstrument ist dabei ein Maß für die Hochohmigkeit der Meßzelle, was einer Emp-

Eindlichkeitskontrolle des Geräts entspricht. Eine solche Funktionskontrolle, die physikalisch korrekt unmittelbar am Sensor angreift, ist vor allem für Routinemeßgeräte unabdingbare Forderung.

Das Auswechseln des Elektrolyten in der Meßküvette, das immer dann erforderlich wird, wenn sich bei Kontrolle ein zu kleiner Widerstand der Zelle ergeben hat, erfolgt durch Betätigung eines Pumpmechanismus, etwa einer normalen Injektionsspritze, die von außen zugänglich ist. Dabei wird die Zelle, die über Schlauchverbindungen einerseits mit der Spritze, andererseits mit dem Vorratsgefäß mit Ionenaustauscher verbunden ist, gespült und von etwaigen Gasblasen befreit. Ein Luftpolster im Vorratsbehälter sorgt dafür, daß bei dieser Pumpenanordnung ein Flüssigkeitstrakt erreicht wird, der zur Atmosphäre hin dicht abgeschlossen ist. So wird erreicht, daß das Gerät in jeder Lage und ohne Vorsichtsmaßregeln transportiert werden kann.

Beschreibung der Zeichnung,
die zur Erläuterung des Meßprinzips dient

Vom Wechselspannungs-Lichtnetz wird über einen Spannungsteiler Al, Rl, R2>, RA die Betriebsspannung abgezweigt. Rl und A3 bilden gleichzeitig die beiden Zweige einer Weatstonschen Brücke, die durch RS und /?6 ergänzt wird. RS dient zur Nullpunkteinstellung, R6 ist die Meßküvette. Der parallel zu R6 mittels der Drucktaste 8 aufschaltbare Widerstand Rl dient zur Kontrolle der Hochohmigkeit der Meßküvette (Empfindlichkeitskontrolle). Die Meßküvette R6 besteht im Prinzip aus zwei in geringem Abstand voneinander angeordneten Elektroden 6a und 6b aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen geeigneten Metall mit einer gemeinsamen Hülle aus einer Membran von Kunststoff 9 mit guter diffusibler Gasdurchlässigkeit (z. B. Silikon, Polyäthylen, Polytetrafluorethylen od. dgl.). Die Meßküvette ist beiderseits an den Enden mit Tüllen 10, 11 versehen, die zur Spülung bzw. Füllung mit Elektrolyt über die Schlauch-Verbindungen 12, 13 dienen. Die Spülung geschieht mittels einer Pumpe 14, die hier in Form einer Injektionsspritze ausgebildet ist. Der Vorrat an Elektrolyt 15 befindet sich in einem Behälter 16, der zur Vollentsalzung bzw. Regeneration Mischbett-Ionenaustauscher-Substanz enthält. Als Anzeigeinstrumeni dient ein Galvanometer 18, das über eine Diode 19 Änderungen der Symmetrie der Meßbrücke anzeigt Die Meßküvette 6 ist in einem Rohr mit zwei endständigen Gewindestücken 20, 21 untergebracht durch das das Meßgas fließt und mit dessen Hilfe eir Anschluß im Hauptgasstrom von Atemkreissystemer möglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kohlendioxid-Warngerät zur Überwachung des bei der Inhalationsnarkose in einem Kreissystem umlaufenden Gasgemisches in Form einer Z^He₁ die eine sehr kleine Menge entionisierten Wassers und zwei an ein elektrisches Meßinstrument angeschlossene Elektroden enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Wand der Zelle (Λ6) von einer gasdurchlässigen Membran (9) aus einer Kunststoffolie gebildet und in dem das Gasgemisch führenden Rohr am Ausgang des Absorbers angeordnet ist, und daß die Elektroden (6a und 66) in geringem Abstand voneinander angeordnet sind.

2. Warsgerät nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff für die Membran (9) Silikonkautschuk, Polyäthylen oder ein Mischpolymerisat aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen oder Polytetrafluorethylen gewählt ist.