DE19619763A1 - Vorrichtung zur Entnahme von inspiratorischen und/oder exspiratorischen Atemgasproben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Entnahme von inspiratorischen und/oder exspiratorischen Atemgasproben aus dem Atemgas eines Patienten zur Untersuchung von in den Atemgasproben enthaltenen Substanzen.

Für Stoffwechseluntersuchungen und zur Frühdiagnostik von Erkrankungen gewinnt die quantitative, chemische Analyse von volatilen Substanzen im Atemgas zunehmendes Interesse. Die zugrundeliegende wissenschaftliche Hypothese ist, daß sich als Folge von unterschiedlichen Krankheitsprozessen im Organismus Substanzen bilden, die in kleinsten Konzentrationen mit dem Ausatemgas (Exspirationsgas) ausgeschieden werden. Die für eine bestimmte Erkrankung charakteristischen Substanzen verändern also die Zusammensetzung des Exspirationsgases. Es gibt Hinweise dafür, daß die quantitative, chemische Analyse dieser krankheits­ markierenden Substanzen eine frühzeitige Diagnose der zu­ grundeliegenden Erkrankung erlaubt. Für eine Reihe von Erkrankungen wie z. B. Lungenkrebs, Leberzirrhose oder Intoxikation mit Umweltgiften wurde dies auch bereits nachgewiesen.

Ein grundsätzliches Problem bei der quantitativen, chemischen Analyse der Krankheitsmarker ist deren geringe Konzentration. Die üblichen Substanzkonzentrationen liegen im Nanomol(nmol)-Bereich und benötigen zu ihrer Analyse aufwendige Labortechniken wie die Gaschromatographie oder die Massenspektrometrie.

Diese aufwendige Analysetechnik ist ein wesentlicher Grund dafür, daß das beschriebene Verfahren der Frühdiagnostik bisher auf spontanatmende und kooperative Patienten beschränkt war. Diese Patienten können zum einen ein entsprechend ausgestattetes Analyselabor aufsuchen und sie können zum andern nach Instruktion durch den Mund exspirieren und damit ihr Exspirationsgas über ein Mundstück der Analyse zuführen.

In der Regel ist man an der Entnahme von Exspirationsgas interessiert. Je nach Fragestellung und Untersuchungsziel kann es jedoch wichtig sein, entweder nur Inspirationsgas oder nur Exspirationsgas oder Inspirations- und Exspirationsgas synchron zu entnehmen. In jedem Fall besteht aber der Wunsch nach einer Atemphasen-synchronen Entnahme von Atemgasproben.

Die Definition der Atemphasen, Inspiration und Exspiration, kann nach mechanischen Kriterien erfolgen, wobei der Richtungswechsel des Gasflusses den Phasenübergang markiert.

Mit der Ausatemluft wird das aus dem physiologischen Stoffwechsel stammende CO₂ ausgeschieden. Der Beginn der Exspirationsphase ist durch die Richtungsumkehr des Gasflusses definiert, der erste Teil des exspirierten Gasvolumens entspricht jedoch dem Volumen des Totraumes. Das ist dasjenige Gasvolumen, das nicht aus dem physiologischen Gasaustausch stammt. Erst nachdem das Totraumvolu­ men ausgeatmet ist, folgt Ausatemgas, das aus dem physiologischen Gasaustausch stammt. Eine Probengas-Entnahmetechnik nach der mechanischen Phaseneinteilung enthält also zwangsläufig immer einen Gasanteil, der nicht aus dem physiologischen Gasaustausch stammt (Totraumvolumen).

Durch den aus dem Totraum stammenden Gasanteil innerhalb des Probengases wird das Meßergebnis nicht unerheblich verfälscht, wobei die sehr geringe Konzentration der zu untersuchenden Substanzen zu berücksichtigen ist.

Je nach Konzentration der zu untersuchenden Substanzen werden zwei verschiedene Verfahren der Probengasentnahme unterschieden, nämlich die Probengasentnahme ohne Vorkonzentration (bei hohen Substanzkonzentrationen) und die Probengasentnahme mit Vorkonzen­ tration (bei extrem niedriger Substanzkonzentration).

Bei der Probengasentnahme ohne Vorkonzentration handelt es sich um eine einfache Entnahmetechnik, bei der standardisierte Atemgas- Testsets verwendet werden, die kein spezielles Labor erfordern und etwa zum Nachweis von Äthanol, Wasserstoff oder ¹⁴CO₂ im Atemgas einsetzbar sind.

Bei der Probengasentnahme mit Vorkonzentration handelt es sich um ein weitaus aufwendigeres Verfahren, das aber bei allen Laboruntersuchungen angewendet wird. Dabei wird das entnommene Atemgas entweder direkt in einer Sammeleinrichtung aufgefangen oder zur Vorkonzentration der zu analysierenden Substanzen über einen Konzentrator geleitet, der vorzugsweise als chemischer Konzentrator (chemisches Adsorptionsmedium) ausgebildet ist. Nach entsprechender Aufbereitung der Atemgasprobe kann die darin enthaltene Menge an Substanzen mit chemischen Analysemethoden bestimmt werden.

Besonders schwierig gestaltet sich die Probengasentnahme bei mechanisch beatmeten Intensivpatienten, einer Patientengruppe, die gerade durch nicht rechtzeitig erkannte Grund- oder Folgeer­ krankungen besonders gefährdet ist. Eine entsprechende Früh­ diagnostik könnte helfen, wichtige therapeutisch nutzbare Zeit zu gewinnen.

Die Entnahme von Atemgasproben wird bei beatmeten Patienten jedoch durch mehrere Faktoren erschwert. Diese Patienten können nicht in ein Labor gebracht werden. Das Atemgas wird in einem Atemschlauchsystem ohne Trennung von Inspirations- und Ex­ spirationsgas geführt. Besonders problematisch ist auch, daß das Wandmaterial der Atemschläuche Substanzen wie etwa Desinfektions­ mittel oder Inhalationanästhetika speichert, die mit der chemischen Analyse der krankheitsmarkierenden Substanzen erheblich interferieren können.

Weiterhin ist auch bei mechanischer Beatmung die Problematik des Totraumvolumens bei einer Probengas-Entnahme gleich wie beim spontanatmenden Patienten. Erschwerend kommt bei Beatmung allerdings hinzu, daß zum physiologischen Totraum noch der Totraum des Schlauchsystems bis zum Ort der Probengasentnahme hinzukommt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der weitestgehend unverfälschte Atemgasproben sowohl bei spontanatmenden als auch bei mechanisch beatmeten Patienten entnehmbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß wenigstens eine Probengasführung oder eine Sammeleinrichtung für vom Atemgas abgezweigte Atemgasproben vorgesehen ist, daß entweder eine direkte Meßeinrichtung für zu untersuchende Substanzen oder eine Einrichtung zur Auf- beziehungsweise Vorkonzentration der zu untersuchenden Substanzen vorgesehen ist oder mit der Proben­ gasführung beziehungsweise der Sammeleinrichtung verbunden ist, daß in der Nähe des Probengas-Eintrittsbereiches der Proben­ gasführung ein mit einem Kohlendioxidmeßgerät verbundener Kohlendioxid-Sensor angeordnet ist, und daß vor der Proben­ gasführung ein Ventil angeordnet ist, das mit einer an das Kohlendioxidmeßgerät angeschlossenen Steuereinrichtung in Steuerverbindung steht.

Damit ist eine automatische und Atemphasen-synchrone Entnahme von Atemgasproben sowohl bei spontanatmenden als auch bei mechanisch beatmeten Patienten möglich.

Mit Hilfe des CO₂-Meßgerätes kann ein elektrisches Spannungssignal, das der CO₂-Konzentration vor der Probengasführung proportional ist, an die elektronische Steuereinheit gegeben werden, mit der das Kapnogramm (Kohlendioxid-Konzentration als Funktion der Zeit) analysiert und interpretiert werden kann. Der Anstieg des CO₂- Signals wird als Marker für den Phasenwechsel von Inspiration nach Exspiration definiert; umgekehrt wird der Abfall der CO₂- Konzentration als Marker für den Phasenwechsel von Exspiration nach Inspiration definiert.

Die Steuereinheit arbeitet somit als Phasendiskriminator und gibt immer bei Erkennen eines Phasenwechsels einen Schaltimpuls an das elektrisch ansteuerbare Entnahmeventil ab.

Da als Trennkriterium zwischen den beiden Atemphasen nicht der Richtungswechsel des Gasflusses, sondern der Konzentrationswechsel von Kohlendioxid dient, kann das entnommene Probengas exakt nach der metabolischen Phaseneinteilung getrennt werden.

Die Atemphasen-Trennung nach der metabolischen Phaseneinteilung ergibt auch eine größtmögliche Substanzausbeute bei minimaler Entnahmezeit, d. h. bei minimaler Belastung für den Patienten. Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung können exakt gesteuert exspiratorische oder inspiratorische und bei mehreren Proben­ gasführungen auch sowohl exspiratorische als auch inspiratorische Atemgasproben genommen und untersucht werden.

Die zu untersuchenden Substanzen können alle volatilen Substanzen, aber auch andere Substanzen, beispielsweise Schwermetalle, Allergene wie zum Beispiel Blütenpollen und dergleichen sein.

Zweckmäßigerweise kann in ein Atemgas-durchströmtes Mundstück oder ein Atemschlauchsystem eine Meßküvette als Teil eines Kohlen­ dioxidsensors eingesetzt sein, wobei die Meßküvette eine Probengasentnahmestelle aufweist.

Mit dieser Anordnung kann die Kohlendioxidmessung im Atemgashaupt­ strom erfolgen, wobei die Probengasführung und das Ventil direkt bei der Meßküvette und dergleichen angeordnet sein können. Vorteilhaft bei diesem Hauptstrommeßverfahrens ist dessen hohe zeitliche Auflösung, mit der schnelle Änderungen der CO₂- Konzentration im Atemgas erfaßt werden können.

Vorzugsweise ist an die Probengasführung eine Probengas-Förderein­ richtung angeschlossen, die vorzugsweise zur Förderung von Probengas mit weitgehend konstanter Flußrate ausgebildet ist.

Die konstante Förderung des Probengases ermöglicht unter anderem eine einfache Volumenzuordnung, die für eine exakte Auswertung vorteilhaft ist.

Dabei besteht die Möglichkeit, daß eine Meßeinrichtung zum Messen des geförderten Probengasvolumens zur direkten, volumetrischen Messung oder zum Berechnen des Probengasvolumens aus der Zeit von einem oder mehreren Durchströmungsintervallen sowie dem Förderstromvolumen pro Zeiteinheit vorgesehen ist.

Im letzten Fall ist die Berechnung dann besonders einfach, wenn eine konstante Förderung des Probengases vorgesehen ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß wenigstens zwei Probengasführungen vorgesehen sind, daß das Ventil als Umschaltventil zum wahlweisen Verbinden der Probengasentnahme­ stelle mit einer der Probengasführungen ausgebildet ist und daß vorzugsweise eine der Probengasführungen für Inspirationsgas und die andere Probengasführung für Exspirationsgas vorgesehen ist. Damit lassen sich Atemphasen-synchron gleichzeitig Untersuchungen an Einatemgas- und Ausatemgasproben durchführen.

Besonders vorteilhaft ist hierbei auch, daß durch diese Anordnung die Untersuchung des exspiratorischen Probengases gegebenenfalls verfälschende, in der eingeatmeten Umgebungsluft enthaltene Inhaltstoffe praktisch ausgeblendet werden können. Dazu kann das Meßergebnis des inspiratorischen Probengases mit dem Meßergebnis des exspiratorischen Probengases verglichen und dabei durch Kompensation die Störgröße ausgeblendet werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß mehrere, insbesondere mehr als zwei Probengasführungen vorgesehen sind, die insbesondere mittels eines oder mehrerer Mehrwegeventile für vorgebbare Sequenzen von Atemzügen mit Inspirationsgas oder Exspirationsgas beaufschlagbar sind.

Mit einer solchen Anordnung lassen sich eine Vielzahl unter­ schiedlicher Untersuchungen durchführen, wobei zum Beispiel bei den einzelnen Probengasführungen unterschiedlich empfindliche oder auf unterschiedliche Substanzen reagierende Meßeinrichtungen, Filter oder dergleichen vorgesehen sein können. Auch lassen sich damit Untersuchungen in mehreren, zeitlich gestaffelten Sequenzen durchführen und unter anderem Veränderungen der Substanzkonzen­ tration und dergleichen nachweisen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Probengasführung für das Exspirationsgas und/oder der Probengasführung für das Inspirationsgas als Einrichtung zur Auf­ beziehungsweise Vorkonzentration der zu untersuchenden Substanzen wenigstens ein Filter zur reversiblen Speicherung von Substanzen, insbesondere wenigstens ein chemisches Adsorptionsfilter vorgesehen ist.

Hierbei wird das exspiratorische und/oder inspiratorische Probengas über ein chemisches Adsorptionsmedium geleitet, an welchem sich die zu analysierenden Substanzen durch Adsorption anreichern. Mit speziellen Desorptionsverfahren können die Substanzen vom Adsorptionsmedium getrennt und anschließend der Analyse zugeführt werden. Bei der Atemphasen-synchronen Entnahme von Atemgasproben kann so eine über mehrere Atemzyklen reichende Aufkonzentration der krankheitsmarkierenden Substanzen stattfinden, was deren quantitativen Nachweis erheblich erleichtert oder zum Teil erst ermöglicht.

Solche chemischen Adsorptionsfilter stehen als auswechselbare Filterpatronen zur Verfügung und lassen sich gut handhaben und auf einfache Weise bei den Probengasführungen einsetzen.

Gegebenenfalls ist nahe der Probengasentnahmestelle ein Absperr­ ventil für die abgezweigte Atemgasprobe vorgesehen, das ins­ besondere bei dem in das Atemgas-durchströmten Mundstück oder in das Atemschlauchsystem eingesetzte Zwischenrohr, gegebenenfalls bei der Meßküvette angeordnet ist.

Insbesondere bei mechanisch beatmeten Patienten kann durch das manuell zu betätigende Absperrventil zwischen Meßküvette beziehungsweise Zwischenrohr und Entnahmeventil eine unbeabsichtigte Leckage des Atemschlauchsystems in Phasen, in denen kein Probengas entnommen wird, vermieden werden.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß in ein Atemgas-durchströmtes Mundstück oder ein Atemschlauchsystem ein Zwischenrohr mit einer Probengasentnahmestelle eingesetzt ist, an die über einen Verbindungsschlauch oder dergleichen ein Kohlendioxidmeßgerät vorzugsweise mit integrierter Pumpe angeschlossen ist und daß sich an das Kohlendioxidmeßgerät das Ventil sowie die Probengasführung(en) anschließen.

Der zum Kohlendioxidmeßgerät gehörende Kohlendioxidsensor ist hierbei im abgezweigten Nebenstrom angeordnet. Die Verbindung zwischen Beatmungsanlage und der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht dabei nur in dem Verbindungsschlauch.

Als Kohlendioxidmeßgerät kann ein im klinischen Bereich üblicher­ weise vorhandenes Gerät verwendet werden, in das der Sensor und die Förderpumpe integriert sind.

Insbesondere bei dem Nebenstrommeßverfahren ist es besonders wichtig, daß die Probengas führenden Komponenten aus chemisch inertem Material bestehen.

Dies umfaßt sowohl das Schlauchsystem als auch die weiteren, damit verbundenen Komponenten, wie die Förderpumpe, das Ventil, die Probengasführungen und dergleichen. Dadurch wird verhindert, daß das entnommene Probengas mit Substanzen, die sonst durch das wandmaterial des Schlauchsystems und alle in direktem Kontakt mit dem Probengas stehenden Teile gespeichert wurden, kontaminiert werden.

Um die Gefahr der Kontamination weiter zu verringern, wird vorgeschlagen, die Probengasentnahmestelle möglichst nahe am Mund des Patienten zu installieren. Dazu wird bei spontanatmenden Patienten die Meßküvette/Entnahmerohr in ein Mundstück integriert, bei mechanisch beatmeten Patienten wird die Meß­ küvette/Entnahmerohr zwischen Y-Stück des Schlauchsystems und Endotrachealtubus eingefügt.

Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung zur Auswertung des durch die Kohlendioxidkonzentration als Funktion der Zeit gebildeten Kapnogramms ausgebildet.

Das vom Kohlendioxidmeßgerät gelieferte, atemzyklisch wechselnde CO₂-Signal bildet in seinem zeitlichen Verlauf das Kapnogramm mit einer aufsteigenden und einer abfallenden Flanke sowie einem dazwischen liegenden Kurvenbereich, der als Alveolarplateau bezeichnet wird.

Die Steuereinrichtung wertet dieses Kapnogramm aus, indem auf der aufsteigenden und der abfallenden Kurvenflanke einstellbar festgelegte Umschaltschwellwerte zum Ansteuern des Umschaltventiles dienen.

Dabei besteht die Möglichkeit, daß der im abfallenden Kurvenverlauf liegende Umschaltschwellwert insbesondere an den im Kurvenverlauf des Alveolarplateaus auftretenden Kohlendioxid-Spitzenwert gekoppelt ist und vorzugsweise etwa 70% bis 95% dieses Spitzenwertes beträgt. Für die Detektion der ansteigenden und der abfallenden Flanke des Kapnogramms kann eine absolute oder eine relative CO₂- Konzentration, bezogen auf vorangegangene definierte Werte der CO₂-Konzentration als Schaltschwelle verwendet werden.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Blockbild-Darstellung einer mit einem spontanatmenden Patienten verbundenen Vorrichtung zur Probengas-Entnahme,

Fig. 2 eine schematische Blockbild-Darstellung einer mit einem mechanisch beatmeten Patienten verbundenen Vorrichtung zur Probengas-Entnahme,

Fig. 3 eine schematische Blockbild-Darstellung einer Vorrichtung zur Probengas-Entnahme unter Verwendung eines nach dem Nebenstromverfahren arbeitenden CO₂-Meßgerätes,

Fig. 4 ein Diagramm mit einem Ausschnitt aus einem Kapnogramm und

Fig. 5 bis Fig. 9 schematische Blockbild-Darstellungen mit unterschiedli­ chen Kombinationen der Anordnung von chemischen Adsorptionsfiltern.

Eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur atemphasen­ synchronen Entnahme von Atemgasproben beim spontanatmenden, wachen und kooperativen Patienten 2. Der Patient, dessen Nase mit einer Klemme 3 verschlossen ist, atmet Raumluft (Pfeil Pf 1), die auch mit Testsubstanzen der unterschiedlichsten Art, zum Beispiel mit radioaktiv markierten Substanzen, Antigenen, Allergenen und dergleichen versetzt sein kann, über ein Mundstück 4. In das vom Atemgas-Hauptstrom durchströmte Mundstück ist als Teil eines Kohlendioxidsensors 22 eine Meßküvette 5 eines kommerziellen CO₂- Hauptstrommeßgerätes 6 eingesetzt. An der Küvette 5 befindet sich eine Probengasentnahmestelle 19, die mit einem elektrisch ansteuerbares 3/2-Wege-Entnahmeventil 7 verbunden ist. Die beiden Ausgänge dieses Ventiles 7 sind an zwei Probengasführung 20, 21 angeschlossen, deren andere Enden verbunden und über einen Summenzweig 10 an eine Förderpumpe 12 angeschlossen sind.

Die Förderpumpe 12 zieht mit konstanter Flußrate Probengas aus der Meßküvette 5 nach außen (Atmosphäre) ab. Je nach Schaltstellung des Entnahmeventils 7 wird das Probengas durch einen der beiden parallelen Zweige 8 oder 9 mit den Probengasführungen 20, 21 und durch den gemeinsamen Summenzweig 10 gespült. Je nach der gewünschten Atemgas-Untersuchung können ein oder mehrere chemische Adsorptionsfilter 11 in die Probengasführungen 20, 21 eingesetzt werden.

Der im Atemgas-Hauptstrom messende Kohlendioxidsensor 22 ist mit einem CO₂-Meßgerät 6 verbunden, das an eine elektronische Steuereinheit 13 elektrische Spannungssignale liefert, die der CO₂-Konzentration des Atemgases im Bereich der Meßküvette 5 proportional ist. Die Steuereinheit 13 analysiert das Kapnogramm (CO₂-Konzentration als Funktion der Zeit) und gibt bei ansteigender und abfallender Flanke jeweils einen Umschaltimpuls an das Entnahmeventil 7, worauf dieses seine Schaltposition verändert. Das Umschalten bei ansteigender und bei abfallender Flanke des Kapnogramms erfolgt bei einem einstellbaren absoluten oder relativen Schwellwert der CO₂-Konzentration. Die Steuereinheit 13 beinhaltet die Messung und Anzeige des über mehrere Atemzüge hinweg geförderten Probengasvolumens.

Durch jeden Schaltimpuls der Steuereinheit wird zwischen zwei möglichen Positionen des Entnahmeventils gewechselt. Auf diese Weise ist die Schaltposition des Entnahmeventils über beliebig viele Atemzyklen hinweg durch die momentane CO₂-Konzentration definiert. Bei CO₂-freiem Atemgas geht das Ventil beispielsweise in die Position "1" und bei CO₂-haltigem Atemgas in die Ventilposi­ tion "2".

Die beiden variablen Ausgänge des Entnahmeventils sind pneumatisch parallel geschaltet und über die Zweige 8 und 9 sowie den Summenzweig 10 mit der Förderpumpe 12 verbunden, mit der Probengas mit konstanter Förderrate durch die beiden parallelgeschalteten Ausgangskanäle des Entnahmeventils und damit durch die beiden Probengasführungen 20, 21 gefördert werden kann. Über einen der parallelen Zweige wird intermittierend, d. h. über mehrere Atemzyklen hinweg, CO₂-freies Probengas gefördert, über den zweiten parallelen Zweig wird intermittierend CO₂-haltiges Probengas gefördert, welches aus dem physiologischen Gasaustausch des Patienten stammt.

Die gegebenenfalls nach Inspiration und Exspiration getrennte Bestimmung des Probengasvolumens erfolgt entweder durch direkte Volumenmessung in den beiden parallelen Zweigen 8 und 9 oder indirekt durch Zeitmessung, insbesondere durch kumulative Messung der Zeitintervalle der beiden Ventilpositionen des Entnahmeventi­ les. Da die Flußrate der Förderpumpe 12 konstant ist, ergibt sich das durch den Parallelzweig 8 oder 9 geförderte Probengasvolumen aus dem Produkt, Gesamtzeit der Schaltposition des Ventiles für den Zweig 8 oder 9 mal Pumpenfluß.

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 1a dient zur Atemphasen­ synchronen Entnahme von Atemgasproben bei mechanisch beatmeten Patienten 2. Der Patient wird durch ein Beatmungsgerät 23 entweder kontrolliert beatmet oder seine Spontanatmung wird durch das Beatmungsgerät unterstützt. Die Atemwege des Patienten sind über das Atemschlauchsystem 24 und den endotrachealen Tubus 15 pneumatisch mit dem Beatmungsgerät verbunden. Zwischen einem Y- Stück 16 des Schlauchsystems und dem endotrachealen Tubus 15 ist auch hier die Meßküvette 5 des CO₂-HauptstrommeßgeräteS 6 eingesetzt. An der Probengasentnahmestelle der Küvette ist ein manuell zu betätigendes Absperrventil 14 angeschlossen. Das Absperrventil 14 verbindet die Meßküvette 5 mit dem elektrisch ansteuerbaren 3/2-Wege-Entnahmeventil 7.

Bei geöffnetem Absperrventil 14 zieht die Förderpumpe 12 mit konstanter Flußrate Probengas aus der Meßküvette 5 nach außen (Atmosphäre) ab. Die Funktion aller übrigen Komponenten entspricht der Anordnung gemäß Fig. 1.

Bei der Anwendung der Probengasentnahme-Einrichtung bei mechanisch beatmeten Patienten werden Entnahmeventil und die chemischen Adsorptionsfilter durch eine einfach zu handhabende Klemmhalterung mit der Meßküvette verbunden.

Fig. 3 zeigt die Probengasentnahme-Vorrichtung 1b bei Verwendung eines CO₂-Meßgerätes, das nach dem Nebenstromprinzip arbeitet. In ein Mundstück 4 oder ein Atemschlauchsystem ist hier ein Zwischenrohr 25 mit einer Probengasentnahmestelle 19 eingesetzt, die über einen Verbindungsschlauch 17 mit dem Nebenstrom-CO₂- Meßgerät verbunden ist. Das Zwischenrohr 25 wird beim spontan­ atmenden Patienten in das Mundstück 4 und beim mechanisch beatmeten Patienten anstelle der Hauptstrom-Meßküvette 5 in das Atem­ schlauchsystem 4 (Fig. 1 und 2) eingesetzt.

Durch eine seitliche Bohrung als Probengasentnahmestelle 19 in dem Zwischenrohr 25 wird mit Hilfe einer im Nebenstrom-Kohlen­ dioxidmeßgerät 26 integrierten Pumpe Probengas über den Verbin­ dungsschlauch 17 mit konstanter Flußrate abgesaugt. Durch die integrierte Pumpe kann bei dieser Anordnung eine separate Förderpumpe entfallen.

Auch der Kohlendioxidsensor befindet sich innerhalb des Kohlen­ dioxidmeßgerätes 26.

Das elektrisch ansteuerbare 3/2-Wege-Entnahmeventil 7 ist direkt mit dem Probengasauslaß 18 des Nebenstrom-Meßgerätes 26 verbunden. Das Entnahmeventil 7 wird von der elektronischen Steuereinrichtung 13 angesteuert, welches das CO₂-proportionale elektrische Spannungssignal vom Nebenstrom-Kohlendioxidmeßgerät 26 empfängt. Die nachfolgende Anordnung mit den beiden Probengasführungen 20, 21 in den parallelen Zweigen 8 und 9 und dem gemeinsamen Summenzweig 10 und dem chemischen Adsorptionsfilter 11 entspricht der Anordnung gemäß Fig. 1 und 2. Der Summenzweig 10 ist nach Atmosphäre hin offen.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Kapnogramm eines mechanisch beatmeten Patienten. Der gezeigte Ausschnitt stammt aus der Exspirationsphase. Nach Ausatmung des Totraumvolumens steigt die CO₂-Konzentration steil an und bleibt für die Dauer des Alveolar­ plateaus erhöht. Das aus dem physiologischen Gasaustausch stammende Gas ist durch das Alveolarplateau des Kapnogramms markiert. Im Kapnogramm sind als Realisierungsbeispiele die Umschaltpunkte zur Ansteuerung des Entnahmeventils markiert.

A ist der Umschaltpunkt bei ansteigender Flanke und B der Umschaltpunkt bei abfallender Flanke. Der Umschaltpunkt A bei ansteigender Flanke des Kapnogramms kann bei einem voreinstellbaren absoluten Schwellwert, z. B. 3.5 Vol-% CO₂, liegen. Der Umschalt­ punkt A kann aber auch aus der Kohlendioxidkurve der vor­ ausgegangenen Exspiration ermittelt werden.

Der Umschaltpunkt B bei abfallender Flanke des Kapnogramms liegt bei einem einstellbaren und vorzugsweise relativen Wert, der auf den Maximalwert C der CO₂-Konzentration im momentanen Alveolar­ plateau bezogen ist. Die CO₂-Konzentration im Punkt B kann beispielsweise 80% der CO₂-Konzentration im Punkt C entsprechen.

Die Fig. 5 bis 9 zeigen die durch die im Ausführungsbeispiel zwei Probengasführungen 20, 21 möglichen fünf Analysetechniken, die auch durch die Anzahl sowie den Einbauort der chemischen Adsorptionsfilter 11 in die beiden Probengasführungen 20, 21 der parallelgeschalteten Zweige 8,9 definiert sind. Durch Umschalten des Entnahmeventils 7 wird entweder Probengas durch die Proben­ gasführung 20 in dem Zweig 8 oder durch die Probengasführungen 21 in dem Zweig 9 gefördert. Durch welchen Zweig gerade Probengas gefördert wird, wird von der momentan gemessenen CO₂-Konzentration definiert.

Wird CO₂-freies Atemgas detektiert, geht das Ventil 7 beispiels­ weise in die Ventilposition "1", in der die Probengasführung 20 durchströmt wird.

Wird dagegen CO₂-haltiges Atemgas detektiert, geht das Ventil 7 in die andere Ventilposition "2", in der die Probengasführung 20 durchströmt wird.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der nur inspiratorisches Atemgas untersucht wird. Ein Adsorptionsfilter 11a befindet sich im Inspirationszweig 8 und der Exspirationszweig 9 ist als Bypass geschaltet.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der nur exspiratorisches Atemgas untersucht wird. Ein Adsorptionsfilter 11 befindet sich im Exspirationszweig 9 und der Inspirationszweig 8 ist als Bypass geschaltet.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung, bei der inspiratorisches und exspiratorisches Atemgas simultan und zusammen untersucht werden. Ein Adsorptionsfilter 11b befindet sich im gemeinsamen Summenzweig 10 und Inspirations- und Exspirationsgas werden durch die Zweige 8 und 9 zugeführt.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung, bei der inspiratorisches und exspiratorisches Atemgas simultan und getrennt untersucht werden. Je ein Adsorptionsfilter 11a und 11 befinden sich im Inspirations­ zweig 8 und im Exspirationszweig 9.

Fig. 9 zeigt schließlich eine Anordnung, bei der inspiratorisches und exspiratorisches Atemgas simultan zusammen und getrennt untersucht werden. Je ein Adsorptionsfilter 11, 11a, 11b befindet sich im Exspirationszweig 9, im Inspirationszweig 8 und im gemeinsamen Summenzweig 10.

Kurz zusammengefaßt ergeben sich im wesentlichen nachfolgende Vorteile:

• 1. Vermeidung der Kontamination des Probengases mit gespeicherten Substanzen und damit eine Interferenz mit der chemischen Analyse (Verfälschung der Analyseresultate).
• 2. Entnommenes Probengas wird über mehrere Atemzyklen hinweg exakt nach der metabolischen Phaseneinteilung getrennt.
• 3. Die Trennung nach der metabolischen Phaseneinteilung ergibt eine größtmögliche Substanzausbeute bei minimaler Entnahme­ zeit, d. h. bei minimaler Belastung für den Patienten.
• 4. Keine zusätzlichen Strömungswiderstände in den Atemwegen des Patienten.
• 5. Universelle Einsetzbarkeit.
• 6. Alle denkbaren Untersuchungskombinationen für Inspirations- und Exspirationsgas.
• 7. Minimaler Totraum.
• 8. Hohe zeitliche Auflösung der Änderungen der CO₂-Konzentration im Atemgas.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Entnahme von inspiratorischen und/oder exspiratorischen Atemgasproben aus dem Atemgas eines Patienten zur Untersuchung von in den Atemgasproben enthaltenen Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Probengasführung (20, 21) oder eine Sammeleinrichtung für vom Atemgas abgezweigte Atemgasproben vorgesehen ist, daß entweder eine direkte Meßeinrichtung für zu untersuchende Substanzen oder eine Einrichtung (11) zur Auf- beziehungsweise Vorkonzen­ tration der zu untersuchenden Substanzen vorgesehen ist oder mit der Probengasführung beziehungsweise der Sammeleinrichtung verbunden ist, daß in der Nähe des Probengas-Eintritts­ bereiches der Probengasführung (20, 21) ein mit einem Kohlendioxidmeßgerät (6) verbundener Kohlendioxid-Sensor (22) angeordnet ist, und daß vor der Probengasführung ein Ventil (7) angeordnet ist, das mit einer an das Kohlendioxidmeßgerät (6) angeschlossenen Steuereinrichtung (13) in Steuerverbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Atemgas-durchströmtes Mundstück (4) oder ein Atemschlauch­ system (24) eine Meßküvette (5) als Teil eines Kohlen­ dioxidsensors (22) eingesetzt ist und daß die Meßküvette (5) eine Probengasentnahmestelle (19) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Probengasführung (20, 21) eine Probengas-Förderein­ richtung (12) angeschlossen ist, die vorzugsweise zur Förderung von Probengas mit weitgehend konstanter Flußrate ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Probengasführungen (20, 21) vorgesehen sind, daß das Ventil als Umschaltventil (7) zum wahlweisen Verbinden der Probengasentnahmestelle (19) mit einer der Probengasführungen (20, 21) ausgebildet ist und daß vorzugsweise eine der Probengasführungen (20) für Inspirationsgas und die andere Probengasführung (21) für Exspirationsgas vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (7) als Mehrwegeventil, insbesondere als 3/2-Mehrwegeventil ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, insbesondere mehr als zwei Probengasführungen vorgesehen sind, die insbesondere mittels eines oder mehrerer Mehrwegeventile für vorgebbare Sequenzen von Atemzügen mit Inspirationsgas oder Exspirationsgas beaufschlagbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Probengasführungen (20, 21) an ihren der Probengasentnahmestelle (19) beziehungsweise dem Ventil (7) abgewandten Enden miteinander verbunden und vorzugsweise dort gemeinsam an die insbesondere durch eine Pumpe (12) gebildete Fördereinrichtung angeschlossen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Probengasführung (21) für das Exspirationsgas und/oder der Probengasführung (20) für das Inspirationsgas als Einrichtung zur Auf- beziehungsweise Vorkonzentration der zu untersuchenden Substanzen wenigstens ein Filter zur reversiblen Speicherung von Substanzen, insbesondere wenigstens ein chemisches Adsorptionsfilter (11, 11a) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Summenzweig (10) der Proben­ gasführungen (21, 20) für Exspirations- und Inspirationsgas wenigstens ein Filter zur reversiblen Speicherung von Substanzen, insbesondere wenigstens ein Adsorptionsfilter (11b) als Einrichtung zur Auf- beziehungsweise Vorkonzentration der volatilen Substanzen vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Atemgas-durchströmtes Mundstück (4) oder ein Atemschlauchsystem (24) ein Zwischenrohr (25) mit einer Probengasentnahmestelle (19) eingesetzt ist, an die über einen Verbindungsschlauch (17) oder dergleichen ein Kohlendioxidmeßgerät (26), vorzugsweise mit integrierter Pumpe angeschlossen ist und daß sich an das Kohlendioxidmeßgerät das Ventil (7) sowie die Probengasführung(en) (20, 21) anschließen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise nahe der Probengasentnahme­ stelle (19) ein Absperrventil (14) für die abgezweigte Atemgasprobe vorgesehen ist, das insbesondere bei dem in das Atemgas-durchströmte Mundstück (4) oder in das Atem­ schlauchsystem (24) eingesetzte Zwischenrohr (25), gegebenen­ falls bei der Meßküvette (5) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltschwellwerte der Kohlendioxid­ konzentration bei der Steuereinrichtung (13) zur Umschaltung des Ventiles (7) einstellbar sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung zum Messen des geförderten Probengasvolumens vorgesehen ist und daß diese Einrichtung zur direkten, volumetrischen Messung oder zum Berechnen des Probengasvolumens aus der Zeit von einem oder mehreren Durchströmungsintervallen sowie dem Förderstromvolu­ men pro Zeiteinheit ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zum getrennten Messen des geförderten, inspiratorischen Probengasvolumens und des exspiratorischen Probengasvolumens ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Probengas führenden Komponenten aus chemisch inertem Material bestehen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltzeit des Umschaltventiles gleich oder weniger als 25 ms beträgt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Phasendis­ kriminator zur Erkennung des Phasenwechsels zwischen den beiden Atemphasen aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zur Auswertung des durch die Kohlendioxidkonzentration als Funktion der Zeit gebildeten Kapnogramms ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umschaltschwellwerte für das Umschalten des Ventiles innerhalb des aufsteigenden und des abfallenden Kurvenverlaufes des Kapnogramms befinden und daß zumindest der im abfallenden Kurvenverlaufliegende Umschalt­ schwellwert insbesondere an den im Kurvenverlauf auftretenden Kohlendioxid-Spitzenwert gekoppelt ist und vorzugsweise etwa 70% bis 95% dieses Spitzenwertes beträgt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Probengasentnahmestelle (19) nahe am Mund des Patienten (2) angeordnet ist.