DE19960257C1

DE19960257C1 - Ergospirometriesystem für Tiere, insbesondere Pferde, Kamele oder dergleichen

Info

Publication number: DE19960257C1
Application number: DE19960257A
Authority: DE
Inventors: Mathias Gehrke; Ralf Henker; Claus-Peter Kretschmer
Original assignee: Cortex Biophysik GmbH
Current assignee: Cortex Biophysik GmbH
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2001-08-16
Anticipated expiration: 2019-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ergospirometriesystem für Tiere, insbesondere Pferde, Kamele oder dergleichen, umfassend eine trichterförmige, zylindrische oder halbkugelförmige Atemgasmaske, Gasvolumenstrom- oder Mengensensor sowie eine Meßeinheit mit Sensoren zur Bestimmung der CO¶2¶/O¶2¶-Konzentration im Atemgas nach dem Mischkammer- oder Breath-by-Breath-Prinzip und Anschluß- und/oder Signalübertragungsmittel zur Meßwert-Weiterverarbeitung, -Darstellung und/oder -Analyse in einer Basisstation. Erfindungsgemäß sind an der Atemgasmaske Mittel zur Befestigung eines von der Maske lösbaren Volumenstromsensorgehäuses vorgesehen. Das Volumenstromsensorgehäuse weist Strömungskammern auf, wobei die Strömungskammern jeweils Öffnungen umfassen, welche einerseits in Strömungskontakt mit zugehörigen Öffnungen der Maske und andererseits zur Umgebung stehen. Weiterhin sind innerhalb der Strömungskammern durch in Strömungsrichtung verlaufende, parallel und beabstandet angeordnete Blenden Strömungskanäle gebildet, wobei die Blenden versetzt ausgebildete Öffnungen vorgebbaren Querschnitts besitzen, deren Schwer- oder Mittelpunkte im wesentlichen auf einer gedachten Verbindungslinie liegen. An den Endpunkten der gedachten Linien sind Ultraschllwandler zur Bestimmung des Volumenstroms befindlich, wobei die Schallkeule der Wandler im wesentlichen entlang der Verbindungslinie verläuft. Darüber hinaus wird eine spezielle Pneumatiksteuerung für Anwendung beim Mischkammer-Prinzip und ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Ergospirometriesystem für Tiere, insbesondere Pferde, Kamele oder dergleichen, umfassend eine trichterförmige, zylindrische oder halbkugelförmige Atemgas maske, Gasvolumenstrom- oder Mengensensor sowie eine Meßeinheit mit Sensoren zur Bestimmung der CO₂/O₂-Konzentration im Atemgas nach dem Mischkammer- oder Breath-by-Breath-Prinzip und An schluß- und/oder Signalübertragungsmittel zur Meßwert-Weiter verarbeitung, -Darstellung und/oder -Analyse in einer Basis station, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mobile Ergospirometriegeräte, z. B. für Belastungsuntersuchungen beim Menschen außerhalb des Labors sind seit einigen Jahren bekannt. Mit Hilfe derartiger mobiler Systeme lassen sich Analysen direkt auf dem Sport- oder am Arbeitsplatz unter natürlichen Bedingungen und Belastungssituationen durchführen. Über Telemetrieeinheiten werden die Meßdaten in Echtzeit an einen Personal-Computer oder ein Notebook übertragen, wobei eine entsprechende Steuerung des Trainings- oder Übungsverlaufs nach Auswertung der Daten möglich ist. Durch derartige Geräte wurden neue Anwendungsgebiete in der Leistungsdiagnostik, in Arbeits-, Sport- und der Rehabilitationsmedizin erschlossen.

Aus der PCT-WO 98/53732 ist ein tragbares Ergospirometriesystem mit einer Telemetrie-Datenübertragungseinheit bekannt. Mit der dort gezeigten Anordnung sollen individuelle Parameter hin sichtlich der Sauerstoffaufnahme und der Kohlendioxidproduktion erfaßbar, d. h. eine Atemanalyse in Verbindung mit der Bestim mung des Herzrhythmus unter natürlichen Umgebungsbedingungen des Menschen möglich sein.

Gemäß der bekannten Lehre besitzt eine tragbare Einheit, die am Probanden befestigt ist, neben einer Atemmaske eine Gasanalyse- Einrichtung zur Bestimmung der O₂- und CO₂-Werte des Meßgases. Weiterhin ist dort ein Herzfrequenz-Monitor vorgesehen, wobei die Meßwerte einem Mikroprozessor zugeführt werden, der Bestandteil der tragbaren Einheit ist. Die Meßwerte werden in einem internen Speicher abgelegt und über eine Telemetrie strecke zu einem Telemetrieempfänger übertragen, der wiederum mit einem Personal-Computer-System in Verbindung steht.

Mobile Ergospirometriesysteme und die dort vorhandene Technik insbesondere zur Bestimmung des Volumenstroms bei menschlichen Probanden lassen sich nicht ohne weiteres für veterinärdiagno stische Zwecke anwenden oder übertragen.

Beispielsweise verändert sich bei Pferden die Atemzugsanzahl pro Minute ausgehend von einem Ruhewert im Bereich von 10 bis 14 bei Belastung auf bis maximal 120 bis 150 Atemzüge mit der Folge erheblicher, variierender Volumenströme. Darüber hinaus tragen Tiere einen wesentlich höheren Feuchteanteil aus, wodurch eingesetzte Sensoren bedingt durch Feuchteablagerungen beschädigt oder in der Funktion beeinträchtigt werden können, mit der Folge unzureichender Meßergebnisse oder mangelnder Zuverlässigkeit derartiger Geräte.

Weiterhin kann bei Anwendung des Mischkammer-Prinzips eine notwendige Pumpe für den Pneumatikkreislauf der in der Regel viel höheren Atemfrequenz der Tiere nicht oder nicht aus reichend folgen, wobei zusätzlich die Gefahr besteht, daß der im Absaugschlauch, welcher zwischen Volumenstromsensor und Pumpe angeordnet ist, entstehende Unterdruck wegen der Atemfrequenz und der größeren Länge kritische Werte erreicht, wobei hier die Gefahr besteht, daß nach Beendigung der Expirationsphase Umgebungsluft angesaugt wird und eine Meßwerteverfälschung eintritt.

Aus der US PS 4,546,768 ist eine Inhalationsvorrichtung für Tiere, insbesondere Pferde bekannt. Die dortige Vorrichtung umfaßt eine Maske, die mit einer Verdampfungseinrichtung in Verbindung gebracht werden kann. Der Verdampfer selbst arbeitet im Rhythmus der Atmungszyklen. Eine solche Atemmaske ist jedoch nicht für ein Ergospirometriesystem geeignet, da keine reproduzierbaren Strömungsverhältnisse für die notwendige Sensorik gegeben sind.

Bei der Atemmaske für Pferde gemäß US PS 4,273,119 handelt es sich um einen Filter zum Schutz gegen Insekten. Eine solche Maske ist nicht für eine medizinische Datenerfassung geeignet.

Aus der WO 94/11733 ist ein System zur Messung der Gasemission bei einem Großtier vorbekannt. Konkret wird eine Gasanalyse auf der Basis einer Probenentnahme vorgenommen. Ergospirometrische Messungen können mit einer solchen Anordnung jedoch nicht durchgeführt werden.

Grundsätzlich sind Ergospirometriesysteme zur Anwendung beim Menschen auf der Basis einer Ultraschallmessung und zur Analyse des Atemgases bekannt. Hier wird beispielsweise auf die US PS 5,645,071 verwiesen. Die dort gezeigte Lehre gibt jedoch keinerlei Anregungen die bekannte Technik so auszugestalten, daß diese ohne weiteres für Großtiere, insbesondere Pferde eingesetzt werden kann.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Ergospirometriesystem für Tiere, insbesondere Pferde, Kamele oder dergleichen anzugeben, welches von einer Meßeinheit mit Sensoren zur Bestimmung der CO₂/O₂-Konzentration im Atemgas und einem speziellen Gasvolumen- oder Mengensensor ausgeht, wobei weiterhin Anschluß- und/oder Signalübertragungsmittel zur Meßwert-Weiterverarbeitung, -Darstellung und/oder -Analyse vorgesehen sind; bei dem es gilt, bedingt durch die speziellen Gegebenheiten hinsichtlich insbesondere der Atemfrequenz und des notwendigen Abstands zwischen der Anordnung eines Volumensensors und der Meßeinheit mit den Sensoren zur Bestimmung der CO₂/O₂-Konzentration eine Lösung zu finden, die auch dann für exakte Meßwerte Sorge trägt, wenn Nässe und Verschmutzung, die vom Tier herrühren, beim Atmen in einen Strömungskörper gelangen, welcher den Volumensensor aufweist, oder wenn derartige Verschmutzungen beim Einatmen aufgenommen werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst, und die Unteransprüche geben zweckmäßige Ausführungsarten der Erfindung an, insbesondere auch mit Blick auf die Pneumatik steuerung für ein Mischkammer-Meßprinzip.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht dabei darin, bei dem Ergospirometriesystem für Tiere an der Atemgasmaske Mittel zum Befestigen eines von der Maske lösbaren Volumenstromsensorgehäuses vorzusehen. Diese Befestigungsmittel können form- und/oder kraftschlüssig, z. B. nach dem Snap-in- Prinzip ausgebildet sein, so daß vor Ort zunächst in einfacher Weise die Maske am Tier fixiert und abgedichtet werden kann, um dann in einem nächsten Schritt das Sensorgehäuse mit seinen elektrischen bzw. pneumatischen Anschlüssen an der Maske sicher zu fixieren.

Auch ohne Wechsel der Atemgasmaske soll ein schneller und einfacher Austausch des Volumenstromsensorgehäuses entsprechend den jeweiligen Versuchsbedingungen möglich sein.

Die Anwendung des Mischkammer-Prinzips stellt dabei sicher, daß nicht unerwünscht Umgebungsluft angesaugt wird oder daß ein per se eine gewisse Trägheit aufweisendes Pneumatiksystem zu Meßwert- Verfälschungen führt, wenn die Atemfrequenz bei Belastung des Tieres erhöht ist.

Der zum Ergospirometriesystem gehörende Volumenstromsensor ist demnach geeignet, unter realen Umweltbedingungen sowohl in Ruhestellung als auch bei Bewegung des Tieres auf einem Laufband oder natürlicher Bewegung über kurze und längere Zeiten exakte Meßwerte zu liefern.

Das vorgestellte Volumenstromsensorgehäuse weist mindestens eine Strömungskammer auf, wobei die Strömungskammer jeweils Öffnungen umfaßt, die einerseits im Strömungskontakt mit der oder den zugehörigen Öffnungen der Maske und andererseits zur Umgebung hin stehen.

Innerhalb der Strömungskammern werden durch in Strömungsrich tung verlaufende, parallel und beabstandet angeordnete Blenden Strömungskanäle gebildet. Die Blenden besitzen versetzt ausge bildete Öffnungen vorgebbaren Querschnitts, bevorzugt kreisrund oder elliptisch. Die Schwer- oder Mittelpunkte der Öffnungen verlaufen im wesentlichen auf einer gedachten Verbindungslinie, die sich wiederum bevorzugt diagonal in der jeweiligen Kammer ausrichtet.

An den Endpunkten der gedachten Linie sind Ultraschallwandler zur Bestimmung des Volumenstrom befindlich, wobei die Schall keule der Wandler im wesentlichen entlang der Verbindungslinie verläuft.

Die Wandler sind jeweils abwechselnd in einer Betriebsart als Sender oder Empfänger geschaltet, wodurch der Einfluß von Störgrößen gemindert und Meßfehler eliminiert werden können.

Mit Hilfe der die Strömungskanäle bildenden Blenden wird das vorbeiströmende Atemgas gleichgerichtet bzw. homogenisiert, bleibt aber turbulent, ohne daß unerwünschte Verwirbelungen auftreten. Weiterhin dienen die Blenden mit ihren Öffnungen einer gezielten Beeinflussung der Ausbreitung des Ultraschall signals mit der Folge, daß unerwünschte Reflexionen unterdrückt bzw. ausgeblendet werden. Durch Steuerung des zeitlichen Verlaufs der Ultraschallsignale und eine hierauf abgestellte Signalanalyse verbessert sich die Aussagegenauigkeit der Volumenstrom-Informationen, welche eine Voraussetzung für die objektive Meßwerterfassung sind.

Durch Auswahl der Ultraschallfrequenz und Aufbringen einer widerstandsfähigen, schmutz- und wasserabweisenden Ober flächenbeschichtung der Wandler gelingt es, ausreichend hohe Schallenergie zu erzeugen bzw. die Selektivität der Wandler zu sichern, so daß unweigerliche Veschmutzungen auf den Ultra schallwandlern das Meßergebnis nicht oder nur unwesentlich verfälschen. Beispielsweise kann eine solche Beschichtung aus Polytetrafluorethylen, einem partiell aromatischen Polyamid oder einem ähnlichen Material bestehen. Die Arbeitsfrequenz der Wandler liegt im Bereich von im wesentlichen 350 bis 500 kHz, vorzugsweise bei 400 bis 450 KHz.

Die Atemgasmaske ist derart abgedichtet am Kopf des Tieres angebracht, daß der Atemgasstrom ausschließlich zu und über den im Volumenstromsensorgehäuse vorgesehenen Strömungskammern führt, wobei zwischen dem Volumenstromsensorgehäuse und der Maske weitere Dichtmittel oder Dichtflächen vorgesehen sein können.

Die Ultraschallwandler sind mit dem umgebenden Gehäuse des Volumenstromsensors stoff- und/oder formschlüssig verbunden, wobei bevorzugt die eingesetzten Wandler eine gering dimensionierte Wandlerfläche mit einer Strahlungskeule kleinen Öffnungswinkels aufweisen.

Die Blenden innerhalb der Strömungskammern besitzen eine geringe, strömungsoptimierte Dicke und eine weitgehend ebene, glatte Oberfläche. Bevorzugt kommt Edelstahlmaterial mit einer Breite im Bereich von 0,15 bis 0,45 mm, bevorzugt 0,2 bis 0,4 mm zum Einsatz.

Innerhalb des Volumenstromsensorgehäuses ist eine Signalvorverarbeitungs-Elektronik zur Ansteuerung der Wandler und zur Bestimmung des Volumenflusses angeordnet, wobei die derartig vorverarbeiten, nunmehr unkritischeren Signale über eine entsprechende elektrische Verbindung zur Meßeinheit übertragbar sind.

Am Volumenstromsensorgehäuse ist ein Gasabsaug-Anschlußstutzen zur Herstellung einer Verbindung mit dem Zweck des Gastransports in die abgesetzt angeordnete Meßeinheit vorgesehen.

Das Volumenstromsensorgehäuse selbst kann aus Kunststoff gefertigt sein und besitzt eine im wesentlichen symmetrische Grundform mit zwei benachbarten Strömungskammern, wobei die Strömungskammern sich in verlängerter Richtung der Öffnungen in der Atemgasmaske, bevorzugt im Bereich der Nüstern des Tieres erstrecken. Der zwischen den Strömungskammern verbleibende Raum kann zur Aufnahme der Signalvorverarbeitungs-Elektronik ausge bildet sein.

In jeder Strömungskammer sind Ultraschallwandler angeordnet, wobei durch die zugehörige Auswerteelektronik die Gasvolumina bzw. der Volumenfluß je Kammer und der Summenfluß ermittelbar sind bzw. ist.

Die am Körper des Tieres oder am Körper einer führenden Person angeordnete Meßeinheit mit CO₂/O₂-Sensoren besitzt ein Tele metriemodul, wobei die Basisstation, welche entfernt angeordnet ist, eine Telemetrieeinheit zum Aufbau einer uni- oder bidirektionalen Daten- und/oder Befehlsübertragungsstrecke aufweist.

Mit Hilfe der Telemetrie besteht die Möglichkeit, Online-Daten zu erfassen, diese zu verarbeiten, mindestens teilweise auszu werten, aber auch gleichzeitig Steuersignale zur Meßeinheit bzw. zur Führungsperson zu senden.

Die Telemetrieeinheit der Basisstation kann weiterhin eine automatische Frequenzwahl-Einrichtung aufweisen, um nach Scannen des relevanten Frequenzbands und/oder nach Ablauf einer Testdaten-Übertragungsprozedur eine Telemetriefrequenz mit erwarteter optimaler Übertragungsqualität festzulegen bzw. auszuwählen.

Durch einen Speicher zur Datensicherung, welcher in der Meß einheit befindlich ist, besteht die Möglichkeit, in diesem Speicher Datensätze im definierten Format aus atemzugsbezogenen Meßdaten für jeden Atemzug und/oder für sämtliche oder ausge wählte Meßgrößen die kompletten Meßdatenverläufe über wählbare Intervalle zu wählbaren Startzeiten abzulegen.

Ergänzend können in der Meßeinheit Sensoren zur Bestimmung der Umgebungstemperatur und/oder der Atemgasfeuchte und/oder weiterer relevanter Größen, wie z. B. Differenzdruckwerte, vorgesehen sein, wobei diese Sensorwerte z. B. zur Kalibrierung und Korrektur der Atemgas-Sensorwerte herangezogen werden können.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Meßeinheit eine Mischkammer mit einer Pneumatiksteuerung vorhanden, wobei an der Mischkammer die CO₂/O₂-Sensoren, mit dieser in Strö mungsverbindung stehend, angeschlossen sind.

Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform eine Pumpe mit einem Absaugschlauch vorgesehen, wobei der Absaugschlauch zum Volumenstromsensorgehäuse bzw. zum dort vorgesehenen Gasabsaug- Anschlußstutzen führt und wobei über die Pneumatiksteuerung zwei Strömungskreisläufe für Expiration und Inspiration schaltbar sind.

Die in der Meßeinheit vorgesehene Pumpe arbeitet quasi im Dauerbetrieb, wobei während der Inspiration die Pumpe mit einem Ruhewert einen Bypass-Strömungskreislauf versorgt, wodurch ein Eindringen von Umgebungsluft in die Mischkammer und/oder den Absaugschlauch wirksam verhinderbar ist.

Bei Expiration wird die Pumpe volumenstromgesteuert und ver sorgt die Mischkammer mit Atemgas, wobei während der Über gangsphase von Expiration zu Inspiration der Druckausgleich über eine durch die Pneumatiksteuerung zeitweise geschaltete Verbindung zwischen Mischkammer und Pumpeneingang erfolgt, wodurch das Eindringen von Umgebungsluft in den Absaugschlauch vermieden werden kann.

Durch die kontinuierliche Arbeitsweise der Pumpe, während der Inspiration mit einem definierten Ruhewert und bei Expiration gesteuert durch den Volumenstrom, ist keine Beschleunigung der Pumpe aus dem quasi Stillstand erforderlich, so daß auch eine entsprechend hohe Atmungsfrequenz, wie bei Tieren üblich, die Meßwerterfassung nicht beeinträchtigt.

Die Meßeinheit kann weiterhin Anzeige- und Bedienungemittel aufweisen, wodurch bestimmte Meßwerterfassungs- und -aus wertemodi gewählt, werden können und insbesondere durch eine das Tier führende Person eine erste Auswertung der Ergebnisse vor genommen werden kann.

Die bevorzugt über eine Telemetrieeinheit mit Daten versorgte Basisstation ist durch einen üblichen Personal-Computer mit entsprechender Ergospirometrie-Software zur Meßwert-Verar beitung und -Analyse realisierbar. Es ist jedoch bevorzugt vorgesehen, daß die Meßeinheit sämtliche Funktionseinheiten eines Ergospirometriesystems einschließlich Berechnung und Speicherung der Meßwerte sowie Steuerungseinheiten und Kommunikationsfunktionen aufweist bzw. enthält. Damit soll eine Bewertung von Gasanalysen z. B. bei Bewegung des Tieres im Gelände respektive natürlicher Umgebung möglich sein.

Durch eine entsprechende Verkabelung einschließlich Absaug schlauch besteht im stationären Betrieb die Möglichkeit, die Meßeinheit neben dem zu untersuchenden Tier aufzustellen, um störende Einflüsse zu vermeiden.

Die Anordnung der Ultraschallwandler innerhalb der Strömungs kammern bzw. der Strömungskanäle ermöglicht einen direkten unmittelbaren Kontakt mit dem vorbeiströmenden Gas, wobei durch die geometrische Gestaltung ein Selbstreinigungs- und Selbst trocknungseffekt erreicht wird. Vorgesehene Blenden mit kreis runden und/oder elliptischen Durchbrüchen optimieren die Aus breitung des Ultraschallsignals und verbessern die Störsicher heit insbesondere mit Blick auf mögliche Reflexionen des Ultraschallsignals im Strömungskanal.

Das Abdichten der Atemgasmaske am Kopf des Tieres erfolgt bevorzugt durch einen integral ausgebildeten Dichtkragen, der durch Beaufschlagen mit Luft sich der Oberflächenform des entsprechenden Bereichs des Tieres anpaßt und diesen dicht umschließt, ohne daß sich die Trageeigenschaften der Maske verschlechtern oder ein umständliches Handling beim Anlegen der Maske gegeben ist. Die Maske selbst kann zusätzlich durch ein Geschirr am Kopf des Tieres fixiert werden.

Alles in allem gelingt es mit der vorstehend beschriebenen Erfindung, ein neuartiges Ergospirometriesystem für Tiere anzugeben, das den besonderen Bedingungen, wie hohe Atmungs frequenz bei Belastung, hohen Feuchtegrad des Atemgases sowie möglichen Verschmutzungen der Volumenstromsensoren genügt. Das System selbst ermöglicht auch einen längeren, störungsfreien Betrieb, wodurch Messungen bei ganz unterschiedlichen, auf einanderfolgenden Belastungs- und Ruhephasen vorgenommen werden können.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer am Tier befestig ten Atemgasmaske mit fixiertem Volumenstromsensorgehäuse;

Fig. 2 eine Darstellung der Atemgasmaske mit integriertem Dichtkragen;

Fig. 3 eine Darstellung des einsatzbereiten Volumenstromsensorgehäuses mit Absaugschlauch und elektrischer Verkabelung;

Fig. 4 eine Detaildarstellung des Volumenstromsensorgehäuses mit erkennbaren Strömungskammern sowie dem Anschluß für den Absaugschlauch;

Fig. 5 verschiedene Ansichten des an der Maske fixierten Volumenstromsensorgehäuses;

Fig. 6 den Systemaufbau aus Meßeinheit, Atemgasmaske und Volumenstromsensorgehäuse;

Fig. 7 Vorderansicht und Schnittdarstellung des Volumenstromsensorgehäuses mit erkennbaren Strömungskammern und dort ausgebildeten Strömungskanälen einschließlich der vorgesehenen Ultraschallwandler;

Fig. 8 Anordnungsbeispiele der Ultraschallwandler in der jeweiligen Strömungskammer bzw. dem Strömungkanal;

Fig. 9 eine prinzipielle Darstellung der Öffnungen in den Blenden mit gedachter Verbindungslinie, an deren Enden die Ultraschallwandler innerhalb des Gehäuses ange ordnet sind; und

Fig. 10 ein Pneumatikschema mit Pumpe und Mischkammer.

Beim Ausführungsbeispiel wird von einem Ergospirometriesystem für Tiere, insbesondere für Pferde ausgegangen.

Eine Atemgasmaske 1 wird über den vorderen Teil des Tierkopfs gestülpt und dort durch ein Geschirr 2 befestigt.

Die Atemgasmaske ist so dicht am Tierkopf befestigt, daß Atem gas nur durch vorgesehene Öffnungen ein- bzw. ausströmen kann.

Ein Volumenstromsensorgehäuse 3 ist mit Befestigungsmitteln 4 an der Atemgasmaske 1 fixiert.

Über einen entsprechenden Anschlußstutzen ist ein Gasabsaug schlauch 5 im oberen Bereich des Volumenstromsensorgehäuses 3 befestigt, wobei dieser zur in Fig. 1 nicht dargestellten Meßeinheit führt. Gleiches gilt für die elektrischen Anschlüsse 6 der im Volumenstromsensorgehäuse 3 befindlichen Signalvorverarbeitungs-Elektronik. Dadurch, daß der Absaugschlauch 5 im oberen Teil des Volumenstromsensorgehäuses 3 angebracht ist, wird ein unerwünschtes Eindringen von Feuchtigkeit vermieden.

Fig. 2 macht deutlich, wie die Atemgasmaske 1 abdichtend fixierbar ist. Hierfür ist in der Atemgasmaske 1 ein integra ler, aufblasbarer Dichtkragen 7 befindlich, der über ein Ventil 8 mit Druckluft beaufschlagt werden kann. Dies geschieht mit einer handelsüblichen Luftpumpe 10 in besonders einfacher Weise.

Fig. 3 läßt das Volumenstromsensorgehäuse 3 mit den bereits erwähnten elektrischen Anschlüssen 6 sowie dem Absaugschlauch 5 erkennen. Gleichfalls sind die Gasauslaß-Einlaßöffnungen 11 dargestellt.

Es liegt im Sinne der Erfindung, daß das System aus Atemgas maske mit dort befestigtem Volumenstromsensorgehäuse mittels Kalibrierkammer oder Kalibrationspumpe vor dem Anbringen am Kopf des Tieres kalibriert bzw. geeicht werden kann. Damit wird Meß- und Versuchszeit eingespart und eine höhere Meßgenauigkeit gewährleistet.

Der bereits erwähnte Anschlußstutzen 13 für den Gasabsaug schlauch ist in Fig. 4 besonders deutlich zu erkennen. Gleichfalls zeigt Fig. 4 die Strömungskammern 14 einschließlich der in den Kammern ausgebildeten Strömungskanäle 15.

Im mittleren, zwischen den Strömungskammern 14 liegenden Be reich 16 ist die Signalvorverarbeitungs-Elektronik anordenbar.

Der prinzipielle Systemaufbau gemäß Fig. 6 besteht also in einer Meßeinheit 17, die die Sensoren zur Bestimmung der CO₂/O₂-Konzentration im Atemgas und entsprechende Speicher- und Recheneinheiten sowie Bedien- und Anzeigeelemente aufweist. Die Meßeinheit 17 wird über Batterie-Pack 18 bzw. einem Netzteil mit Elektroenergie versorgt.

Die Meßeinheit 17 kann sowohl am Körper des Tieres befestigt werden, als auch durch eine das Tier führende Person betätigt bzw. von dieser getragen werden. Über entsprechend ausgebildete Längen der Verbindungsmittel Absaugschlauch und Elektroanschluß besteht die Möglichkeit der Anordnung der Meßeinheit neben dem Tier, z. B. wenn diese sich auf einem Laufband bewegt.

Die Ansichten nach Fig. 5 lassen die Befestigung des Volumenstromsensorgehäuses 3 an der Atemgasmaske 1 deutlich werden. Im oberen Teil ist eine Unteransicht, im mittleren Teil eine Seitenansicht und im unteren Teil der Fig. 5 eine Draufsicht dargestellt.

Bei der Darstellung nach Fig. 5 wird von einer gummibandunter stützten Preßverbindung zwischen Atemgasmaske 1 und Volumenstromsensorgehäuse 3 ausgegangen, wobei jedoch auch eine Snap-in-Verbindung realisierbar ist.

Der prinzipielle Aufbau des Volumenstromsensorgehäuses mit Strömungskammern und Strömungskanälen soll anhand der Fig. 7 bis 9 nachstehend näher erläutert werden.

Innerhalb des Volumenstromsensorgehäuses 3 befinden sich zwei Strömungskammern 14, die durch Blenden 19 jeweils in einzelne Strömungkanäle unterteilt sind.

Die Blenden 19 sind in Strömungsrichtung verlaufend parallel und nahezu gleichmäßig beabstandet angeordnet, wobei in den Blenden 19 versetzt ausgebildete Öffnungen 20 (siehe Fig. 8 und 9) eingebracht sind. Diese Öffnungen 20 können z. B. einen kreisrunden, aber auch einen elliptischen Querschnitt auf weisen.

Die Öffnungen 20 liegen auf einer gedachten Verbindungslinie 21 der Schwer- oder Mittelpunkte, wobei an den Endpunkten der gedachten Linie 21 (siehe Fig. 9) Ultraschallwandler 22 befindlich sind. Die Schallkeule der Ultraschallwandler 22 erstreckt sich im wesentlichen entlang der gedachten Linie 21 und besitzt einen recht schmalen Austritts- bzw. Selektivi tätswinkel.

Wie Fig. 8 zeigt, können Ultraschallwandler 22 mit orthogonal zur Oberfläche austretender Schallkeule, aber auch solche mit einer Schallkeule verwendet werden, welche unter einem Winkel α zur Oberfläche austritt.

Steuerungsseitig werden die Ultraschallwandler zyklisch oder azyklisch abwechselnd sowohl im Sender- als auch im Empfänger modus betrieben, wodurch eine weitgehende Störungsunterdrückung erreicht werden kann.

Die in der Fig. 9 zu erkennenden Blenden 19 mit Öffnungen 20 besitzen eine geringe Dicke vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,4 mm. Die Blenden 19 selbst können aus Edelstahl mit polier ter, glatter Oberfläche gefertigt sein, so daß sich minimale Strömungsverluste aufgrund des gegebenen Strömungswiderstands einstellen. Die gewählte Struktur aus Blende 19 mit Öffnungen 20 zur Ausbildung der Strömungskanäle 15 gewährleistet in Verbindung mit der Anordnung der Ultraschallwandler 22 eine hohe Selektivität bei der Erfassung des Volumenstroms, wobei ein Selbstreinigungseffekt mit minimaler Verschmutzung auftritt.

Die aktive Wandlerfläche der Ultraschallsensorik ist relativ gering und bewegt sich beispielsweise im Bereich von 2 × 2 mm, wobei die Arbeitsfrequenz der Wandler zwischen 400 und 450 kHz liegt. Ziel ist es, eine recht hohe Schallenergie mit einem kleinen Austrittswinkel im genannten Frequenzbereich auszu strahlen, um die gewünschten Selektivitätseigenschaften für die Volumenstromerfassung zu gewährleisten.

Durch die Anordnung der Ultraschallwandler bzw. Ultraschall sensoren weit außerhalb der Mitte des Strömungskanals wird die Empfindlichkeit gegenüber dem zu messenden Volumenfluß erhöht und die Störanfälligkeit der Vorrichtung reduziert.

Eine weitere Verbesserung der Arbeitsweise der Volumenstrom sensorik wird durch eine schmutz- und wasserabweisende Ober flächenbeschichtung bzw. eine Beschichtung der Impedanzanpas sungsschicht der Ultraschallwandler 22 erreicht. Diese Beschichtung kann beispielsweise aus Polytetrafluorethylen oder einem ähnlichen Material bestehen. Bewvborzugt ist der Einsatz eines spritzgußfähigen Materials mit etwa 50 Gew.-% Glasfaser verstärkung auf Basis Copolyamid PA 6T/6I.

Die Ultraschallwandler 22 sind, wie gemäß Fig. 8 prinzipiell erkennbar, stoff- und/oder formschlüssig mit der umgebenden Oberfläche des Volumenstromsensorgehäuses bzw. einer dort angeordneten Zwischenwand verbunden.

Die Elektronik zur Ansteuerung der Ultraschallwandler ist bevorzugt Bestandteil der Signalvorverarbeitungs-Baugruppe, die wiederum im Bereich 16 (Fig. 7) befindlich ist.

Wie aus den Darstellungen ersichtlich, ist die Grundform des Volumenstromsensorgehäuses 3 im wesentlichen symmetrisch, wobei zwei Strömungskammern 14 mit entsprechenden Strömungskanälen 15 vorhanden sind, deren Öffnungen in verlängerter Richtung zur Lage der Öffnungen in der Atemgasmaske 1, bevorzugt im Bereich der Nüstern des Tieres gewählt sind.

Die Meßeinheit 17 kann über eine Antenne 23, die mit einem in der Meßeinheit befindlichen Telemetriemodul in Verbindung steht, einen Datenaustausch mit einer Basisstation durchführen, welche ebenfalls eine Telemetrieeinheit umfaßt. Neben dem uni- oder bidirektionalen Datenaustausch können auch Befehle, ins besondere zur Steuerung des Meßablaufs über diese Strecke geführt werden.

Mit Hilfe der Fig. 10 sei das Grundprinzip der Pneumatiksteue rung bei Anwendung der Mischkammer-Meßmethode erläutert.

In der Meßeinheit 17 ist demnach eine Mischkammer 24 befind lich, die mit einem O₂-Sensor 25 und einem CO₂-Sensor 26 in Verbindung steht.

Die Mischkammer 24 wird über eine Pumpe 27 mit Atemgas ver sorgt. Zwischen Pumpe 27 und dem Gaseingang der Mischkammer 24 ist ein erstes Ventil 28 (V1) geschaltet.

Ausgangsseitig steht das erste Ventil 28 mit einem Verteiler stutzen 29 in Verbindung, der auch zum Anschluß für den Gasabsaugschlauch 5 führt, welcher mit dem Pumpeneingang in Strömungsverbindung steht.

Die Pumpe 27 arbeitet kontinuierlich, und zwar während der Inspiration mit einem definierten Ruhewert und bei Expiration durch den Volumenstrom gesteuert, wodurch eine Beschleunigung aus dem Stillstand nicht erforderlich ist, was bei hoher Atem frequenz erhebliche Vorteile bietet.

Um zu verhindern, daß in die Mischkammer 24 Umgebungsluft gelangt und daß sich der Absaugschlauch 5 mit Umgebungsluft füllt bzw. anreichert, ist während der Inspiration der Pneumatikkreis B wirksam. Das heißt, in diesem Fall bildet der Kreis B über das erste Ventil 28 in Verbindung mit dem Ver teilerstutzen 29 einen Eingangs-Bypass.

Während der Expiration ist der Kreislauf A wirksam.

Beim Übergang von der Expiration zur Inspiration sorgt der Kreislauf C dafür, daß der Druckausgleich im Absaugschlauch 5 nicht durch die Umgebungsluft erfolgt, sondern Expirationsgas aus der vorangegangenen Expirationsphase einströmt. Der Kreis C ist nur während der kurzen Phase dieses erwähnten Druckaus gleichs aktiviert. Zur Bildung des Kreislaufs C ist ein wei terer Verteilerstutzen 30 ausgangsseitig des CO₂-Sensors 26 befindlich und es ist ein zweites Ventil 31 (V2) vorhanden, das eine Verbindung zwischen dem Verteilerstutzen 30 und der Pumpeneingangsseite herstellt. Durch eine definierte Länge eines Schlauchstücks 32 ist gesichert, daß während der Phase des Druckausgleichs keine Umgebungsluft in den Kreis C ein strömt.

Die beschriebene Losung der Pneumatiksteuerung vermeidet den ansonsten gegebenen Nachteil, daß die Pumpe der höheren Atem frequenz bei Tieren, die einer Belastung ausgesetzt sind, nicht mehr folgen kann. Weiterhin wird die Tatsache berücksichtigt, daß der im Absaugschlauch, welcher zwischen Volumenstromsensor und Pumpe angeordnet ist, entstehende Unterdruck aufgrund der höheren Atemfrequenz und der gegebenen größeren Länge nicht zu einer Meßwert-Verfälschung führt, weil üblicherweise unter unveränderter Anwendung des Standes der Technik nach Beendigung der Expirationsphase Umgebungsluft angesaugt werden kann, was es gerade zu verhindern gilt.

Bezugszeichenliste

1

Atemgasmaske

2

Geschirr

3

Volumenstromsensorgehäuse

4

Befestigungsmittel

5

Absaugschlauch

6

elektrische Anschlüsse

7

Dichtkragen

8

Ventil

10

Luftpumpe

11

Gasaus- und -einlaßöffnung

13

Anschlußstutzen

14

Strömungskammer

15

Strömungskanäle

16

Bereich zur Anordnung der Signalvorverarbeitungs- Elektronik

17

Meßeinheit

18

Batterie-Pack oder Netzteil

19

Blende

20

Öffnung

21

gedachte Verbindungslinie

22

Ultraschallwandler

23

Antenne

24

Mischkammer

25

O₂

-Sensor

26

CO₂

-Sensor

27

Pumpe

28

erstes Ventil

29

,

30

Verteilerstutzen

31

zweites Ventil

32

Schlauchstück

Claims

1. Ergospirometriesystem für Tiere, insbesondere Pferde oder Kamele, umfassend eine trichterförmige, zylindrische oder halbkugelförmige Atemgasmaske (1), einen Gasvolumenstrom- oder Mengensensor, sowie eine Meßeinheit (17) mit Sensoren (25, 26) zur Bestimmung der CO₂/O₂-Konzentration im Atemgas nach dem Mischkammer- oder Breath-by-Breath-Prinzip und mit Anschluß- und/oder Signalüber tragungsmittel (6) zur Meßwert-Weiterverarbeitung, -Darstellung und/oder -Analyse in einer Basisstation, dadurch gekennzeichnet,
daß an der Atemgasmaske (1) Mittel (4) zum Befestigen eines von der Maske (1) lösbaren Volumenstromsensorgehäuses (3) vorgesehen sind,
daß das Volumenstromsensorgehäuse (3) mindestens eine Strömungskammer auf weist, wobei die mindestens eine Strömungskammer (14) jeweils Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen (11) umfassen, welche einerseits in Strömungskontakt mit zugehörigen Öffnungen der Maske (1) und andererseits zur Umgebung stehen,
und daß innerhalb der Strömungskammer (14) durch in Strömungs richtung verlaufende, parallel und beabstandet angeordnete Blenden (19) Strömungskanäle (15) gebildet sind, wobei die Blenden (19) versetzt ausgebildete Aussparungen oder Öffnungen (20) vorgebbaren Querschnitts besitzen, deren Schwer- oder Mittelpunkte im wesentlichen auf einer gedachten Verbindungslinie (21) liegen und wobei weiterhin an den Endpunkten der gedachten Linie (21) Ultra schallwandler (22) zur Bestimmung des Volumenstroms befindlich sind, wobei die Schallkeule der Wandler (22) entlang der Verbindungslinie (21) oder auf dieser verläuft.

2. Ergospirometriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen oder Öffnungen in den Blenden eine kreisrunde oder elliptische Querschnittsform aufweisen, wobei durch die Blendenform und versetzte Anordnung unerwünschte Schallre flexionen unterdrückbar sind.

3. Ergospirometriesystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine solche Dichtung der Atemgasmaske am Kopf des Tieres, daß der Atemgasstrom ausschließlich zu oder über den im Volumenstromsensorgehäuse vorgesehenen Strömungskammern führt, wobei zwischen dem Volumenstromsensorgehäuse und der Atemgasmaske weitere Dichtmittel oder Dichtflächen ausgebildet, sind und wobei die Atemgasmaske vorzugsweise einen integralen, aufblasbaren umlaufenden Dichtkragen aufweist.

4. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Ultraschallwandler eine gering dimensionierte aktive Wandlerfläche mit einer Strahlungskeule kleinen Öffnungswinkels aufweisen.

5. Ergospirometriesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Wandler mit einer schmutz- und wasser abweisenden Beschichtung versehen ist.

6. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler mit dem umgebenden Gehäuseteil oder der Gehäuse fläche des Volumenstromsensorgehäuses stoff- und/oder formschlüssig verbunden sind.

7. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenz der Wandler im Bereich von im wesentlichen 350 bis 500 kHz, vorzugsweise 400 bis 450 kHz liegt.

8. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden eine geringe, strömungsoptimale Dicke aufweisen, wobei die Anordnung der Blenden der Ausbildung einer gleich gerichteten turbulenten, aber weitgehend wirbelfreien Strömung innerhalb der Strömungskammern dient.

9. Ergospirometriesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Blenden im Bereich von 0,15 bis 0,45 mm liegt.

10. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Volumenstromsensorgehäuse eine Signalvorverarbeitungs- Elektronik zur Ansteuerung der Wandler und zur Bestimmung des Volumenflusses angeordnet ist, um die derartig vorverarbeiteten elektrischen Signale zur Meßeinheit zu übertragen.

11. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Volumenstromsensorgehäuse ein Gasabsaug-Anschlußstutzen zur Herstellung einer Verbindung zum Gastransport in die Meßeinheit vorgesehen ist.

12. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenstromsensorgehäuse eine im wesentlichen symmetrische Grundform mit zwei Strömungskammern besitzt, wobei die Strö mungskammern sich in verlängerter Richtung der Öffnungen in der Atemgasmaske, bevorzugt im Bereich der Nüstern des Tieres, erstrecken.

13. Ergospirometriesystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Strömungskammer Ultraschallwandler angeordnet sind, wobei durch die zugehörige Auswerteelektronik die Gasvolumina oder der Volumenfluß je Kammer und ein Summenvolumenfluß ermittelbar ist.

14. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit ein Telemetriemodul und die Basisstation eine Telemetrieeinheit zum Aufbau einer uni- oder bidirektionalen Daten- und/oder Befehlsübertragungsstrecke aufweisen.

15. Ergospirometriesystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Telemetrieeinheit der Basisstation eine, automatische Frequenzwahleinrichtung aufweist, um nach Scannen des Frequenzbands und/oder einer Testdaten-Übertragungsprozedur eine Telemetriefrequenz mit erwarteter optimaler Übertra gungsqualität festzulegen.

16. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Anspruche, gekennzeichnet durch einen Speicher zur Datensicherung in der Meßeinheit, wobei im Speicher Datensätze im definierten Format aus atemzugsbezogenen Meßdaten für jeden Atemzug und/oder für sämtliche oder ausge wählte Meßgrößen die kompletten Meßdatenverläufe über wählbare Intervalle zu wählbaren Startzeiten abgelegt werden.

17. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit Sensoren zur Bestimmung der Umgebungstemperatur und/oder der Atemgasfeuchte und/oder weiterer relevanter Größen, wie z. B. Differenzdruckwerte aufweist, wobei diese Sensorwerte zur Korrektur der Atemgassensorwerte herangezogen werden.

18. Ergospirometriesystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit am Körper des Tieres oder einer das Tier führenden Person applizierbar ist.

19. Ergospirometriesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß, die Meßeinheit eine Mischkammer mit einer Pneumatiksteuerung aufweist, wobei an der Mischkammer die CO₂/O₂-Sensoren, mit dieser in Strömungsverbindung stehend, angeschlossen sind, weiterhin eine Pumpe mit einem Anschluß für den Absaugschlauch vorgesehen ist, wobei der Absaugschlauch zum Volumenstromsensorgehäuse führt und wobei mittels der Pneumatiksteuerung zwei Strömungskreisläufe für Expiration und Inspiration schaltbar sind.

20. Ergospirometriesystem nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die bewirkt, daß die Pumpe im quasi Dauerbetrieb arbeitet, wobei während der Inspiration die Pumpe mit einem Ruhewert einen Eingangs-Strö mungskreislauf versorgt, wodurch ein Eindringen von Umgebungs luft in die Mischkammer und/oder den Absaugschlauch verhinder bar ist, und daß bei Expiration die Pumpe volumenstromgesteuert die Mischkammer mit Atemgas versorgt, wobei während der Über gangsphase von Expiration zu Inspiration der Druckausgleich über eine durch die Pneumatiksteuerung zeitweise geschaltete Verbindung zwischen Mischkammer und Pumpeneingang erfolgt, wodurch das Eindringen von Umgebungsluft in den Absaugschlauch vermeidbar ist.