DE20103966U1

DE20103966U1 - Atemstromsensor

Info

Publication number: DE20103966U1
Application number: DE20103966U
Authority: DE
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draeger Medical GmbH
Priority date: 2000-05-13
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2011-03-08
Also published as: US20010039833A1; FR2808989B1; FR2808989A1

Description

Dräger Medizintechnik GmbH, ^v 23542 Lübeck, DE

Atemstromsensor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Atemstromsensor gemäß Anspruch 1.

Ein derartiger Atemstromsensor geht aus der DE 34 37 595 C1 hervor. Die dort beschriebene Messung beruht darauf, dass ein in die Atemluftleitung eines Patienten eingebauter Messkopf einen ersten Temperaturfühler aufweist, der im Strömungsbeeinflussungsbereich eines Luftwiderstandskörpers liegt, sowie einen zweiten, der außerhalb des Strömungsbeeinflussungsbereichs liegt. Beide Temperaturfühler werden, wie bei vorliegender Erfindung auch, mittels getrennter elektronischer Temperaturregelkreise auf einer definiert gegenüber der Atemgastemperatur erhöhten Arbeitstemperatur gehalten. Mit einem Messgerät und einer geeigneten Auswertung wird die für die Kompensation der bei der Atmung oder Beatmung eines Patienten erfolgende Abkühlung des einen Temperaturfühlers als Wert für den Atemgas-Volumenstrom ermittelt. Durch Differenzbildung der Energiezufuhrwerte beider Temperaturfühler kann die Atemgasströmungsrichtung bestimmt werden, weil der erste Temperaturfühler bezüglich der einen Atemgas-Strömungsrichtung stärker abgekühlt wird als für die dazu umgekehrte, während der zweite Temperaturfühler praktisch unbeeinflusst von der Atemgasströmungsrichtung ist.

Derartige Atemstromsensoren werden in die Atemluftleitung vom Beatmungsoder Anästhesiegerät zum Patienten eingesetzt und dienen zur bidirektionalen Messung des Gasdurchflusses (für die Inspiration und die Exspiration).

Abhängig vom Anwendungsfall, also beispielsweise Frühgeborenen- oder Erwachsenenbeatmung, Einbauort in der Atemluftleitung sowie Querschnitt der an den Atemstromsensor direkt anschließenden Atemleitungselemente, ist

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es erforderlich, einen Atemstromsensor unter verschiedenen Bedingungen einzusetzen.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser bekannten und ebenso der erfindungsgemäßen Atemstromsensoren ist der große Messbereichsumfang, der es erlaubt, Gasvolumenstrom-Verhältnisse von 1 : 100 bis etwa 1 : 1000 mit einem Sensor zu messen, also beispielsweise Gasvolumenströme von 0,5 Liter pro Minute bis 150 Liter pro Minute.

Ein wesentlicher Nachteil der bisher bekannten richtungserkennenden Atemstromsensoren auf Basis von Hitzdrähten besteht darin, dass die Temperatur des Atemstroms bei der Atemstrommessung bisher nicht berücksichtigt wird, so dass der gemessene beziehungsweise bestimmte Gasvolumenstrom oder Gasmassenstrom mit Fehlern behaftet ist. Insbesondere im Fall der patientennahen Messung des Atemstroms zum oder vom Patienten können relativ große Messfehler entstehen, weil die Temperatur des vom Patienten exhalierten Atemstroms in der Regel höher ist als die des inhalierten und deshalb bei der Auswertung der Messung berücksichtigt werden muss.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch die bisher notwendige relativ hohe Betriebstemperatur der Hitzdrähte von beispielsweise 700 Grad Celsius, die beim Einsatz in Anästhesiegeräten die Narkosemittel zersetzt, wobei unerwünschte oder gegebenenfalls toxische Spaltprodukte entstehen können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines bezüglich der Messgenauigkeit verbesserten Atemstromsensors mit Hitzdrähten, der für den patientennahen Einsatz auch in Anästhesiegeräten bei niedrigen Betriebstemperaturen geeignet ist.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1, die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegen-

stands nach Anspruch 1 an.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich durch den kompakten Aufbau ohne bewegliche Bauelemente, so dass ein patientennaher Einsatz am Tubus zum Patienten oder an der Beatmungsmaske eines Patienten möglich ist. Der patientennahe Einbauort ist besonders erwünscht, weil auf diese Weise Leckagen oder gegebenenfalls vorhandene Puffervolumina im Beatmungsgerät oder im Anästhesiegerät keine Rolle spielen und die Messung nicht verfälschen können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Hilfe der Figuren erläutert. Es zeigen

Figur 1 in Draufsicht schematisch einen erfindungsgemäßen

Atemstromsensor mit den wichtigsten Komponenten und

Figur 2 einen Längsschnitt durch den Atemstromsensor senk

recht zur Draufsicht nach Figur 1.

In einem vom Atemstrom zum und vom Patienten (Pfeile 8 und 9) durchströmten Gehäuse 1 aus Metall oder einem Kunststoff sind zwei gleiche erste und zweite Drähte 4, 5 mit einer Länge von jeweils etwa 4 Millimetern und einem Durchmesser von 15 Mikrometern und im Abstand von etwa 4 Millimetern zueinander angeordnet. Die ersten und zweiten, aus Platin oder aus einer Platinlegierung bestehenden Drähte 4, 5 sind mittels je einer zugeordneten Stromquelle 26, 27 beheizbar. Ein Luftwiderstandskörper 6 ist zwischen dem ersten und zweiten Draht 4, 5 und in der Nähe des zweiten Drahtes 5 angebracht, so dass der Abstand zwischen den beiden Drähten 4, 5 wesentlich größer ist als der Abstand zwischen dem Luftwiderstandskörper 6 und dem zweiten Draht 5. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen

dem Luftwiderstandskörper 6 und dem zweiten Draht 5 etwa 0,5 Millimeter. Ein dritter Draht 7 ist im Abstand zum ersten und zweiten Draht 4, 5 in Längsrichtung des Gehäuses 1 angeordnet und dient zur Temperaturbestimmung und -kompensation des Atemstroms mittels einer zugeordneten Messeinrichtung 25 für den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand. Eine zentrale Steuer- und Auswerteeinheit 28 ist mit den Stromquellen 26, 27, mit der Messeinrichtung 25 und mit einem Gasanalysator 30 für die Bestimmung von Gasart-Zusammensetzung und Konzentration der Gaskomponenten des gemessenen Atemstroms verbunden. Die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit 28 kompensiert eine mittels des dritten Drahtes 7 erfasste Temperaturänderung des Atemstroms durch eine Änderung des Heizstroms durch den ersten und zweiten Draht 4, 5, so dass diese beiden Drähte 4, 5 eine definiert konstant über der jeweiligen Temperatur des Atemstroms liegende Betriebstemperatur aufweisen. Die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit 28 enthält zuvor ermittelte und dort gespeicherte charakteristische Wertepaare aus Gasvolumenstrom und zugehöriger, gemessener elektrischer Spannung des ersten Drahtes 4. Während des Messeinsatzes wird die zur Erbringung der elektrischen Heizleistung des ersten Drahtes 4 erfasste Messspannung kontinuierlich bestimmt und aufgrund der gespeicherten Wertepaare als zugeordnete Gasvolumenstrom-Werte durch die Steuer- und Auswerteeinheit 28 angezeigt und / oder ausgegeben

Im Atemstrom schwankt die Gastemperatur in der Praxis zwischen beispielsweise 20 Grad Celsius für inspiratorisches Gas und beispielsweise 35 Grad Celsius für exspiriertes Gas, das heißt die Temperaturdifferenz beträgt etwa 15 Grad Celsius. In den bisher bekannten Atemstromsensoren wird eine Betriebstemperatur der Drähte 4, 5 erzeugt, die etwa Grad Celsius über der Atemgastemperatur leigt, so dass die genannten Temperaturschwankungen des Atemgases einen relativen Messfehler zur Folge haben, der unter 5 % liegt und damit akzeptabel ist.

Der erfindungsgemäße Atemstromsensor wird mit einer Betriebstem-

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peratur von nur etwa 150 Grad Celsius betrieben, so dass einerseits die Narkosegase nicht zersetzt werden und andererseits die Lebensdauer der beheizten Drähte und somit die Standzeit des Atemstromsensors verlängert wird. Die gewünschte niedrige Betriebstemperatur hat jedoch zur Folge, dass der relative Messfehler des ermittelten Gasvolumenstroms aufgrund der Schwankungen der Temperatur des Atemgases unakzeptabel hoch ist. Deshalb müssen Temperaturschwankungen des Atemgases bei der Atemstrom-Messung berücksichtigt werden.

Hierzu weist der dritte Draht 7 einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf, beispielsweise in Form eines Widerstandselementes. Die elektronische Messeinrichtung 25 misst den elektrischen Widerstand und erzeugt ein der Temperaturänderung proportionales Signal. Die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit 28 steuert anhand dieses Signals über die Stromquellen 26, 27 die Temperatur der Drähte 4, 5 so, dass die Temperaturdifferenz zwischen der jeweils aktuellen Temperatur des Atemgases und der Hitzdrahttemperatur stets konstant ist, das heißt es wird eine Temperaturkompensation durchgeführt.

Die Messsignale der Drähte 4, 5 sind stark abhängig von der von der Zusammensetzung des Atemgases abhängigen Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches. Um diesen Effekt zu kompensieren, wird die aktuelle Gasart-Zusammensetzung und die Konzentration der Gaskomponenten gemessen. Dazu wird beispielsweise mittels eines nach Luer benannten Anschlusses 29 am Atemstromsensor fortlaufend mittels einer Pumpe eine Atemgasprobe entnommen und in einem Gasanalysator 30 bestimmt. Ein derartiger Gasanalysator 30 beruht insbesondere auf dem Prinzip einer infrarotoptischen Lichtabsorptionsmessung und ermöglicht die Bestimmung der Gaskomponenten und deren Konzentration in einem Atemgasgemisch.

In der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit 28 sind Korrekturwerte für den gemessenen Atemstrom, das heißt den Gasvolumenstrom, in Abhängigkeit

von der gemessenen Gasartzusammensetzung und der Konzentration der Gaskomponenten gespeichert, so dass der gemessene Atemstrom entsprechend korrigiert angezeigt oder ausgegeben wird, beispielsweise an die Steuereinheit 31 eines Anästhesiegerätes. Sobald der gemessene Atemstrom des Patienten einen vorgegebenen, in der Steuer- und Auswerteeinheit 28 gespeicherten Schwellenwert von beispielsweise 2 Liter pro Minute in inspiratorischer Richtung übersteigt, gibt die Steuer- und Auswerteeinheit 28 ein Trigger-Signal an die Steuereinheit 31 des Anästhesiegerätes.

Das Anästhesiegerät reagiert auf dieses Signal mit einer Druckerhöhung entsprechend einem einprogrammierten, zeitabhängigen Beatmungsmuster des gelieferten Atemgases zur Unterstützung der Atemanstrengung des Patienten.

Im Ausführungsbeispiel hat der Luftwiderstandskörper 6 einen Durchmesser von 0,8 Millimeter und ist als Halbzylinder mit im wesentlichen paralleler Orientierung in Bezug auf die Drähte 4, 5 und mit im Wesentlichen senkrechter Orientierung zum dritten Draht 7 und zur Richtung des Atemgases durch das Gehäuse 1 angeordnet. Die Drähte 4, 5, 7 werden mittels der Stifte 13, 15; 14, 17 und 16, 18 jeweils paarweise gehalten. Zur Bestimmung der Strömungsrichtung des Atemstroms werden fortlaufend die Messspannungen der beiden Drähte 4, 5 erfasst und der Quotient daraus gebildet. In der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit 28 liegen gespeicherte Referenzwerte für den Quotienten vor, die in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Konzentration des Atemgases die aktuell vorliegende Strömungsrichtung bestimmen. Das Ergebnis wird von der Steuer- und Auswerteeinheit 28 angezeigt und / oder ausgegeben. Im Ausführungsbeispiel wird der Atemstromsensor so angewendet, dass eine Bestimmung des Gasvolumenstroms erfolgt, jedoch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell genauso geeignet, durch entsprechende Konfiguration der in der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit 28 hinterlegten Umrechnungswerte Massenströme anzuzeigen oder auszugeben.

In der Ansicht nach Figur 2 befindet sich mittig unten am Gehäuse 1 ein
Steckanschluss 40 mit rechteckförmiger Kontur zur elektrischen Verbindung mit den Komponenten nach Figur 1, die außerhalb des Gehäuses 1

angeordnet sind. Aus Figur 2 ergibt sich weiter, dass die ersten und zweiten Drähte 4, 5 einerseits zueinander, aber auch und insbesondere in Bezug zum dritten Draht 7 in der Höhe versetzt angeordnet sind, sodass wechselseitige Signalstörungen möglichst ausgeschlossen sind und der Luftwiderstandskörper
6 nur auf den zweiten Draht 5 wirken kann.

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Claims

1. Atemstromsensor mit folgenden Merkmalen:

a) In einem vom Atemstrom durchströmten Gehäuse (1) sind zwei gleiche erste und zweite Drähte (4, 5) im Abstand zueinander angeordnet, wobei

b) die ersten und zweiten Drähte (4, 5) mittels je einer zugeordneten Stromquelle (26, 27) beheizbar sind,

c) ein Luftwiderstandskörper (6) ist in der Nähe des zweiten Drahtes (5) angebracht,

d) ein dritter Draht (7) ist im Abstand zum ersten und zweiten Draht (4, 5) im Gehäuse (1) angeordnet und dient zur Temperaturbestimmung des Atemstroms mittels einer zugeordneten Messeinrichtung (25) für den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand,

e) eine zentrale Steuer- und Auswerteeinheit (28) ist an die Stromquellen (26, 27) und an die Messeinrichtung (25) angeschlossen und kompensiert eine mittels des dritten Drahtes (7) erfasste Temperaturänderung des Atemstroms durch eine Änderung des Heizstroms durch den ersten und zweiten Draht (4, 5), so dass diese Drähte eine definiert über der Temperatur des Atemstroms liegende Betriebstemperatur aufweisen und

f) die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit (28) ermittelt aus den gemessenen Heizströmen durch den ersten und zweiten Draht (4, 5) Stärke und Richtung des durch das Gehäuse (1) strömenden Atemstroms.

2. Atemstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (28) mit einem Gasanalysator (30) für die Bestimmung von Gasart-Zusammensetzung und Konzentration des gemessenen Atemstroms verbunden ist, so dass die Stärke des Atemstroms gasspezifisch von der Auswerteeinheit (28) ermittelt wird.

3. Atemstromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (28) ausgangsseitig an die Steuereinheit (31) eines Beatmungs- oder Anästhesiegerätes angeschlossen ist.

4. Atemstromsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Drähte (4, 5) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

5. Atemstromsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Draht (7) im wesentlichen parallel zur Richtung des Atemstroms im Gehäuse (1) angeordnet ist.

6. Atemstromsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftwiderstandskörper (6) zwischen dem ersten und zweiten Draht (4, 5) angeordnet ist.

7. Atemstromsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Draht (5) und der Luftwiderstandskörper (6) eine Ebene im Abstand vom ersten Draht (4) bilden.

8. Atemstromsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte mittels Stiften (13, 15; 14, 17; 16, 18) gehalten werden.

9. Atemstromsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Draht (7) ein temperaturabhängiges elektrisches Widerstandselement aufweist.

10. Atemstromsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Draht (4, 5) eine einen konstanten Betrag von 140 bis 180 Grad Celsius über der Temperatur des Atemstroms liegende Betriebstemperatur aufweisen.