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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Atemvolumenstromsensor für
ein Beatmungsgerät.
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Bisher
wird der Volumenstrom der Strömung, die zum Patienten hin
und von diesem zurück zum Beatmungsgerät fließt
als Bilanz aus den Messwerten von zwei Sensoren, die im Beatmungsgerät
den inspiratorischen und den exspiratorischen Volumenstrom separat
voneinander erfassen, ermittelt, oder mit Hilfe eines dritten Sensors
gemessen, der direkt am Patientenzugang hinter dem sogenannten Y-Stück
liegt. In dem Y-Stück vereinigen sich die Leitungen für
den inspiratorischen und exspiratorischen Volumenstrom aus dem Beatmungsgerät
zu einer einzigen Leitung, an die der Beatmungsschlauch angeschlossen
ist. Die beiden oben genannten Messprinzipien sind mit unterschiedlichen
Eigenschaften behaftet. Werden die Volumenströme im Beatmungsgerät
getrennt für den inspiratorischen und den exspiratorischen
Volumenstrom gemessen, so werden die von den Sensoren gemessenen
Signale zur Ermittlung einer Volumenstrom-Summe oder -Bilanz verrechnet.
Unter der Summe der Volumenströme soll im Sinne der vorliegenden
Erfindung die bei Berücksichtigung der Strömungsrichtung
Vorzeichen-richtige Addition verstanden werden, d. h. bei entgegen
gesetzten Strömungen die Differenz der Absolutwerte der
Volumenströme. Unter dem Patientenfluss ist im Sinne der
vorliegenden Erfindung der Vorzeichen-richtige Netto-Volumenfluss
von und zum Patienten hin zu verstehen. Die Verrechung stellt hohe
Anforderungen an den Gleichlauf und die Stabilität der
Sensoren im Hinblick auf deren Signalnullpunkt, die Linearität
und die Verstärkung, da Abweichungen der beiden Sensoren
voneinander sich direkt in die Summe der Volumenströme
fortpflanzen. Wird in dem Atemkreissystem mit einer zusätzlichen
Basisströmung oder Basisfluss gearbeitet, wird die Genauigkeit
des mittels Summenbildung, bzw. Differenzbildung errechneten Patientenvolumenstroms
durch die Addition der Abweichungen so gering, dass eine Auswertung
in solcher Art nicht mehr sinnvoll ist. Als Basisfluss im Sinne
der vorliegenden Erfindung ist ein kontinuierlicher Fluss innerhalb
des Beatmungskreissystems ohne Beteiligung des Patienten zu verstehen.
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Der
Basisfluss dient zur besseren Vermischung der Gase und liegt in
der Größenordnung des Patientenvolumenstroms.
Die Verwendung eines dritten Sensors direkt am Patientenzugang vermeidet
die oben genannten Nachteile, bedingt aber durch das für
den Aufbau des Sensors benötigte Leitungsstück
zusätzliches Volumen, das sich gegenüber dem Beatmungsschlauch
alleine als zusätzliches Totraumvolumen auswirkt. Dieses
Totraumvolumen verhält sich bei der Beatmung als Pendelvolumen,
das lediglich hin- und her fließt und den Frischgasanteil
verringert und nicht an dem Basis-Flow teilnimmt. Weiterhin muss
dieser Sensor, wenn sein Ausgangssignal zur zeitlichen Integration
der Volumenströme zu Volumina dienen soll, eine eindeutige Richtungserkennung
der Strömung ermöglichen, damit die Integration
mit dem jeweils richtigen Vorzeichen erfolgt. Die bisher verwendeten
Druckdifferenz- oder Wärmetransport-Sensoren (Hitzdraht-Anemometer,
wie beispielsweise in
DE
101 04 462 A1 beschrieben) erfordern eine Beruhigung und
Gleichrichtung der Strömung, um möglichst konstante
Strömungsbedingungen frei von Turbulenzen zu erzeugen,
um gegenüber Strömungsfluktuationen unabhängiger
zu werden und um die punktförmige Messung des Hitzdrahts
in der Strömungsmitte repräsentativ für
die Strömung über den gesamten Strömungsquerschnitt
aufzubereiten. Dabei verursachen die die Strömung leitenden
Elemente entweder erheblichen Totraum oder einen erheblichen Druckabfall.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Atemvolumenstromsensor
zu schaffen, mit dem der tatsächliche Patienten-Volumenstrom
unter Vermeidung von zusätzlichem Totraum und pneumatischem
Widerstand messbar ist.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe dient der Atemvolumenstromsensor
mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass in das Y-Stück ein Sensoraufbau integriert
ist, der den Patientenfluss als Summe der inspiratorischen und exspiratorischen
Volumenströme direkt erfasst, ohne dabei von einer die
inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme überlagernden
Basisströmung (Basisfluss) beeinflusst zu werden.
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Der
Sensoraufbau weist zwei Ultraschallwandler (Transducer) auf, die
zwischen sich eine Messstrecke definieren, die die inspiratorischen
und exspiratorischen Volumenströme und den Patientenvolumenstrom zumindest
teilweise durchläuft, wobei die Richtung der Messstrecke
parallel zu der Richtung der inspiratorischen und exspiratorischen
Volumenströme liegt. Mit dem Sensoraufbau kann die Laufzeit
der Ultraschallwellen bei der Durchschallung der inspiratorischen
und exspiratorischen Volumenströmung erfasst werden, die
direkt ein Maß für die Summe der inspiratorischen
und exspiratorischen Volumenströme liefert.
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Bei
einem Sensoraufbau mit Ultraschallwandlern wird das Prinzip der
Laufzeitunterschiede bei der Durchschallung der Strömung
mit Ultraschall stromaufwärts und stromabwärts
durch den inspiratorischen und exspiratorischen Volumenstrom oder
durch den inspiratorischen und exspiratorischen Patientenvolumenstrom gewählt.
Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung wird in eine Richtung
von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums unterstützt
(stromabwärts) und in der anderen Richtung verringert (stromaufwärts).
Wird die Messung in beiden Richtungen durchgeführt, wobei
die Ultraschallwandler oder Transducer die Funktionen von Sender
und Empfänger wechselseitig wahrnehmen, so stellt die Laufzeitdifferenz
ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
nach Betrag und Richtung dar, so dass sich daraus direkt ein Maß für
die Volumenstromsumme oder Volumenstrombilanz ableiten lässt.
Dabei sind die Einflüsse des Mediums wie Schallgeschwindigkeit
und deren Abhängigkeiten von äußeren
Parametern von geringerer Bedeutung. Zusätzlich kann die
Messung der Schallgeschwindigkeit Rückschlüsse
auf die Gasart ermöglichen.
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Der
Basisfluss wird durch die Anordnung rechtwinklig zur Schallausbreitungsrichtung
geführt. Formel 1 beschreibt die Schalllaufzeit eines Ultraschallsignals
als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit v bei bekannter Schallweglänge
L, bekannter Schallgeschwindigkeit c und einem Winkel α zur
Strömungsrichtung mit und gegen die Strömungsrichtung.
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Damit
wird deutlich, dass ein senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung
in der Anordnung fließender Basisfluss, sowohl bei der
Schalllaufzeit mit als auch gegen die Strömungsrichtung
keinen Anteil an der Laufzeit hat.
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Die
Führung des Basisflusses erfolgt durch den Einbau einer
Durchflusskammer und einer Anschlusskammer in das Y-Stück.
An die Durchflusskammer werden die exspiratorischen und inspiratorischen
Zuleitungen angeschlossen, die Anschlusskammer steht mit dem patientenseitigen
Beatmungsanschluss in Kontakt. Die Anschlusskammer umfasst eine
innen liegende offene Leitung im Wesentlichen koaxial. In der offenen
Leitung wird der Patientenfluss im Wesentlichen parallel zur Messstrecke
geführt, welche durch die Anordnung von zwei Ultraschallwandlern über
Durchflusskammer und Anschlusskammer definiert ist. Dadurch wird
der Patientenfluss gemäß Formel 1 von der Anordnung
der Ultraschallwandler erfasst. Der Sensoraufbau liefert damit direkt
ein Signal, das für die Volumenstromsumme oder die Volumenstrombilanz
repräsentativ ist, ohne dass Signale oder Messwerte von
zwei unabhängigen Sensoren miteinander verrechnet werden
müssten und ohne, dass ein Einfluss durch eine etwa vorhandene,
die exspiratorischen und inspiratorischen Volumenströme überlagernde
Basisströmung gegeben ist.
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Es
ist nicht unbedingt erforderlich, dass die Messstrecke die Volumenströme
vollständig durchläuft. Vielmehr ist es ausreichend,
wenn jeweils nur ein Teil der Volumenströme durchlaufen
wird, da sich auch daraus ein Maß für die Volumenstrombilanz
ableiten lässt. Dazu wird es aber in der Regel notwendig
sein, zu Beginn einmalig eine Kalibrierung oder Eichung des Sensoraufbaus
und seiner Auswerteelektronik dahingehend durchzuführen,
dass aus dem erfassten Sensorsignal über eine anderweitige
Messung der Summe der inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme
der Funktionszusammenhang ermittelt wird, mit dem die Laufzeitmessungen
der Sensoranordnung mit der Summe der inspira torischen und exspiratorischen
Volumenströme verknüpft sind. Eine solche Kalibrierung
oder Eichung muss für eine gegebene Gerätekonfiguration
einmal vorab bestimmt werden, um die gerätespezifischen
geometrischen Gegebenheiten zu erfassen und aus dem Sensorsignal
die gewünschte Volumenstrombilanz ableiten zu können.
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Bei
der Verwendung von Ultraschallwandlern besteht ein weiterer Vorteil
gegenüber herkömmlichen Strömungssensoren,
dass der Schall als Messgröße räumlich
in den Strömungskanal abgestrahlt wird und somit die Strömungsgeschwindigkeit
und davon abgeleitet der Volumenstrom integrierend über
den gesamten Strömungsquerschnitt erfasst wird, während
bei herkömmlichen Sensoren, wie etwa Hitzdraht-Anemometern, nur
eine punktuelle Sensitivität für den Volumenstrom
bzw. die punktuelle Strömungsgeschwindigkeit gegeben ist.
Dadurch liefert der Sensoraufbau ein besser gemitteltes, weniger
fluktuationsanfälliges Ergebnis als herkömmliche
Sensoren.
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Durch
die Integration der Ultraschallwandler in das ohnehin vorhandene
Y-Stück wird eine Minimierung des Totraumvolumens erreicht.
Die Kombination von Y-Stück und Messraum ermöglicht
die Minimierung des Bauraums, der für Y-Stück
und Atemvolumenstromsensor insgesamt benötigt wird, und
eine starke Reduzierung des Totraumes für den Patientenvolumenstrom
bei den periodischen Strömungsrichtungswechseln. Die Anwendung
von Ultraschallsensoren in dem Atemstromvolumensensor ermöglicht
ein richtungssensitives, integratives Messverfahren, das eine eindeutige
und nicht eine abgeleitete Richtungsinformationen des Volumenstroms
unmittelbar erfasst. Ferner wird ein größerer
Bereich der Strömung als z. B. bei einem Hitzdraht-Anemometer
in die Messung integrierend erfasst, wodurch die Messung gegenüber
Strömungsfluktuationen unabhängiger wird. Hierdurch
wird eine physikalisch richtige Summenbildung oder Bilanz der Volumenströme
direkt messbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der Atemvolumenstromsensor
ausgebildet, dass eine innere Leitung den Patientenfluss vom Basisfluss
separiert. Die innere Leitung umfasst die Längsachse der
Messstrecke im Wesentlichen koaxial. Der inspiratorische und der
exspiratorische Patientenvolumenstrom werden über die innere
Leitung in der Durchflusskammer geleitet, die eine Mehrzahl von Öffnungen
entlang ihrer Länge hat, über die der Patientenvolumenstrom
mit der Strömung in der Durchflusskammer vereinigt wird.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform werden die UltraUltraschallwandler
wechselseitig nacheinander als Sender und Empfänger betrieben,
wobei die Umschaltfolge derart gewählt wird, dass unter
Berücksichtigung der Wandlereigenschaften und des Abstands
zwischen den Wandlern ein hohes Signal zu Rausch-Verhältnis
erreicht wird.
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Die
Eigenschaften der Wandler, besonders deren Abklingverhalten, sind
bei der Wahl der Abmessungen der Messstrecke und der Triggerung
der Ultraschallwandler zu berücksichtigen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
in den Zeichnungen erläutert, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Atemstromvolumensensors mit Y-Stück
mit integrierten Ultraschallwandlern mit senkrecht zur Messstrecke
fließenden Basisfluss zeigt und
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2 eine
schematische Darstellung eines Atemstromvolumensensors mit Y-Stück
mit integrierten Ultraschallwandlern gemäß einer
weiteren Ausführungsform zeigt.
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1 zeigt
schematisch eine Durchflusskammer 11 eines Beatmungssystems
für einen Patienten 8 integriert in ein Y-Stück.
An der Durchflusskammer 11 sind zwei gegenüberliegende
Ultraschallwandler 1 angeordnet, die zwischen sich eine
nicht-senkrecht zu den inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströmen 5, 7,
annähernd parallel zum Patientenfluss verlaufende Messstrecke 9 definieren.
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Die
Ultraschallwandler 1 sind mit einer nicht gezeigten Betriebs-
und Auswerteelektronik verbunden. In die Durchflusskammer 11 tritt
der inspiratorische Volumenstrom 5 an einem Anschluss 4 ein
und der exspiratorische Volumenstrom 7 an einem Anschluss 6 aus.
Die Durchflusskammer 11 und das Y-Stück sind mit
den Ultraschallwandlern 1 zusammen angeordnet, der Patientenvolumenstrom 3 ist
im Innern der Durchflusskammer 11 rechtwinklig zu einer
Basisströmung 10 geführt. Die Anschlüsse
für den inspiratorischen Volumenstrom 5 und den
exspiratorischen Volumenstrom 7 sind hier gegenüberliegend
an der Durchflusskammer 11 angeordnet. Die zwischen den
beiden Ultraschallwandlern 1 definierte Messstrecke 9 verläuft
senkrecht zu einer den inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströmen 5, 7 überlagerten
Basisströmung 10 durch die Durchflusskammer 11.
Die überlagerte Basisströmung 10 hat,
da sie senkrecht zur Messstrecke 9 für die Schallausbreitung
liegt, keinen Einfluss auf die Schallausbreitung und beeinflusst
daher die Messung der Summe der Volumenströme nicht. Der
Beatmungsschlauchanschluss 2 steht über eine Anschlusskammer 12 in dem
Y-Stück mit der Durchflusskammer 11 in Verbindung.
Diese Verbindung wird durch eine gegenüber der Durchflusskammer 11 und
Anschlusskammer 12 offene Leitung 13 hergestellt,
die die Messstrecke 9 an ihrem im Bereich der Anschlusskammer 12 liegenden
Ende im Wesentlichen koaxial umfasst, so dass der inspiratorische
und der exspiratorische Patientenvolumenstrom 3 in entgegen
gesetzter Richtung durch die Leitung 13 fließt.
Die Laufzeitunterschiede für Ultraschallausbreitung auf
der Messstrecke 9 sind so unabhängig von der Größe
der Basisströmung 10 und werden nur durch die
Größe des Patientenvolumenstroms 3 bestimmt.
Die eigentliche Messstrecke, die an der Veränderung der
Ausbreitungsgeschwindigkeit teilnimmt, ist hier nur ein Teil des
Gesamtschallweges zwischen den Ultraschallwandlern 1 und
liegt im Wesentlichen innerhalb des Bereichs der Leitung 13.
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In 2 ist
in dem Y-Stück eine Durchflusskammer 11 integriert.
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Eine
Messstrecke 9 ist durch zwei an gegenüberliegenden
Seiten der Durchflusskammer 11 angeordnete Ultraschallwandler 1 definiert.
Die Anschlüsse für den inspiratorischen Volumenstrom 5 und
den exspiratorischen Volumenstrom 7 sind an gegenüberliegenden
Seiten der Durchflusskammer 11 so angeordnet sind, dass
eine die inspiratorischen und exspiratorischen Volumenströme überlagernde
Basisströmung 10 im Wesentlichen senkrecht zu
der Messstrecke 9 verläuft. Der inspiratorische
und exspiratorische Patientenvolumenstrom 3 wird über
eine in der Durchflusskammer 11 angeordnete Leitung 14 eingeleitet,
deren Längsachse die Messstrecke 9 im Wesentlichen
koaxial umfasst und die eine Mehrzahl von Öffnungen entlang
ihrer Länge hat, über die der Patientenvolumenstrom 3 mit
der Strömung in der Durchflusskammer 11 vereinigt
wird. Wie durch die Pfeile unterschiedlicher Länge an den
beiden Endbereichen der Leitung 14 angedeutet, nimmt der
inspiratorische und exspiratorische Patientenvolumenstrom 3 entlang
der Leitung 14 ab, da sich der Patientenvolumenstrom 3 nach
seiner Einleitung in die Leitung 14 zunehmend mit der Basisströmung 10 vereinigt.
Die Durchflusskammer 11 kann z. B. als rohrförmige
Leitung ausgebildet sein, durch die die Basisströmung 10 geführt
wird. Diese Basisströmung 10 sorgt für
einen Gasaustausch zwischen dem frischen inspiratorischen Volumenstrom 5 und
dem Gas innerhalb der inneren Leitung 14. Auf diese Weise
kann die innere Leitung 14 den Exspirationsvolumenstrom 7 an
die leicht durchströmende Basisströmung 10 abgeben
und wird mit frischem inspiratorischen Gas für die nächste
Inspiration gefüllt. Innerhalb der inneren Leitung 14 verläuft
die Basisströmung 10 in rechtwinkliger Richtung
zu der zwischen den Ultraschallwandlern 1 definierten Messstrecke 9,
so dass der Patientenvolumenstrom 3 parallel und antiparallel
zur Richtung der Messstrecke 9 fließt und somit der
Patientenvolumenstrom 3 von den Ultraschallwandlern 1 direkt
als Messgröße über die Laufzeit erfasst werden
kann.
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- 1
- Ultraschallwandler
- 2
- Beatmungsschlauchanschluss
- 3
- Patientenvolumenstrom
- 4
- Anschluss
- 5
- inspiratorischer
Volumenstrom
- 6
- Anschluss
- 7
- exspiratorischer
Volumenstrom
- 8
- Patient
- 9
- Messstrecke
- 10
- Basisströmung
- 11
- Durchflusskammer
- 12
- Anschlusskammer
- 13
- offene
Leitung
- 14
- innere
Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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