DE3650600T2 - Digitale analysevorrichtung für anästhetische mittel - Google Patents

Digitale analysevorrichtung für anästhetische mittel

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Description

  • Diese Erfindung betrifft Infrarot-Gasanalysatoren und insbesondere einen verbesserten Infrarot-Gasanalysator, der zu einer hohen Genauigkeit und zur schnellen Reaktion im Zusammenhang mit der Schwierigkeit bei der Messung von Gasen in der Lage ist, und dennoch verhältnismäßig niedrig in den Kosten ist.
  • Viele Typen von Infrarot-Gasanalysatoren verwenden eine Infrarotquelle, um Infrarotenergie zu erzeugen und durch ein unbekanntes Gasgemisch, das in einer Probenzelle enthalten ist, zu richten. Die Energie, die durch die Probenzelle hindurchgeht, wird erfaßt, und aus ihr werden entsprechende elektrische Signale erzeugt. Diese Signale werden verarbeitet und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Konzentration von einem oder mehreren der Bestandteile des Gases in der Probenzelle anzeigt.
  • Derartige Gasanalysatoren beruhen auf dem Prinzip, daß verschiedene Gase bei speziellen Wellenlängen im infraroten Strahlungsspektrum eine stabile charakteristische Absorption besitzen. Ein Gasanalysator dieses Typs wird in dem US-Patent Nr. 4,013,260, Mcclatchie u.a., das am 22.März 1977 ausgegeben und den Inhabern der vorliegenden Erfindung erteilt wurde, gezeigt und beschrieben. Ein anderer Typ eines Infrarot-Gasanalysators wird in dem US-Patent Nr. 3,953,734, Dimeff, das am 27.April 1976 ausgegeben und den Vereinigten Staaten von Amerika erteilt wurde, gezeigt und beschrieben.
  • WO-A-85/00655 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung des Alkoholspiegels in einer Atemprobe. Der Analysator ermittelt unter Verwendung einer dritten Wellenlänge der Infrarotenergie, zusätzlich zur ersten Referenzwellenlänge und zur zweiten Wellenlänge von Alkohol, die Anteile von Azeton und Wasser. Die Alkoholanzeige wird entsprechend dem Vorhandensein von Azeton und Wasser eingestellt. Es werden drei Filter verwendet, eines als Referenz, eines für Alkohol und eines für Azeton- und Wasserdampf.
  • In jedem der oben zitierten Patente und in ähnlichen Typen von Infrarot-Gasanalysatoren wird das Wellenlängenband des Strahlenbündels der Infrarotenergie, das durch die Probenzelle hindurchgeht, die das unbekannte Gasgemisch enthält, durch das Zwischenschalten von einern oder mehreren Filtern in den Strahlengang des Lichtbündels periodisch verändert. Gewöhnlich läßt jedes Filter nur Strahlung in einem schmalen Band, das dem charakteristischen Absorptionswellenlängenband eines speziell interssierenden Gases entspricht, hindurch. Als Referenzfilter können auch andere Filter in einem Wellenlängenband verwendet werden, das nahe am charakteristischen Absorptionswellenlängenband von einigen in der Probenzelle vorhandenen Gasen liegt, es jedoch nicht wesentlich überlappt.
  • Gasanalysatoren des vorhergehend beschriebenen Typs beziehen gewöhnlich die Strahlung, die bei den charakteristischen Bändern ermittelt wird, auf die Strahlung, die bei den Referenzpegeln ermittelt wird (z.B. eine nichtabsorbierte Wellenlänge und ein dunkler oder völlig gesperrter Pegel). Wenn das erfolgt, wird die Auswirkung der sogenannten Drift minimiert und die Auswirkung des Hintergrundrauschens verringert. Die Drift kann als Ergebnis einer Verunreinigung an den Fenstern in der Probenzelle auftreten, welche die durch sie hindurchgehende Strahlung abschwächt und welche fehlerhaft interpretiert werden könnte, wenn das Vorhandensein des Gases angezeigt wird, das in der Gasprobe zu ermitteln ist. Drift kann auch durch Verschiebungen im Ausgangssignal des Detektors, die vielen Dektorkonstruktionen anhaftet, und Temperaturänderungen in der Infrarotstrahlungsquelle verursacht werden.
  • Gasanalysatoren des vorhergend beschriebenen Typs können trotz ihrer hohen Genauigkeiten noch Fehler enthalten, die durch eine Vielzahl von Faktoren ausgelöst werden. Einer dieser Faktoren ist der Unterschied in der Temperatur zwischen verschiedenen Komponenten des Gasanalysators. Die Temperatur kann natürlich häufig durch Hilfsmittel, wie z.B. Wärmeableitungen, Kühler usw. stabilisiert werden. Die Verwendung derartiger Elemente führt zu signifikanten Kostenerhöhungen, was unerwünscht sein kann.
  • Ein weiterer Fehlerfaktor ist das Vorhandensein von bestimmten Gasen oder Kombinationen von Gasen in der Probenzelle mit Absorptionsbändern, die sich in hohem Maße überlappen. Das Absorptionsband von Wasserdampf ist zum Beispiel sehr breit und kann das Absorptionsband von anderen in der Probenzelle vorhandenen Gasen überlappen. Ohne deren Korrektur kann ein signifikanter Fehler die Folge sein. Die sehr starke Absorptionscharakteristik von Kohlendioxid kann ebenfalls Fehler in den wahrgenommenen Messungen für andere vorhandene Gase verursachen, wenn sie selbst eine geringe Überlappung darstellen.
  • Die Wirkung einiger Temperaturänderungen auf die Genauigkeit kann häufig besser durch die Positionierung eines rotierenden Filterrades an der Eingangsseite der Probenzelle (z.B. zwischen der Infrarotquelle und der Probenzelle), anstatt an der Austrittsseite (zwischen der Probenzelle und dem Detektor) verringert werden. Obwohl durch eine derartige Positionierung eines Filterrades bestimmte andere Probleme entstehen können, wird eine solche Anordnung bevorzugt und die zusätzlichen Fehler, die durch eine solche Anordnung entstehen, werden häufig toleriert.
  • Dessen ungeachtet werden für bestimmte Gase oder Gasgemische eine höhere Genauigkeit benötigt als im allgemeinen in Geräten nach dem Stand der Technik ohne außergewöhnliche Unkosten erreicht wurde. Bei der Messung und Überwachung von Gasen, die zum Beispiel bei anästhesierten Patienten während einer chirurgischen Operation durchgeführt werden, kann das vom Patienten eingeatmete und ausgeatmete Gasgemisch zum Beispiel prozentuale Anteile von Gasen, wie Halothan, Methoxyfluoran, Isofluran und Enfluran, sowie Kohlendioxid und Wasserdampf enthalten. Die Absorptionschrakteristiken dieser verschiedenen Gase unterscheiden sich in weitem Umfang. Die Absorption von Kohlendioxid bei seiner charakteristichen Wellenlänge kann zum Beispiel um das Vielfache größer sein als die Absorption von Halothan bei seiner charakteristischen Absorptionswellenlänge. Wenn die Probenzelle für schnelle Reaktionszeiten im Analysator klein sein muß, wird auch eine Fehlerkorrektur bedeutsamer.
  • Demzufolge bleibt die Forderung insbesondere im Zusammenhang mit der Überwachung von Anästesiemitteln und den damit verbundenen Gasen erhalten, einen Gasanalysator mit einer schnellen Reaktionszeit zusammen mit einer hohen Genauigkeit und Stabilität bei einem angemessenen Preis bereitzustellen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Gasanalysator bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gasanalysator mit einer hohen Genauigkeit und Stabilität bereitzustellen, welcher in den Kosten verhältnismäßig niedrig ist.
  • Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gasanalysator bereitzustellen, welcher besonders gut für den Einsatz im Zusammenhang mit der Messung von Gasen in den eingeatmeten und ausgeatmeten Gasen eines Patienten in Narkose geeignet ist.
  • Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild eines nichtdispersiven Infrarot-Gasanalysators, der die Erfindung enthält;
  • Fig. 2 eine Draufsicht eines Filterrades, das in dem Gasanalysator entsprechend Fig.1 verwendet wird;
  • Fig. 3 ein Diagramm, das die Absorptionschrakteristiken von verschiedenen Gasen veranschaulicht, welche mit der Erfindung überwacht werden können.
  • Sehr verallgemeinert enthält der Gasanalysator entsprechend der Erfindung eine Probenzelle zur Aufnahme eines zu analysierenden Gasgemisches. Aus einer Quelle wird Infrarotenergie durch die Probenzelle gerichtet. Ein rotierendes Filterrad besitzt mindestens ein Filter zum Hindurchlassen der Infrarotenergie in einem Wellenlängenband innerhalb der charakteristischen Absorptionsbandes eines vorbestimmten Gases. Das Filterrad ist ebenfalls mit einem im wesentlichen für Infrarotenergie undurchlässigen Dunkelpegelbereich ausgerüstet. Das Filterrad ist gelagert und wird gedreht, um nacheinander das Filter und den Dunkelpegelbereich zwischen die Quelle und die Probenzelle in den durch die Quelle bestimmten Strahlengang der Infrarorenergie zu schieben. Die Infrarotenergie, die durch die Zelle hindurchgeht, wird erfaßt und es wird ein elektrisches Signal erzeugt, das der Amplitude der Infrarotenergie entspricht. Das elektrische Signal wird verarbeitet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Konzentration des vorgegebenen Gases in der Probenzelle anzeigt. Während der Verarbeitung werden die elektrischen Signale, die von dem Detektor mit dem Filter, der im Strahlengang der Infrarotenergie positioniert ist, erzeugt wurden mit den Signalen verglichen, die erzeugt werden, wenn der Dunkelpegelbereich im Strahlengang der Infrarotenergie positioniert ist. Der Dunkelpegelbereich besitzt eine im wesentlichen vollständig reflektierende Oberfläche, die auf die Probenzelle gerichtet ist, wenn sie im Strahlengang der Infrarotenergie positioniert ist. Folglich wird die Infrarotenergie, die auf den Dunkelpegelbereich auftrifft, im wesentlichen auf den Detektor reflektiert.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 kann jetzt ein System entsprechend der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Eine Infrarotquelle 11 mit einem geeigneten Aufbau ist an einem Ende des optischen Infrarotstrahlenganges 13 angeordnet, welcher am anderen Ende am Detektor 15 endet. In Linie in diesem optischen Strahlengang befindet sich ein rotierendes Filterrad 17, welches durch einen Motor 19 und einen Riemenantrieb 20 um eine Achse gedreht werden kann, die parallel zum optischen Strahlengang, aber versetzt dazu ist. In dem optischen Strahlengang befindet sich auch eine Probenzelle 21, durch welche das zu analysierende Gasgemisch hindurch geleitet wird. Im Falle der Überwachung der Aufnahme und Abgabe der Atemluft bei einem Patienten unter Narkose kann die Probenzelle zum Beispiel durch eine Röhre 23 mit dem Luftwegschlauch verbunden werden, der an den Patienten angelegt ist.
  • Um die Probengase aus der Probenzelle 21 abzusaugen, ist eine Auslaßröhre 18 vorgesehen, welche mit einer Pumpe 16 in Verbindung steht. Ein periodischer Betrieb der Pumpe 16 kann Probengas durch die Einlaßröhre 23 in die Probenzelle 21 zuführen.
  • Ein Signalprozessor 24 ist vorgesehen, um die durch den mit der Position des rotierenden Filterrades 17 synchronisierten Detektor 15 erzeugten Ausgansgsignale zu verarbeiten und eine Vielzahl von Messungen zu liefern, wie unten beschrieben wird. Das rotierende Filterrad kann zum Beispiel direkt oder durch einen geeigneten Asynchron-Motor mit 3450 U/Min. über einen geeigneten Antriebsriemen oder eine geeignete Lageranordnung, nicht gezeigt, so angetrieben werden, daß es sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 6,000 Ulmin. dreht.
  • Das rotierende Filterrad selbst wird besser in Fig. 2 veranschaulicht, welche die Vorderseite des rotierenden Filterrades des bevorzugten Ausführungsbeispiels schematisch darstellt. Das rotierende Filterrad ist, wie gezeigt, in sechs Segmenten von jeweils sechzig Grad geteilt, wobei vier der sechs Segmente die Filter 25 bis 29 enthalten und das sechste Winkelsegment von einem massiven Teil des Rades eingenommen wird. Es können jedoch auch andere Kombinationen und Anzahlen verwendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Wie nachfolgend gezeigt, sind die Filter 25 bis 29 jeweils so ausgewählt, daß sie schmale Bänder der Infrarotstrahlung hindurchlassen, die jedes verschiedene Bandmitten bei ein vorgegebenen Wellenlängen besitzen, um vier Meßsignale und ein Referenzsignal zu liefern. Das sechste Winkelsegment oder der Bereich 31 des Rades besitzt kein Filter und wird verwendet, um die Quellenstrahlung von der Probenzelle so abzublocken, daß das Detektorsignal verwendet werden kann, um die kombinierten Effekte, wie z.B. Hintergrundstrahlung, Detektor-Nullpunkt, elektronischer Versatz, usw. (d.h. das Hintergrundrauschen) anzuzeigen.
  • Die Probenzelle 21 enthält das zu analysierende Gasgemisch. Das Gasgemisch enthält ein interessierendes Gas, das aus einer Anzahl von Gasen ausgewählt ist. Jedes der Gase besitzt eine zugehörige Absorptionscharakteristik, wie unten beschrieben wird. Wenn die Infrarotenergie durch die Zelle 21 hindurchgeht, absorbiert das Gasgemisch einen Teil dieser Energie.
  • Der Detektor 15 reagiert auf die Infrarotenergie, die durch die Zelle 21 hindurchgeht. Jeder Energieimpuls, der durch ein Filter im Filterrad 17 hindurchgeht, erzeugt durch den Detektor einen Signalimpuls. Jeder Impuls besitzt eine Amplitude, die durch die Strahlungsenergie bestimmt wird, die bei einer bestimmten Wellenlänge des Filters, das dann in den Strahlengang der Energie geschoben wird, durch die Zelle 21 hindurchgeht. Der Impuls wird an einen Signalprozessor 24 angelegt.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 3, wird nur als Beispiel eine Absorption (α) in Abhängigkeit von der Wellenlänge (λ) gezeigt, wobei die Darstellung für vier Gase A, B, C bzw. D eine mögliche Absorption veranschaulicht. Jedes der Gase A, B, C und D besitzt eine charakteristische Absorptionswellenlänge λa, λb, λc bzw. λd. Die Absorption der Infrarotenergie, die durch die Probenzelle hindurchgeht, liegt bei der charakteristischen Wellenlänge λa - λd (bestimmt durch die Filter) des jeweiligen Gases A-D. Die charakteristische Absorption sind alle Wellenlängen, bei welchen ein Gas Infrarotenergie absorbiert. Eine vorgewählte Wellenlänge λr (das Referenzfilter) ist so ausgewählt, daß sie außerhalb aller Absorptionscharakteristiken der Gase A-D liegt, wie in Fig. 3 gezeigt wird.
  • Der Gasanalysator gemäß der Erfindung ist besonders zweckmäßig zum Analysieren der ausgeatmeten Luft eines Patienten unter Narkose. Typische Kriteria sind Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoffoxid, Sauerstoff und eines oder mehrere der vorher erwähnten Nakosemittelgase, wobei diese Mittel typischerweise eine Konzentration in der ausgeatmeten Luft von einem bis fünf Prozent oder weniger haben. Jedes dieser Anästhesiemittel absobiert Infrarotenergie bei einer Wellenlänge von etwa 3,3 µm.
  • Die grundsätzliche Theorie der Wirkungsweise des Systems ist wie folgt: Das Detektorsignal, das gemessen wird, wenn das Referenzfilter (Wellenlänge λr) in dem optischen Strahlengang ausgerichtet ist, liefert einen Meßwert der grundsätzlichen Empfindlichkeit des Systems auf Infrarotstrahlung im allgemeinen. Das heißt, es liefert einen Meßwert der Stärke der Strahlung der Infrarotquelle, die Verminderung der Strahlung durch (nichtspektrale) Verunreinigung und dergleichen auf dem infrarotdurchlässigen Fenstern in der Probenzelle, und es liefert ferner einen Meßwert der Effektivität des Kollektors und der Empfindlichkeit des Detektors, sowie des Verstärkungsgrades der Verarbeitungselektronik. Jedes der anderen Filter (λa - λd) liefert eine Strahlung, welche idealerweise, wenn überhaupt, nur absorbiert werden kann durch das Vorhandensein des speziellen, zu bestimmenden Gases (A-D) mit der Absorptionscharakteristik, die dem Filter entspricht. Natürlich werden Verunreinigungen auf den Fenstern Veränderungen in der Strahlung der Quelle, den Eigenschaften des Detektors usw., auch das empfangene Signal verändern, dessen Empfindlichkeit durch die Verwendung des Referenzsignals, welches in gleicher Weise beeinflußt wird, minimiert werden kann.
  • In der Praxis ist bei einer evakuierten Probenzelle oder alternativ bei einer Probenzelle, die andere als die zu ermittelnden Gase enthält, das Detektorsignal in Abhängigkeit von der Winkelposition des rotierenden Filterrades unterschiedlich. Das ergibt sich aus Effekten wie den unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Filter und den Empfindlichkeiten der Strahlung der Quelle und der Wellenlänge des Detektors. Die vier empfangenen Signale werden unterschiedliche Amplituden besitzen.
  • Unterschiede in der Signalamplitude könnten optisch ausgeglichen werden durch Steuerung der Öffnung jedes Referenzfilters oder elektronisch durch Abtasten der kleineren Signale für eine längere Zeit mit einer Schaltung, die eher auf die Zeitamplitudencharakteristik empfindlich ist, als lediglich auf die Amplitude oder die amplitudenstarre Zeitproduktcharakteristik der Abtastung. Das ist jedoch schwierig, weil derartige mechanische Veränderungen kostspielige mechanische Komplexitäten und zeitaufwendige Justierungen einschließen, und die festeingestellten Zeitschaltungen für die Proben sind bei weitem die Einfachsten zur Herstellung und Verwendung.
  • Ein anderes Verfahren zum Abgleichen der Signale bestände darin, zu jedem der Signale eine geeignete Vorspannung zu addieren, um alle Signale auf einen vorgegebenen Pegel zu bringen. Das würde jedoch zu einem System führen, welches auf die Anderungen der optischen Charakteritik empfindlich wäre, so daß in dem Fall, wenn die optischen Fenster, die die Verunreinigungen sammeln, alle Signalstärken um zwanzig Prozent abfallen lassen, die Vorspannung nicht entsprechend abfallen würde, und die vier Signale wären nicht länger gleich, wenn die Probenzelle frei von dem zu erfassenden Gas wäre. Das würde unter der Bedingung, wenn keine Ausgangssignale vorhanden wären, zu unterschiedlichen Ausgangssignalen führen.
  • Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Detektorsignale von jedem der fünf Filter für einen vorgegebenen Winkel des Filterrades mit einem System gemessen, das einen unterschiedlichen Verstärkungsgrad für jeden der abgetasteten Signale aufweist, der vorgegeben wird, um die Signale abzugleichen, wenn keines der zu messenden Gase in der Probenzelle vorhanden ist. Änderungen in der Intensität der Strahlung im optischen System, die durch Verunreinigungen auf den Fenstern der Probenzellen usw. verursacht werden, ändern generell alle Signal proportional und demzufolge werden die vier Gassignale und das Referenzsignal einander mit einem hohen Grad an Genauigkeit folgen.
  • In weiterer Verfolgung der vorgenannten Zielsetzung sollte angemerkt werden, daß in jedem derartigen System ein bestimmter Anteil von Hintergrundstrahlung vorhanden ist. Das ist Strahlung, welche auf den Detektor auftreffen wird, auch wenn die Infrarotstrahlungsquelle ausgeschaltet ist oder von der Strahlung in die Probenzelle durch den festen Teil der rotierenden Filterradanordnung abgeblockt wird. Es sind auch andere Signale vorhanden, welche der Hintergrundstrahlung funktionell äquivalent sind, wie z.B. ein mögliches Nullausgangssignal des Detektors, Verschiebungen des Eingangssignales in der Elektronik usw.. Diese Signale werden gewöhnlich nicht mit Veränderungen der Intensität des Quelle, der Durchlässigkeit des Fensters usw. verändert, und sollten folglich aus den Signalen entfernt werden, bevor die Justierung der Verstärkung zum Abgleich der Ausgangssignale durchgeführt wird.
  • In einigen Fällen liegt die Wellenlänge des Referenzfilters nicht insgesamt außerhalb des Absorptionsbandes aller Gase, die in der Probenzelle vorhanden sind. In diesen Fällen kann eine Verstärkungskompensation notwendig sein, welche berechnet werden kann und welche im Signalprozessor, der unten genauer beschriebenen wird, kompensiert wird.
  • Es wird erneut auf Fig. 1 verwiesen, in der der Signalprozessor 24 einen Vorverstärker 33 enthält, der mit dem Ausgang des Detektors verbunden ist. Eine Rückkopplungsschleife verläuft vom Ausgang des Vorverstärkers 33 durch eine Geschwindigkeitsteuerschaltung 35 zum Motor 19, um die Motorgeschwindigkeit zu stabilisieren. Der Ausgang des Detektors 33 ist auch mit einer Impulsnormierungsschaltung 37 verbunden, deren Ausgang dann mit einer Bereichsstufenschaltung 39 verbunden ist.
  • Die Impulsnormierungsschaltung 37 arbeitet so, daß sie die Amplitude der Impulse, die durch den Vorverstärker 33 vom Detektor 15 ausgegeben werden, bei Nichtvorhandensein von Gas in der Probenzelle, welches bei der speziellen Wellenlänge dieses Impulses absorbiert, auf einen Standardwert oder eine vorgegebene Amplitude einstellt. Die Bereichstufenschaltung 39 justiert andererseits die Verstärkung jedes Impulses in Übereinstimmung mit den Absorptionscharakteristiken des Gases, das dieser speziellen Wellenlänge entspricht. Die Verstärkung jedes Impulskanals wird so ausgewählt, daß bei Nichtvorhandensein irgendeines Gases, das bei dieser speziellen Wellenlänge absorbiert, ein vollständiger Impuls auf einer Standardausgangsspannung liegt. Schaltungen zum Erreichen von Impulsnormierungen und einer Bereichsstufenjustierung sind auf diesem Gebiet allgemein bekannt und werden hier nicht näher beschrieben. Innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung kann irgendeine geeignete Impulsnormierungsschaltung oder Bereichsstufenjustierungsschaltung verwendet werden.
  • Die Funktion der Impulsnormierungsschaltung 37 und der Bereichstufenjustierungsschaltung 39 wird von einem Kontroller 41 gesteuert. Der Kontroller 41 kann irgendein geeigneter, auf einem Mikroprozessor basierender Kontroller sein und vorzugsweise einen Speicher zur Speicherung von Informationen, wie z.B. Filterparameter, Gasabsorptionscharakteristik usw. enthalten. Das besondere Programm, mit welchem der Mikroprozessor arbeitet, ist ebenfalls vorzugsweise intern in einem geeigneten ROM gespeichert.
  • Der Ausgang des Kontrollers 41 ist an ein geeignetes Display 43 angeschlossen. Das Display 43 kann Skalenscheiben, digitale Anzeigen oder andere geeignete Anzeigeelemente für die Konzentrationen der in der Probenzelle interessierenden Gase enthalten. Der Mikroprozessorkontroller 41 kann ebenfalls gesteuert werden oder seine Programme können anderweitig mit Hilfe einer externen Bedienertastatur, nicht gezeigt, modifiziert werden.
  • An den Kontroller 41 werden verschiedene Arbeitsbedingungen, die durch geeignete Abtasteinrichtungen abgenommen werden, von denen nur einige gezeigt werden, durch einen Signalmultiplexer und Analog-Digital-Wandler 45 angelegt. Die Umgebungstemperatur kann zum Beispiel von einem Umgebungstemperatursensor 47 abgetastet werden, welcher ein analoges Ausgangssignal an die Schaltung 45 liefert, welches dann zweckmäßigerweise in eine entsprechende Digitalinformation gewandelt wird. In der Auslaßröhre 18 der Probenzelle 21 enthaltener Sauerstoff kann in ähnlicher Weise durch einen Sauerstoffsensor 49 abgetastet werden, welcher an die Schaltung 45 ein analoges Ausgangssignal anlegt. Nach dem Multiplexen werden die Signale, die die Sauerstoffkonzentration und die Umgebungstemperatur darstellen, dann an den Analog-Digital-Wandler angelegt und zur weiteren Verarbeitung an den Kontroller 41 übertragen.
  • In der Einlaßröhre 23 ist ein Ventil 51 vorgesehen. Das Ventil 51 spricht an, um die Verbindung zum Luftweg des Patienten abzutrennen und eine Aufnahme für Umgebungsluft und einen Reiniger 53 mit der Einlaßröhre 23 zu verbinden. Wenn das erfolgt ist, wird die Betätigung einer Pumpe 16 die Probenzelle von allen darin enthaltenen Gasen befreien und diese Gase durch Umgebungsluft ersetzen, welche vom Kohlendioxid gereinigt wurde. Wenn das erfolgt ist, kann dann der Kontroller die Impulsnormierungsstufe 37 justieren, um die Justierung der Normierung erneut zu kalibrieren.
  • Beim Betrieb der Anordnung werden die Ausgangsimpulse vom Detektor 15 im Vorverstärker 33 verstärkt und dann in der Impulsnormierungsstufe 37 justiert. Die Impulsnormierungsschaltung justiert die Amplitude der Impulse in Übereinstimmung mit den Änderungen in der Amplitude des Referenzfiltersimpulse, wodurch die Drift beseitigt wird, die durch Fensterverunreinigung usw. verursacht wird.
  • In der Bereichsstufenschaltung 39 wird das Signal noch einmal justiert, um die Impulse in Übereinstimmung mit den unterschiedlichen Absorptionschrakteristiken der zu messenden Gase zu skalieren. Die Amplitude der Absorption, die zum Beispiel durch Kohlendioxid verursacht wird, kann um ein Vielfaches höher als die sein, die durch gewöhnliche Anästhesiemittelgase verursacht werden. Die Bereichsstufenschaltung 39 erlaubt diese Änderungen genau zu skalieren.
  • Wie bereits erwähnt, können verschiedene fehlerverursachende Faktoren manchmal durch verhältnismäßg teure Raffinessen in den Gasanalysatoren eliminiert werden. Einer dieser fehlerverursachenden Faktoren besteht darin, daß der Dunkelpegel, der durch den Detektor während der Zeit abgetastet wird, in der der Bereich 31 im optischen Strahlengang positioniert ist, verändert werden kann. Änderungen im Dunkelpegel werden durch die infrarote Hintergrundstrahlung von einer Vielzahl von Quellen verursacht und sind natürlich ständig im System vorhanden. Es wurde erkannt, daß Änderungen im Hintergrundpegel abhängig davon auftreten können, ob sich ein Filter im Strahlengang der Infrarotenergie befindet oder ob die Infrarotenergie abgeblockt ist. Das ergibt sich daraus, daß Anordnungen nach dem Stand der Technik die Infrarotstrahlung gewöhnlich durch das Zwischenschieben eines undurchsichtigen Teiles des Filterrades abblocken. Gewöhnlich absorbiert oder emittiert die Oberfläche des Filterrades Infrarotstrahlung, aber sie reflektiert sie nicht. Andererseits werden gewöhnliche Filtermaterialien zusätzlich zur Wirkung als Fenster für Infrarotstrahlung auch eine Reflexion dieser Strahlung verursachen. Die Differenz zwischen dem Phenomen der Absorptionsemission und dem Phenomen der Reflexion kann zu einer unterschiedlichen Hintergrundstrahlung führen abhängig davon, ob ein Filter im infraroten Strahlengang liegt oder der Strahlengang abgeblockt ist. Das kann zu einer Änderung in der Impulshöhe führen, welche falsch ist (welche z.B. nicht durch die Änderung in dem gemessenen Gas bei der Wellenlänge des Impules verursacht wird), weil irgendein anderes Gas als das gemessene Gas andere Absorptionen der verschiedenen Hintergrundstrahlungen erzeugen kann und so deutliche Änderungen in dem übertragenen Impuls erzeugt, die im Vergleich mit der Absorption der charakteristischen Strahlung durch das zu messende Gas groß sind.
  • Obwohl dieses Problem durch Anordnung des Filterrades an der dem Detektor benachbarten Seite der Probenzelle beseitigt werden könnte, führt eine solche neue Positionierung zu anderen unerwünschten Problemen. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird die Schwankung im Dunkelpegelproblem, die oben beschrieben wird, beseitigt, indem der undurchsichtige Abschnitt des Filterrades für Infrarotstrahlung, der bei 31 in Fig. 2 angezeigt wird, reflektierend gemacht wird. Es kann irgendein geeignetes reflektierendes Material verwendet werden. Durch Einsetzen eines solchen Materials werden beim Vorhandensein des undurchsichtigen Bereiches des Filterrades im Strahlengang Veränderungen in der Hintergrundstrahlung gegenüber den Filtern, die in den Strahlengang zwischengeschoben werden, beseitigt.
  • Als eine weitere Verbesserung dieser Funktion wird die reflektierende Oberfläche des undurchsichtigen Bereiches 31 in derselben Ebene angeordnet wie die reflektierende Oberfläche der Filter 25 bis 29. Wenn das erfolgt, ist der mittlere Winkel der Lichtstahlen, die von dem undurchsichtigen Bereich reflektiert werden, derselbe, wie der für die Filter. Dieses Problem kann besonders dringlich werden, wenn sogenannte Lichtleiteroptiken in der Probenzelle verwendet werden, um den Strahlengang des Lichtes, das durch die Zelle wandert, zu maximieren. Mit anderen Worten, wenn den Lichtstrahlen ermöglicht wird, an den Wänden der Zelle abzuprallen, anstatt fokussiert oder gesammelt zu werden und glatt durch sie hindurchzugehen, wird der Strahlengang für eine bessere Signalantwort verlängert. Wegen der Schwankung der Lichtwinkel infolge der Reflexion von den Wänden der Probenzelle und von den Filtern und dem undurchsichtigen Bereich auf dem Filterrad wird es jedoch besonders wichtig, daß die reflektierende Ebene auf dem Filterrad gleichförmig ist.
  • Probleme der Genauigkeit der Gasanalysatoren des Typs, welcher die vorliegende Erfindung betrifft, werden auch durch das Vorhandensein von Wasserdampf in der Probenzelle ausgelöst. Das ist besonders akut, wenn die interessierenden Gase solche Gase enthalten, welche nur eine sehr geringe Absorption besitzen, was für Halothane typisch ist. Wasserdampf besitzt eine Absorptionscharakteristik, welche einige Gase stört, aber andere nicht.
  • In Übereinstimmung mit der Erfindung wird in dem Filterrad 17 ein Filter als Referenzfilter verwendet, welches zwei Wellenlängen durchläßt. Die beiden Wellenlängen, die durch das Filter hindurchgelassen werden, werden so ausgewählt, daß eine Wellenlänge vollständig außerhalb der Absorptionszone des Wasserdampfes liegt, und daß die andere Wellenlänge vollständig innerhalb der Absorptionszone des Wasserdampfes liegt. Beide Wellenlängen werden so ausgewählt, daß sie außerhalb der Absorptionsbereiche irgendeines anderen Gases liegen, von dem erwartet wird, daß sie in der Probenzelle enthalten ist. Durch Auswahl der geeigneten Wellenlängen und durch Justieren der Amplitude der Infrarotenergie, die bei diesen Wellenlängen durch das Filter hindurchgelassen werden, kann die Veränderung in der Absorption der anderen interessierenden Wellenlängen infolge des Vorhandenseins von Wasserdampf durch die Referenzfilter mit dualen Wellenlängen genau verfolgt werden. Solche Referenzfilter mit dualen Wellenlängen sind von Barr Associates, Massachusetts, USA, erhältlich. Durch die Verwendung eines einzigen Filters mit dualen Wellenlängen, wie oben beschrieben wird, oder einer Kombination von zwei oder mehr Filter in Reihe, ist es wahlweise möglich, das Vorhandensein von Wasserdampf, ohne Hinzufügen eines Extrakanals, mit sich daraus ergebenden höheren Kosten des Filterrades und der Signalverarbeitungsschaltung, zu kompensieren.
  • Wie erwähnt, erzeugt die Verwendung von sogenannten Lichtleiteroptiken in der Probenzelle größere Längen für den Strahlengang und wird deshalb bevorzugt, wenn eine schnelle Reaktionszeit (bei kleinerer Probenzellengröße) gewünscht wird. Es wurde jedoch erkannt, daß gewöhnliche Materialien, die als reflektierende Oberflächen für Infrarotstrahlung eingesetzt werden, wie z.B. poliertes Aluminium, hochabsorbierend für Wassermoleküle sind. Diese Wassermoleküle werden auf den Wänden der Probenröhre absorbiert (nicht kondensiert), was wegen des breiten Bandes und der veränderlichen Absorptionscharakteristiken der Wassermoleküle zu Fehlern führt. Materialien, die eine niedrige Absorption für Wassermoleküle besitzen, wie z.B. korrosionsfester Stahl, sind nicht hochreflektierend für Infrarotstrahlung und deshalb nicht geeignet. Es ist möglich, die Probenzelle zu erwärmen, um das Absorptionsband der Wassermoleküle an den Wänden zu brechen, es sind jedoch derart hohe Temperaturen erforderlich (400 - 500ºC), die das undurchführbar machen.
  • Im Rahmen der Erfindung wurden Materialien gefunden, welche für die Infrarotstrahlung hinreichend reflektierend sind, um sie für Probenzellen einsetzen zu können, welche aber eine hinreichend niedrige Absorptionsfähigkeit für Wassermoleküle haben, um das oben beschriebene Problem zu verhindem. Derartige Materialien umfassen Siliziumoxid, Magnesiumfluorid und Gold.
  • Ein weiterer Fehlerfaktor, welcher in einem Gasanalysator vorhanden sein kann, ergibt sich aus dem Vorhandensein von Umgebungsluft im Strahlengang in den Zwischenräumen zwischen den verschiedenen Elementen des Gasanalysators. Da sich die vorhandene Umgebungsluft in bestimmten Gaskonzentrationen von denen in der Probenzelle vorhandenen unterscheiden kann, und da sich die Umgebungsluft nach dem Kallibrieren des Instrumentes mit der Zeit ändern kann, kann das zu Fehlern führen. Ein derartiger Fehler könnte durch Füllen der Zwischenräume der Umgebungsluft oder durch Evakuieren dieser Zwischenräume beseitigt werden, diese Hilfsmittel bringen jedoch signifikante Unkosten mit sich.
  • In dem optischen Strahlengang wird eine abgedichtete Gaszelle angeordnet, die mit einer fest vorgegebenen Menge von Kohlendioxid gefüllt ist. Die Kohlendioxidmenge wird so ausgewählt, daß sie sechzig bis siebzig Prozent der Infrarotstrahlung im Bereich des Wellenlängenbandes der charakteristischen Absorption von Kohlenstoffmonoxid absorbierta. Bei niedrigen Pegeln der Strahlungsintensität ist das Verhalten von Kohlendioxid näher dem Verhalten der anderen in der Probenzelle enthaltenen Gase, welche von Interesse sind, angenähert. Das verringert die Gesamtempfindlichkeit des Instrumentes auf das Vorhandensein von Umgebungsluft im Strahlengang der Infrarotenergie.
  • Wie erwähnt, kann der Gasanalysator gemäß der Erfindung eine automatische Nullungsfunktion enthalten. Als ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung wird diese automatische Nullung beim Auftreten von drei abgetasteten Bedingungen ausgelöst. Die erste dieser Bedingungen ist die Zeit. Der Kontroller 41 ist mit einer geeigneten internen Uhr ausgerüstet, nicht gezeigt, um eine vorbestimmte Zeit nach dem Aufwärmen der Vorrichtung einen automatischen Befehl zum Nullsetzen zu erzeugen. Eine solche vorbestimmte Zeit kann zum Beispiel dreißig Minuten betragen und besitzt den Zweck der erneuten Kalibrierung der Vorrichtung, sobald die verschiedenen Teile der Vorrichtung auf ihre typischen Betriebsbedingungen aufgewärmt sind. Nach dem Aufwärmen können sich die Temperaturpegel der verschiedenen Teile signifikant von denen unterscheiden, die unmittelbar nach einem Kaltstart vorhanden sind.
  • Außerdem ist der Kontroller 41 so eingestellt, daß er bei einer vorgegebenen Änderung der Umgebungstemperatur eine automatische Nullung auslöst. Eine Anderung der Umgebungstemperatur kann eine signifikante Auswirkung auf die relativen Temperaturen der verschiedenen Teile besitzen und deshalb auf die Genauigkeit der Anordnung. Im allgemeinen wird ein Auslösen einer automatischen Nullung beim Erfassen einer Änderung der Umgebungstemperatur von etwa fünf bis zehn Grad bevorzugt.
  • Schließlich wird eine automatische Nullung durch den Kontroller 41 beim Erfassen einer vorgegebenen Änderung in der Amplitude des Impulses im Referenzfilter ausgelöst. Ein bevorzugter Pegel liegt in der Größenordnung von 0,2 Prozent Änderung. Eine solche Nulleinstellung wird die Anordnung erneut kalibrieren, wenn in den Bedingungen der Hintergrundstrahlung signifikante Änderungen aufgetreten sind.
  • Alle vorhergehenden Merkmale bilden zusammengenommen eine signifikante Verbesserung in der Stabilität und Genauigkeit der Gasanalysatoren entsprechend der Erfindung bei verhältnismäßig bescheidenen Kosten im Vergleich damit, was im Stand der Technik gelehrt wird. Das heißt, weil solche Hilfsmittel die Verwendung von weniger stabilen aber billigeren Teile in kritischen Bereichen im Gasanalysator erlauben.
  • Es kann deshalb gezeigt werden, daß die Erfindung einen verbesserten Gasanalysator bereitstellt, welcher insbesondere zur Überwachung von Anästhesiemitteln und den zugehörigen Gasen geeignet ist. Der Analysator entsprechend der Erfindung besitzt eine schnelle Reaktionszeit zusammen mit einer hohen Genauigkeit und Stabilität und kann dennoch mit einem begründbaren Preis konstruiert werden. Verschiedene Modifikationen der Erfindung sind dem Fachmann aus der vorhergehenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich. Es ist beabsichtigt, daß derartige Modifikationen in die anhängenden Ansprüche fallen.

Claims (6)

1. Gasanalysator mit einer Probenzelle (21) zur Aufnahme einer zu analysierenden Gasmischung, einer Quelle (11) zum Erzeugen und Richten von Infrarotenergie durch die Probenzelle (21), einem drehbaren Filterrad (17) mit mindestens einem Filter (25) zum Durchlassen von Infrarotenergie begrenzt auf ein erstes Wellenlängenband innerhalb des charakteristischen Absorptionsbandes eines vorgegebenen Gases, wobei das Filterrad ferner einen für Infrarotenergie im wesentlichen undurchlässigen Dunkelpegelbereich (31) aufweist, Antriebsmitteln zum Tragen und Rotieren des Filterrades, um nacheinander das Filter (25) und den Dunkelpegelbereich (31) zwischen der Quelle (11) und der Probenzelle (21) im Weg (13) der von der Quelle (11) gerichteten Infrarotenergie anzuordnen, einem Detektor (15) zum Detektieren von durch die Probenzelle durchgegangener Inf rarotenergie und zum Erzeugen eines für diese repräsentativen elektrischen Signals, mit dem Detektor (15) verbundenen Signalverarbeitungsmitteln (24) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Konzentration des vorgegebenen Gases in der Probenzelle (21) anzeigt, durch Vergleich der elektrischen Signale, die von dem Detektor (15) erzeugt werden, wenn das Filter (25) bzw. der Dunkelpegelbereich (31) in dem Weg (13) der Infrarotenergie angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Filterrad (17) einen zweiten Filter (26, 27, 28 oder 29) enthält zum Durchlassen von Infrarotenergie in den Grenzen eines zweiten und dritten Wellenlängenbandes, von denen das eine im Bereich der Infrarotabsorption in Wasserdampfliegt und das andere nicht, wobei das zweite und dritte Wellenlängenband des zweiten Filters außerhalb der charakteristischen Wellenlängenabsorptionsbereiche von anderen in der Probenzelle vorhandenen Gasen sind, wobei die Amplitude der von dem zweiten Filter bei dem zweiten und dritten Wellenlängenband durchgelassenen Infrarotenergie so gewählt ist, daß die Variation der Absorption von Infrarotenergie in dem ersten Wellenlängenband des ersten Filters (25) aufgrund des Vorhandenseins von Wasserdampf in der Probenzelle (21) erfaßt wird.
2. Gasanalysator nach Anspruch 1, bei dem der Dunkelpegelbereich (21) eine im wesentlichen vollständig reflektierende Oberfläche hat, die der Probenzelle (21) zugewendet ist, wenn sie in dem Weg der Infrarotenergie angeordnet ist, so daß darauf auftreffende Infrarotenergie reflektiert wird, und wobei die reflektierende Oberfläche des Dunkelpegelbereichs (21) im wesentlichen in der gleichen Rotationsebene angeordnet ist, wie die der Probenzelle zugewandte Seite des Filters.
3. Gasanalysator nach Anspruch 2, bei dem die inneren Oberflächen der Probenzelle (21) im wesentlichen aus einem Material bestehen, das eine niedrige Affinität für die Bindung mit Wassermolekülen hat.
4. Gasanalysator nach Anspruch 3, bei dem das Material ausgewählt ist aus Siliziumoxid, Magnesiumfluorid und Gold.
5. Gasanalysator nach Anspruch 1, mit Mitteln zum Erfassen der Umgebungstemperatur und zum Aktivieren einer automatischen Nullstelleinrichtung bei Änderung der Umgebungstemperatur der Quelle (11) um einen vorgegebenen Betrag.
6. Gasanalysator nach Anspruch 1, mit einem Referenzfilter in dem Filterrad (7), wobei die Signalverarbeitungsmittel (24) Mittel zum Vergleichen des Pegels der Infrarotenergie, die durch die Probenzelle (21) durchtritt, wenn das erste Filter (25) in dem Weg der Infrarotenergie angeordnet ist, und wenn das Referenzfilter in dem Weg der Infrarotenergie angeordnet ist, Mittel zum Überwachen der Amplitude des von dem Detektor (15) bei im Weg der Infrarotenergie angeordneten Referenzfilter detektierten Signals, und zum Aktivieren der automatischen Nullstelleinrichtung bei einer Änderung des Pegels des Signals um einen vorgegebenen Betrag, aufweist.
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