DE3706559A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung und ueberwachung der bei der narkose einzuhaltenden, die spontanatmung bzw. die beatmung der narkotisierten person betreffenden parameter in einem halbgeschlossenen system - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung und ueberwachung der bei der narkose einzuhaltenden, die spontanatmung bzw. die beatmung der narkotisierten person betreffenden parameter in einem halbgeschlossenen systemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Messung und Überwachung der bei
der Narkose einzuhaltenden, die Spontanatmung
bzw. die Beatmung der narkotisierten Person
betreffenden Parameter in einem halbgeschlossenen
System sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Es sind Verfahren und auch Vorrichtungen zur
Erfassung z. B. der Atemstromkurve bei einer
narkotisierten Erwachsenen bekannt. Bei dem
relativ großen Atemgasdurchsatz sind diese
Verfahren ausreichend genau, so daß kleine
Fehlmessungen nicht ins Gewicht fallen.
Diese groben Meßmethoden sind jedoch bei Früh
geborenen, Neugeborenen, Säuglingen bzw. Klein
kindern nicht ohne weiteres anzuwenden, da bei
der Narkose dieses Personenkreises mit z. T.
extrem kleinen Atemgasmengen gearbeitet werden
muß.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu
führen, daß die Spontanatmung und die Beatmung
von Frühgeborenen, Neugeborenen, Säuglingen und
Kleinkindern exakt überwacht werden kann, ohne
durch die Überwachung störend in das System
einzugreifen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der
Merkmale des kennzeichenden Teils des Anspruchs 1.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dadurch, daß Inspiration und Expiration getrennt
und patientenfern gemessen werden, ergibt sich im
System keine Totraumvergrößerung. Ebenso bleibt
der Strömungswiderstand im Beatmungssystem bei
Werten, die eine Störung des Durchflusses des
bei dem hier angesprochenen Patientenkreis geringen
Atemgasvolumens ausschließen.
Obwohl als Meßmethode generell Techniken wie die
Staurohrtechnik (mit Hilfe des Pitot-Rohres) oder
auch die Fleischkopftechnik in Frage kommen, wird
erfindungsgemäß die Hitzdrahtanemometrie vorgezogen.
Die Hitzdrahtanemometrie ist die einzige Methode,
die keine Veränderung des Strömungswiderstandes
über den gesamten physiologischen Bereich des
maximalen Volumenstromes während der Atemphase
bei Frühgeborenen bis zum Kleinkind hervorruft
(zwischen 15 ml/sec. und 450 ml/sec.). Die Staurohr
technik und der Fleischkopf können nur für sehr
enge Bereiche der maximalen Strömung widerstandsarm
eingerichtet werden, so daß trotz prinzipieller
Eignung das Gesamtsystem auf enge Altersstufen
eingeschränkt bleibt.
Die Hitzdrahtanemometrie basiert auf dem Kühlungs
effekt durch den Gasstrom auf den geheizten Drähten.
Der Energiebedarf, der erforderlich ist, um die
Drähte auf einer konstanten Temperatur zu halten,
ist dabei mit dem Volumenstrom des Atemgases
korreliert. Bei großen Strömen, wie bei Erwachsenen,
ist der hauptsächliche physikalische Effekt der
des Wärmetransports durch Konvektion. Bei sehr
kleinen Strömen treten verschiedene Effekte auf,
die das Meßsignal beeinflussen:
- 1. Es tritt ein thermischer Fluß auf, welcher das Ergebnis des in unmittelbarer Nachbarschaft des heißen Drahtes aufgeheizten Gases ist. Daraus ergibt sich ein Signal, obwohl dieser thermische Fluß senkrecht zum Atemgasstrom gerichtet ist.
- 2. Ferner ändert sich die Physik des Gasstromes, wie z. B. seine Dichte, die Viskosität, die Leitfähigkeit und die spezifische Wärmekapa zität, die sich durch Änderung von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit sowie durch die Verände rung des Gasgemisches zwischen Inspiration und Expiration ergeben.
Um ein genaues Meßergebnis zu erhalten, müssen diese
Veränderungen und die Nebeneffekte berücksichtigt
werden. Hierzu gehört auch die Berücksichtigung
der Kompressibilität der Gase bzw. das Ausmaß
des druckabhängigen Gasvolumens im System zwischen
inspiratorischem und expiratorischem Ventil.
Aus diesem Grunde werden alle diese physi
kalischen Größen überwacht und über einen Analog
digitalwandler einem Rechner zugeführt, welcher
mit Hilfe einer speziellen Software aus den an
gelieferten Rohwerten einen in engen Fehlergrenzen
exakten Meßwert liefert.
Dabei wird ausgenutzt, daß die Hitzdrahtanemometrie
in Konstant-Temperatur-Technik ein hohes Auflösungs
vermögen hat und ihre Empfindlichkeit gerade bei
geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Gegensatz
zu anderen Meßgeräten größer ist als bei hohen.
Die einzige Schwierigkeit hierbei ist, daß bei
der Hitzdrahtanemometrie in Konstant-Temperatur-
Technik die dem Hitzdraht zugeführte Energie
der Strömung nicht direkt proportional ist; d. h.
daß die Eichkurve des Hitzdrahtanemometeroutputs
in ihrer Abhängigkeit zur Strömungsgeschwindigkeit
nicht linear ist. Diese Schwierigkeit läßt sich
jedoch leicht beseitigen, indem für jeden Hitz
draht eine spezielle Kalibrierkurve erstellt
wird.
Die Atemgastemperatur ist weder inspiratorisch
noch expiratorisch konstant (z. B. bei Änderung
der Außentemperatur, Heizen des inspiratorischen
Gasgemisches, Temperaturänderung des Patienten
u. ä.). Diese Temperaturdifferenzen liegen üblicher
weise in Bereichen, die 10 Grad C nicht über
schreiten. Für die Hitzdrahtanemometrie in
Konstant-Temperatur-Technik ergibt sich daraus
im Gegensatz zur Konstant-Strom-Technik der
Vorteil, daß sich durch Messung der Fluidtempe
ratur das Spannungssignal rechnerisch korrigieren
läßt und über die zu ermittelnde spezielle Eich
kurve der Volumenstrom ermitteln läßt. Die
Temperatur der Gase wird dabei vorteilhafterweise
mit Hilfe von zwei Termistoren gemessen. Die
inspiratorische Temperatur wird im Gehäuse des im
Inspirationszweig angeordneten Ventils gemessen,
während die expiratorische in der Mitte des den
Expirationszweig bildenden Schlauches ungefähr
3 cm vor dem Hitzdraht gemessen wird. Hinter dem
im Inspirationszweig angeordneten Ventil kann ein
Kanal angeordnet sein, welcher mit einem Manometer
zur Druckmessung verbunden ist.
Die Hitzdrähte bestehen aus Platin. Sie können
jeweils zu zweit kreuzweise über den gesamten
Durchmesser der Gasströmung gespannt sein. Ein elek
tronischer Regler hält die Drähte auf einer
konstanten Temperatur von z. B. 227,3 Grad C. Die
Anemometer, die Temperatur- und Druckmeßsysteme
sind mit dem Rechner über den A-D-Wandler ver
bunden. Dieses System liefert folgende
Informationen: Die Atemstromkurve, das Atemzug
volumen, das Atemminutenvolumen, die maximale
Strömung, jeweils getrennt für Inspiration und
Expiration. Eine Korrektur durch den Rechner
ist auch deshalb notwendig, weil die Ventil
funktion besonders in der Übergangsphase von
Inspiration zu Expiration und umgekehrt nicht
derart gesichert ist, daß keine Leckströme
auftreten, weil z. B. beide Ventile gleichzeitig
geöffnet sind.
Daher arbeitet der Rechner in folgender Weise:
- 1. Speicherung der Rohdaten
2. Definition des Anfangs und des Endes von Inspiration und Expiration
3. Definition der Anzahl der Atmungen während einer vorbestimmten Zeit
4. Berechnung der Atemfrequenz
5. Berechnung des Strömungsvolumens
6. Korrektur der berechneten Werte in Abhängigkeit von a) dem jeweiligen Gasgemisch, b) der Tem peratur, c) dem Druck während der Atmungszyklen, d) der Feuchtigkeit und e) des atmosphärischen Drucks und - 7. Anzeige bzw. Ausdruck der ermittelten Werte.
Gemäß einem Unteranspruch ist vorgesehen, daß
gleichzeitig die Sauerstoffkonzentration, z. B.
mit paramagnetischer Messung, in den beiden
Zweigen gemessen wird. Dadurch kann die Sauer
stoffaufnahme des Patienten ermittelt werden.
Ein deutlich vereinfachtes System zur Messung
der Atemstromkurve kann angeboten werden, wenn
auf das expiratorische Signal verzichtet wird.
Diese Vereinfachung ist sinnvoll, da das Expi
rationsgas physiologisch bedingten Änderungen
der Zusammensetzung unterliegt. Daher vereinfacht
sich bei Beschränkung auf die inspiratorische
Volumenmessung der hierzu notwendige Rechenauf
wand.
Ebenfalls eine Verringerung des Rechenaufwandes
ergibt sich, wenn lediglich die maximale Strömung
gemessen wird. Es hat sich herausgestellt, daß
unter Spontanatmung zwischen der maximalen
Strömung und dem Atemminutenvolumen
eine statistisch gesicherte Korrelation
besteht. So ist es mit Hilfe der Messung der
maximalen Strömung möglich, das Atemminutenvolumen
zu errechnen. Dabei macht man sich den Vorteil
zunutze, daß physiologischerweise die maximale
Strömung in Bereichen liegt, in denen die rech
nerische Berücksichtigung des unlinearen Zusammen
hanges zwischen niedriger Strömung und dem ane
mometrischen Meßsignal weitgehend entfällt, mit
anderen Worten zu einem Zeitpunkt, bei dem das
Meßsignal weit über dem Grundrauschen liegt.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Anemometrie
liegt darin, daß bei Atemstillstand das anemome
trische Meßsignal die intrathorakale Volumenver
schiebung als Folge der Herzaktion anzeigt.
Gegebenenfalls kann daraus das Herzzeitvolumen
ermittelt werden, soweit sich die intrathorakale
Volumenverschiebung mit dem Herzschlagvolumen
korrelieren läßt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von
Zeichnungen dargestellt und näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 schematischer Aufbau der Vorrichtung,
Fig. 2 schematische Darstellung der Position
der Hitzdrahtmeßköpfe im halbgeschlossenen
System.
In der Fig. 1 ist schematisch dargestellt, daß
die Vorrichtung aus einem Inspirationszweig (1)
und getrennt davon einem Expirationszweig (2)
besteht. In dem Inspirationszweig sind ein
Hitzdrahtanemometer (3) ein Manometer (4) und
ein Thermometer (5) angeordnet, während im
Expirationszweig (2) nur ein Hitzdrahtanemometer
(6) und ein Thermometer (7) angeordnet sind.
Die von den Thermometern (5 u. 7) und vom Mano
meter (4) ermittelten Meßwerte werden direkt
einem Analogdigitalwandler (8) zugeführt, während
die von den Anemometern (3 u. 6) ermittelten
Meßwerte erst über ein Frequenzfilter (9) dem
Analogdigitalwandler (8) zugeführt werden. Der
Übersichtlichkeit halber sind in der Zeichnung 1
die notwendigen aber geläufigen Verstärker
nicht dargestellt. Die digitalen Signale werden
vom Analogdigitalwandler einem Rechner (10)
zugeführt, der die von den Anemometern (3 u. 6)
ermittelten Meßwerte unter Berücksichtigung
der Temperatur- und Druckwerte
korrigiert und auf einem Terminal, Schreiber
oder Plotter anzeigt. Die ermittelten korrigierten
Meßwerte werden darüber hinaus gespeichert.
In der Fig. 2 sind Expirationszweig (2) und
Inspirationszweig (1) in abgebrochener Darstellung
schematisch dargestellt. Der Expirationszweig (2)
und der Inspirationszweig (1) werden von je einem
Schlauch gebildet, die an den beiden Stutzen
(11 u. 12) eines Y-Konnektors (13) angeschlossen
sind. Der Steg des Y-Konnektors wird von einem
Stutzen (14) gebildet, an dem ein als Schlauch
ausgebildeter Tubus bzw. eine Atemmaske ange
schlossen ist. Die Schläuche des Expirations
zweigs (2) und des Inspirationszweigs (1) führen
zu Hitzdrahtanemometern (15 u. 16), denen jeweils
ein Ventil (17, 18) nachgeschaltet ist, derart,
daß das Inspirationsanemometer (15) in Strömungs
richtung hinter dem Ventil (17) und das Expirations
anemometer (16) in Strömungsrichtung vor dem
Ventil (18) angeordnet ist. Die Ventile (17 u. 18)
öffnen dabei gegensinnig. In der Fig. 2 ist die
Plazierung des Manometers (4) bzw. der Thermometer
(5 u. 7) nicht dargestellt. Die letzteren können
entweder als getrennte Meßfühler in Strömungsrich
tung jeweils vor dem inspiratorischen bzw. expirato
rischen Hitzdraht angebracht werden, oder die Ver
wendung eines Anemometers mit je zwei parallelen
Hitzdrähten gestattet die gleichzeitige Messung
des Volumenstromes und der Temperatur. Diese Art
der Anordnung der Hitzdrähte ist auch deshalb
ratsam, weil das Profil des Gasstroms am Meßort
immer inhomogen ist. Dieses inhomogene Profil
wird dabei überlappt von den beschleunigten und
abgebremsten Gasströmen während der verschiedenen
Atmungsphasen.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft folgendermaßen
ab: In das System wird Atemluft eingebracht,
die durch einen nicht dargestellten CO₂-
Absorber und das Ventil (17) in den Inspirations
zweig (1) gelangt. Dabei strömt das Gas an den
Hitzdrähten des Hitzdrahtanemometers (15) vorbei
und kühlt diese ab. Den Hitzdrähten muß Energie
zugeführt werden, um den Temperaturabfall wieder
auszugleichen. Die zugeführte Energie ist dabei
der Strömung proportional und kann als Meßwert
abgegriffen werden und dem Analogdigitalwandler
(8) zugeführt werden. Die Atemluft gelangt über
den Y-Konnektor (13) in die Lunge und von dort
beim Ausatmen wiederum über den Y-Konnektor (13)
in den Expirationszweig (2), wo die ausgeatmete
Luft an den Hitzdrähten des Hitzdrahtanemometers
(16) vorbeiströmt und diese ebenfalls abkühlt.
Die Temperaturkompensation liefert das Vergleichs
signal, welches ebenfalls dem Analogdigitalwandler
zugeführt wird. Beide Signale werden daraufhin
dem Rechner (10) eingegeben, der unter Berück
sichtigung des aktuellen Drucks im Inspirations
zweig (1) und der Temperatur in beiden Zweigen
(1 u. 2) sowie der Stoffwertedichte, Wärmekapa
zität, Feuchtigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Viskosi
tät den korrigierten Meßwert liefert und anzeigt.
Bei der Korrektur des Meßwertes muß folgendes noch
berücksichtigt werden: Der Hitzdraht kann nicht
unterscheiden, in welcher Richtung das Gas fließt,
da jede Strömung den Hitzdraht herunterkühlt. Wenn
das Expirationsventil öffnet während das Inspirations
ventil noch nicht geschlossen ist und umgekehrt,
geben beide Drähte ein Signal. Das ist die normale
Situation unter den Umständen schneller Atmung
bei Neugeborenen und Kleinkindern. Daneben kann
es geschehen, daß eins oder auch beide Ventile
nicht gänzlich geschlossen sind. Das hat zur
Folge, daß der Computer Rohwerte speichert,
die über den gesamten Atmungszyklus für beide
Hitzdrähte von null verschieden sind. Aus diesem
Grund kann der Rechner nicht entscheiden, wann
die Inspiration oder die Expiration beginnt bzw.
endet. Daher ist es notwendig, eine mathematische
Korrektur anzubringen. Hierzu verbindet der
Rechner den maximalen Anstieg der einen Strömung
mit dem maximalen Abfall der anderen. Die Ver
bindungslinie zwischen diesen beiden Punkten
kreuzt die Nullinie. Dieser berechnete Punkt
definiert den Augenblick, wenn Inspiration in
Expiration übergeht und umgekehrt. Der dabei
auftretende Fehler ist jedoch so gering, daß er
nicht wesentlich vom Standardfehler des Meßsystems
abweicht. Auf diese Weise ist es dem System
möglich, die Atemstromkurve, das Atemzugvolumen,
das Atemminutenvolumen, die maximale Strömung,
jeweils getrennt für Inspiration und Expiration
zu ermitteln. Insofern ist es geeignet zur wissen
schaftlichen Messung und zur Überwachung der
oben angeführten Parameter.
Claims (11)
1. Verfahren zur Messung und Überwachung der bei
der Narkose einzuhaltenden, die Spontanatmung
bzw. die Beatmung der narkotisierten Person
betreffenden Parameter in einem halbgeschlos
senen System, dadurch gekennzeichnet, daß
mit Hilfe von Meßfühlern die Parameter einer
seits im Expirationszweig und/oder andererseits
im Inspirationszweig des halb geschlossenen
Systems patientenfern gemessen, über einen
A-D-Wandler einem Rechner zugeführt und die
vom Rechner verarbeiteten Meßwerte angezeigt
und/oder gespeichert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Parameter mit Hilfe der
Hitzdrahtanemometrie bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Temperatur der Hitzdrähte
konstant gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß sowohl im Expirations- als
auch im Inspirationszweig die Temperatur und
der Druck des strömenden Gases gemessen wird und
diese Werte zur Korrektur der Meßsignale der Hitz
drahtanemometer dem Rechner zugeführt werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Korrektur der Meßsignale der Meß
fühler Stoffwerte des Atemgases wie Dichte,
Wärmekapazität, Feuchtigkeit, Wärmeleitfähig
keit, Viskosität ermittelt werden und dem
Rechner zugeführt werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl im Expirations- als auch im
Inspirationszweig die O₂-Konzentration des
Atemgases gemessen wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
bestehend aus einem zur Lunge der narkotisierten
Person führenden Anschlußstück, welches an
seinem der Lunge abgekehrten Ende an einem
Y-Konnektor angeschlossen ist, von dessen
Schenkel zwei Schlauchstücke als Inspirations-
und als Expirationszweig ausgehen, in welche
je ein Ventil mit einander entgegengesetzter
Öffnungsrichtung eingebaut ist
dadurch gekennzeichnet, daß im
Inspirationszweig (1) in Strömungsrichtung
hinter dem Ventil (17) und im Expirationszweig
(2) in Strömungsrichtung vor dem Ventil (18)
je ein Meßfühler (15, 16) zur Ermittlung der
Atemgasströmung vorgesehen ist, wobei die
Meßfühler (15, 16) über elektrische Leitungen
und einem Verstärker mit einem A-D-Wandler (8)
verbunden sind, dessen Signalausgänge mit den
Eingängen eines Rechners (10) verschaltet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Meßfühler (15, 16) Hitzdraht
anemometer vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß jeweils zwei Hitzdrähte kreuzweise
über den Schlauchquerschnitt gespannt sind.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß in den Expirationszweig (2) in Strömungs
richtung vor dem Ventil (18) ein erster Tempe
raturmeßfühler (7) und in das Ventilgehäuse (17)
des Inspirationszweigs (1) ein zweiter
Temperaturmeßfühler (5) eingebaut ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest im Inspirationszweig eine
Druckmessung vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
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DE3706559A DE3706559C3 (de) | 1987-02-28 | 1987-02-28 | Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Überwachung der bei der Narkose einzuhaltenden Parameter |
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