DE3802128C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zur Einführung geringer dosierter Mengen eines gasförmigen Mediums in ein mit einer unter ggf. wechselnden Drücken strömenden Flüssig­ keit erfülltes Gefäßsystem.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, im Bereich der Angiographie Verwendung finden.

Unter Angiographie versteht man das radiologische Sichtbar­ machen von Blutgefäßen mit Hilfe eines in die Blutbahn eingeführten Kontrastmittels. Nachdem es sich gezeigt hat, daß die von Beginn an als Kontrastmittel verwendeten üblichen jodhaltigen Flüssigkeiten gelegentlich zu irrever­ siblen Schädigungen oder auch zu Allergien führten und insbesondere nicht für Dialysepatienten brauchbar waren, versucht man seit einigen Jahren die Verwendung von gasförmigem Kohlendioxid als Kontrastmittel, obgleich dieses eine geringere Kontrastgebung ermöglicht, als die vorher benutzten Stoffe.

Gerade in der Angiographie birgt die Einführung eines gasförmigen Mediums in die Blutbahn verschiedene Schwierig­ keiten. Das Einfüllen unter Überdruck ist relativ aufwendig und schließt keineswegs aus, daß sich das Gas mit Raumluft mischt. Dies muß im Hinblick auf Luftembolien und daraus resultierende Organschäden vermieden werden. Ferner lassen sich die Einspritzparameter nicht im voraus eindeutig bestimmen, da der maßgebliche Volumenstrom des Blutes und das Volumen des eingeführten Gases wegen seiner Kompressi­ bilität von zahlreichen, nicht immer meßbaren und nicht immer konstanten Größen, z. B. Gefäß- und/oder Kathetergeometrie oder Kapillarkräften abhängt.

So besteht stets die Gefahr, daß das Kontrastmittel zu schnell oder zu langsam eingespritzt wird. Eine zu langsame Einspritzung von CO₂ bewirkt intraversale Unterbrechungen der Kontrastmittelsäule, die zu Fehldiagnosen, z.B. vermute­ ten Gefäßverschlüssen oder Stenosen, führen kann. Ein zu schnelles Einspritzen von Kohlendioxid stört zwar nicht die Bildqualität, kann aber, wie bei flüssigen Kontrastmitteln zu Gefäßverletzungen, insbesondere der Gefäßinnenwandungen führen. Da unzureichende Meßergebnisse Wiederholungen der Untersuchungen erfordern, ergeben sich zusätzlich uner­ wünscht hohe Strahlungsbelastungen der Patienten.

Sehr ähnliche Umstände liegen bei verfahrenstechnischen Systemen vor, bei denen eine genau dosierte geringe Menge eines Zusatzmittels in eine Flüssigkeit eingegeben werden muß, die unterschiedlichen Drücken ausgesetzt. Hierzu zählt die Begasung von Flüssigkeiten zur Desinfektion, z. B. Schwimmbeckenwasser, oder die Abwasseraufbereitung mit Sauerstoffgas.

Bei diesen Anwendungsgebieten wird die Gaskonzentration im Wasser stromabwärts der Zugabestelle gemessen und mittels einer Dosiervorrichtung nachgeregelt. Dieses Verfahren erfolgt sehr langsam und mit relativ geringen Regelbereichen der Dosierleistungen in der Größenordnung von 1 : 20.

Bekannt ist aus der DE 31 19 581 A1 eine Dosiervorrichtung, die nach dem Verdrängerprinzip arbeitet. Dabei wird das Injektionsgas in einen Verdrängungsraum eingebracht, aus dem es mittels eines von einem elektrischen Schrittmotor angetriebenen Kolbens ausgepreßt wird. Dieses Dosierverfah­ ren ist jedoch nicht in der Lage, auf schnell wechselnde ausgangsseitige Bedingungen zu reagieren.

Im Hinblick auf dieses Schwierigkeiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein gasförmiges Medium im wesentlichen ohne Überdruck in das mit einer strömenden Flüssigkeit erfüllte Gefäßsystem in gleichförmiger, dem zeitlichen Strömungsvolumen der Flüssig­ keit angepaßter Dosierung zugeführt werden kann. Gerade auf dem Gebiet der Angiographie ergibt sich die zusätzliche Schwierigkeit, daß dem konstanten Basisdruck der strömenden Flüssigkeit noch ein von der Herztätigkeit herrührender pulsierender Druck überlagert ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich bei einer Dosiervorrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Das Servoventil erzeugt in seiner Ausgangsleitung einen von einem elektrischen Steuersignal vorgegebenen Gasdruck.

Der auf das Steuergerät des Servoventils wirkende Druckwand­ ler wandelt die gemessenen, gegebenenfalls pulsierenden Drücke (Sekundärdrücke), die mit denjenigen im Gefäßsystem übereinstimmen, in Steuersignale um, die das Servoventil entsprechend einstellen. Der vom Servoventil abgegebene Volumenstrom an gasförmigem Medium wird dem pneumatischen Dosierwiderstand mit relativ hohem Druck zugeführt, der dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Sekundärdruckes z.B. in Amplitude, Frequenz und/oder Phasenlage entspricht. Dieser bewirkt eine konstante maximale Durchflußgeschwindigkeit und somit ein nur vom (hinter dem Servoventil herrschenden) Primärdruck abhängiges zeitliches Durchflußvolumen, das dem zeitlichen Durchflußvolumen im Gefäßsystem verhältnisgleich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Dosierwiderstand,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Dosierwiderstand der Fig. 2 mit einer vergrößerten Wiedergabe eines Teiles dieses Längsschnittes und

Fig. 4 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines anderen Dosierwiderstandes.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Dosiervorrichtung nach der Erfindung. Sie besteht aus einer Druckquelle 1 für ein gasförmiges Medium, z.B. Kohlendioxid (CO₂), die über ein Druckminderventil 2 mit dem Eingang eines Servoventils 3 verbunden ist, das als mechanisch oder elektrisch gesteuer­ tes Druckservoventil arbeitet und so an seinem Ausgang einen definierten Primärdruck p ₁ liefert. Der Ventilschieber 4 dieses Servoventils 3 weist ein Stellglied 5 auf, das mit einem z.B. elektrischen Steuergerät 6 verbunden ist, das seinerseits mit einem Dateneingabe- bzw. -ausgabegerät 7 in Verbindung steht.

Dem Servoventil 3 ist ausgangsseitig ein pneumatischer Dosierwiderstand 8 nachgeordnet. Für die technische Ausge­ staltung dieses Dosierwiderstandes bieten sich zwei ver­ schiedene Ausführungsformen an, die zwar unterschiedlichen physikalischen Gesetzen unterliegen, letztlich aber zu dem Ergebnis führen, daß sich der eingangsseitige Volumenstrom aus einer eindeutigen Funktion der vor und hinter dem Dosierwiderstand herrschenden Drücke p ₁ und p ₂ ergibt.

Legt man das Gesetz von Bernoulli zugrunde, so ergibt sich, daß, wenn das Druckverhältnis vor und hinter einem kurzen, scharfkantigen Widerstand (Blende oder Düse) groß genug ist, z.B. mindestens gleich zwei ist, im Widerstand Schallge­ schwindigkeit entsteht. Ein diesem Gesetz genügender Dosier­ widerstand ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Es handelt sich dabei um eine Vielzahl von auf einer großen Fläche angeordneter düsenartiger Elemente, die in Durchfluß­ richtung relativ kurz sind. Dies kann prinzipiell eine relativ großflächige Blenden- oder Düsenscheibe sein, insbesondere eine solche aus einem gasdurchlässigen, z.B. gesinterten Werkstoff. Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 3, nämlich im linken Teil einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen solchen Dosierwiderstand 8 und im rechten Teil eine vergrößerte Darstellung dieses Ausschnit­ tes als Projektion. Danach besteht der Dosierwiderstand 8 aus einer Vielzahl von im Längsschnitt etwa elliptischer Zellkörper 9, die zwischen sich düsenartige Kanäle 10 bilden. Derartige Dosierwiderstände sind beispielsweise als Bakterienfilter bekannt. Sie würden beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Angiographie auch noch die Wirkung als Bakterienfilter haben.

Eine andere Ausführungsform eines Dosierwiderstandes 8 zeigt Fig. 4. Dieser unterliegt dem Gesetz von Hagen-Poiseuille für eine laminare Strömung im Widerstand. Diese Voraussetzung ergibt sich in der Pneumatik dann, wenn ein Gas durch lange Leitungen mit sehr kleinen Querschnitten mit einer Strö­ mungsgeschwindigkeit unter 60-70 m/s geführt wird.

Demgemäß besteht dieser Dosierwiderstand 8 aus einem in einem Mantelrohr 11 eingeschlossenen Bündel von vielen, dünnen Laminarröhrchen 12, die axial vom Gas durchströmt werden.

In Strömungsrichtung hinter dem Dosierwiderstand 8 ist ein mit dem Steuergerät 6 verbundenes Sicherheitsventil 13 vorgesehen, das im Normalfall durchgängig ist. Die vom Sicherheitsventil 13 ausgehende Leitung 14 endet in einem in Strömungsrichtung einer Flüssigkeit 15 angeordneten Katheter 16, der in ein Gefäßsystem 17 einmündet. Dies sei im Ausführungsbeispiel ein bluterfülltes Arteriensystem mit pulsierendem Strömungsdruck.

Zwischen dem Gefäßsystem 17 und dem Sicherheitsventil 13 zweigt von der Leitung 14 eine Leitung 18 ab, die zu einem Druckwandler 19 führt. Dieser Druckwandler 19 ist in der Lage, den auf ihn einwirkenden Sekundärdruck p ₂, der demjenigen des Gefäßsystems 17 gleichzusetzen ist und ebenfalls pulsierend sein kann, in z.B. elektrische Steuer­ signale 20 umzuwandeln, die auf das Steuergerät 6 einwirken.

Im Betrieb wirkt in den Leitungen 14 und 18 der vom Gefäßsystem 17 gegebene, auf die Flüssigkeit 15 ausgeübte Sekundärdruck p ₂. Der Druckwandler 19 überträgt ein entspre­ chendes Steuersignal 20 auf das Steuergerät 6, das mit einem Steuersignal 21 sowohl das Servoventil 3 als auch das Sicherheitsventil 13 in seine Arbeitsstellung bringt. Hierdurch strömt entsprechend den vom Druckwandler 19 kommenden Steuersignalen das von der Druckquelle 1 kommende gasförmige Medium mit einem Primärdruck p ₁ aus dem Servoven­ til 3 mit verhältnismäßigem Druckverlauf zum Dosierwider­ stand 8 und wird dort entsprechend der Durchlässigkeit des Widerstandes und analog zum jeweils herrschenden Sekundär­ druck P ₂ mit diesem Druck, d.h. im wesentlichen überdruck­ frei, in die Leitung 14 und schließlich in das Gefäßsystem 17 eingeführt.

Selbst bei schwankenden oder pulsierenden Drücken P ₂ im Gefäßsystem, und damit unterschiedlichen zeitlichen Durch­ flußvolumina an Flüssigkeit 15 wird stets eine dem zeitli­ chen Volumenstrom der Flüssigkeit 15 entsprechender Volumen­ strom aus nichtkomprimiertem Gas so gut wie überdruckfrei zugeführt.

Claims (8)

1. Dosiervorrichtung zur Einführung geringer dosierter Mengen eines gasförmigen Mediums in ein mit einer unter ggf. wechselnden Drücken strömenden Flüssigkeit erfülltes Gefäßsystem, dadurch gekennzeichnet,
daß eine das gasförmige Medium abgebende Druckquelle (1) mit dem Eingag eines Servoventils (3) verbunden ist, das ausgangsseitig an einen pneumatischen Dosierwiderstand (8) angeschlossen ist und dessen Stellglied (5) von einem Steuergerät (6) so geführt wird, daß das gasförmige Medium dem Dosierwiderstand (8) unter einem bestimmten Primärdruck (p ₁) zugeführt wird,
daß der Dosierwiderstand (8) über eine Ausgangsleitung (14) mit einem in das Leitungssystem (17) mündenden Katheter (16) verbunden ist und
daß zwischen der Ausgangsleitung (14) und dem Steuergerät (6) ein Druckwandler (19) angeordnet ist, der aus dem in der Ausgangsleitung (14) herrschenden Sekundärdruck (p ₂) ein Steuersignal (20) für das das Stellglied (5) führende Steuergerät (6) ableitet.

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Leitungssystem (17) ein Blutkreislaufsystem ist und daß das Injektionsstück (16) ein in der Medizin gebräuchlicher Injektionskatheter oder eine Injektionsna­ del ist.

3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das gasförmige Medium ein für die Gefäßangiogra­ phie verwendbares Kontrastmittelgas ist.

4. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierwiderstand (8) aus einem Bündel von in Strömungsrichtung angeordneten, von einem Mantel (11) umgebenen Laminarröhrchen (12) sehr geringen Querschnittes besteht.

5. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierwiderstand (8) aus einer Blenden- oder Düsenscheibe besteht.

6. Dosiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Blenden- oder Düsenscheibe aus einer über einen großen Querschnitt verteilten Vielzahl kurzer, im Querschnitt etwa elliptischer Zellkörper (9) gebildet ist.

7. Dosiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Blenden- oder Düsenscheibe aus einem gasdurchlässigen Werkstoff gebildet ist.

8. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dosierwiderstand (8) ein Sicherheitsventil (13) nachgeordnet ist, das vom Steuer­ gerät (6) zeitgleich zum Servoventil (3) gesteuert ist.