DE4034163A1

DE4034163A1 - Verfahren und vorrichtung zum ueberwachen der atmung eines patienten

Info

Publication number: DE4034163A1
Application number: DE4034163A
Authority: DE
Inventors: Lauri Malkamaeki
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 1989-10-27
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1991-05-02
Also published as: FI895131A0; US5195529A; FI85101B; FI85101C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßfühlereinrichtung, mit der die durch den Respirationstrakt oder die Atemwege eines Patienten erfolgende Atmung überwacht werden kann.

Im allgemeinen beruhen Methoden zum Überwachen der Atmung eines Patienten auf der Thoraxbewegung oder den Schwankun gen der Lungenkapazität während der Respiration. An der Haut befestigte Druckmeßfühler werden zum Beobachten der Brustkorbbewegung benutzt. Zur Beobachtung der Respiration wird auch eine piezoelektrische Membran benutzt, die gleichfalls die Thoraxbewegung wahrnimmt. Andererseits wer den Impedanzmeßfühler zum Messen von Schwankungen der Re spirationskapazität eingesetzt. Die auf diesen Grundlagen beruhenden Messungen sind jedoch gegenüber Artefakten äußerst empfindlich, da alle Muskelbewegungen in die Meßer gebnisse eingehen, was deren Interpretation um so schwie riger macht.

Außerdem muß man diese Verfahren als unzuverlässig einstu fen, da mit ihnen respiratorische Bewegungen eines Patien ten überwacht werden, die sich selbst dann noch fortsetzen können, wenn der Zugang von Luft zu den Lungen beispiels weise aufgrund der in den Atemwegen akkumulierten Luft blockiert ist. Erst wenn die respiratorischen Bewegungen aufgehört haben und die Sauerstoffzufuhr bei einem Patien ten bereits eine gewisse Zeit lang blockiert ist, können mit diesen Verfahren Informationen über diesen ernsthaften Zustand erlangt werden. Deshalb ist dies als eine signifi kante Schwierigkeit zu betrachten.

Im Prinzip steht ein zuverlässigeres Verfahren zur Verfü gung, welches auf der Überwachung des Luftstroms mit Hilfe von Thermistoren beruht. Die Funktion von Thermistoren be ruht auf der Änderung des Widerstandswertes infolge einer Temperaturänderung. Ein Nachteil eines solchen Thermistors besteht in seiner ziemlich unbequemen Anwendung. Eine bei billigen Thermistoren auftretende Schwierigkeit ist deren begrenzte Empfindlichkeit. Beim Messen ergeben sich Schwierigkeiten aufgrund der Feuchtigkeit. Wenn sich beispielsweise aus den Atemwegen eines Patienten Schleim absondert und aus dem einen oder anderen Grund auf einen Thermistor gelangt, stellt sich in der Messung ein Fehler ein. Die Lage eines Thermistors vor dem Respirationstrakt ist von äußerst kritischer Bedeutung. Er muß nämlich exakt angeordnet sein, um ein Respirationssignal wahrnehmen zu können. Für das Einsetzen eines Thermistors ist deshalb viel Arbeit nötig.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Ausschaltung der ge nannten Probleme eine Meßfühlereinrichtung von einfachem Aufbau zu günstigem Preis zu schaffen, mit der ein Respira tionssignal unmittelbar aus dem Alveolarluftstrom zuverläs sig aufgenommen werden kann.

Die kennzeichnenden Merkmale einer Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen aus den Ansprüchen hervor.

Die Erfindung verwendet ein Leiterpaar, mit dem sowohl die Feuchtigkeit als auch die Durchflußrate der Atemluft überwacht werden. Zu ihrer Verwirklichung sind zwei ge trennte elektrisch leitfähige Elemente nötig, die durch dazwischenliegende Ladungsträger, z. B. Ionen, in gegenseitigem elektrischen Kontakt stehen. Ein elektrisch leitfähiges Element kann da bei z. B. Magnesium oder vorzugsweise Aluminium oder Gemi sche daraus aufweisen. Auch ein anderes Metall kann ge eignet sein. Ferner können die getrennten elektrisch leit fähigen Elemente auch aus dem gleichen Werkstoff bestehen. In diesem Fall kann die Spannungspolarität beliebig sein, denn jedes Element ist als Anode einsetzbar, während das andere die Kathode bildet. Ein Vorteil, der sich aus der Verwendung des gleichen Werkstoffs für jedes Element er gibt, besteht darin, daß es keine Rolle spielt, in welcher Weise die zu einem Überwachungs-Instrument führenden Drähte angeschlossen werden. Die polare Zweideutigkeit läßt sich ausschalten durch Vorspannungsversorgung des Leiterpaares über einen genuteten Stecker. Daher fließt der Strom eines Paares synchron mit der Respiration immer in der gleichen Richtung .

Der Übergang einer elektrischen Ladung zwischen den ge trennten Elementen erfolgt mit ladungstragenden Ionen.

Deshalb sind die Elemente mittels eines Werkstoffs, wie Kunststoff miteinander verbunden, der die Übertragung von Ladungsträgerionen von einem Element zum anderen auch von Feuchtigkeit ermöglicht. Die Elemente können sogar auf die eine oder andere Seite eines Stücks Künststoff geklebt sein. In verschiedenen Werkstoffen auf Polymerbasis, beispielsweise in Kunststoffen und Klebstof fen sind Ionen z. B. aus Natriumchlorid vorhanden, die als Ladungsträger dienen können.

Durch die Berührung zwischen einem feuchten Alveolarluft strom und einer solchen Meßfühlereinrichtung entsteht aufgrund der Wirkung der elektrisch leitfähigen Elemente und der zwischen den Elementen Kontakt herstellenden Ionen, ein schwacher Spannungsabfall zwischen den Elementen. Das Spannungssignal wird an ein Überwachungs-Instrument weitergeleitet.

Eine Meßfühlereinrichtung gemäß der Erfindung wird beson ders bevorzugt für den Einsatz bei der Überwachung eines die Atemwege passierenden Luftstroms, weil sie im Vergleich zu einem Thermistor nicht gegenüber Feuchtigkeit oder Haut berührung empfindlich ist. Die im Respirationstrakt entste hende Flüssigkeitsausscheidung, die mit einem Meßfühler ge mäß der Erfindung in Berührung gelangt, führt nicht zu ei ner Fehlfunktion; vielmehr beruht das Meßprinzip gerade auf der Überwachung der Feuchte-Schwankungen.

Auch die Lage einer Meßfühlereinrichtung gemäß der Erfin dung vor den Atemwegen ist nicht von so kritischer Bedeu tung wie bei einem Thermistor, da der aktive Oberflächenbe reich der Meßfühlereinrichtung über eine größere Region ausgebreitet ist.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungs beispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Meßfühlerein richtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Meßfühlereinrichtung gemäß Fig. 1 zur Wahrnehmung der oralen und nasalen Atmung;

Fig. 3 eine Ansicht des Gesichtes eines Patienten unter halb dessen Nase eine Meßfühlereinrichtung gemäß Fig. 2 befestigt ist;

Fig. 4 ein Schaltkreisdiagramm zum Anschluß einer Meßfüh lereinrichtung gemäß Fig. 1-3 an ein Überwachungs gerät.

In Fig. 1 ist das am meisten bevorzugte Ausführungsbeispiel einer Meßfühlereinrichtung 1 gemäß der Erfindung perspekti visch gezeigt. Die Meßfühlereinrichtung weist zwei im Ab stand voneinanderliegende, elektrisch leitfähige Elememte 2 und 3 auf, die chemisch reaktionsfähig sind.

Vorzugsweise bestehen die Elemente 2 und 3 aus Aluminium, und zwar vorzugsweise in Form dünner Polienstreifen. Zwi schen diesen Elementen ist eine Zwischenschicht 4 angeord net, die den Übergang von lonen als elektrischen Ladungs trägern vom Element 2 zum Element 3 und umgekehrt ermög licht. Die Zwischenschicht 4 besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff auf Polymerbasis beispielsweise aus zellulä rem Kunststoff, der gleichzeitig dem Meßfühlerelement eine Stütze gibt. Der Übertritt von Ionen ist die Folge von Feuchtigkeit, und die von einem Patienten ausgeatmete Luft ist feucht.

Die Zwischenschicht 4 ist an den Elementen 2 und 3 vorzugs weise mit einem Klebstoff befestigt. Grund dafür ist nicht nur die Haftfähigkeit, sondern auch die Tatsache, daß der Kunststoff im allgemeinen Ionen enthält, falls die Zwi schenschicht keine Ladungsträgerionen enthalten sollte. Die Zwischenschicht selbst darf allerdings nicht elektrisch leitfähig sein.

Ferner sind die von der Zwischenschicht 4 abgewandten Außen seiten der Elemente 2 und 3 jeweils durch eine elektrische Isolierschicht 5 bzw. 6 geschützt, die gleichfalls aus ei nem Werkstoff auf Polymerbasis bestehen können, bei spielsweise aus Schaumstoff. Auch diese Schichten können mittels Klebstoff an den Elementen 2 und 3 befestigt sein. Die Oberfläche der Isolierschichten 5 und 6, die mit der Haut in Berührung gelangt, sollte vorzugsweise mit einem Haftmaterial versehen sein, damit die Meßfühlereinrichtung unmittelbar an der Haut eines Patienten unter der Nase be festigt werden kann. Die elektrische Isolierschicht kann beispielsweise aus Polyäthylen bestehen. Auch Luft allein ist ein brauchbares Isoliermittel. Die tatsächlichen Iso lierschichten sind also nicht unbedingt erforderlich, vor ausgesetzt, daß man die Elemente 2 und 3 nicht beispiels weise mit der Haut in Berührung gelangen läßt.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Meßfühlereinrichtung in Draufsicht von oben oder von unten. Das Ausführungsbeispiel erstreckt sich von unmittelbar un terhalb beider Masenflügel und bedeckt ganz den Mund. Im übrigen ähnelt diese Meßfühlereinrichtung dem in Fig. 1 ge zeigten Ausführungsbeispiel. Mit diesem Ausführungsbeispiel wird sicher ein Respirationssignal erzeugt, selbst wenn die Atemwege blockiert sein sollten. Um die durch die Nasenflü gel erfolgende Respiration wahrzunehmen, ist die Meßfühler einrichtung mit einem breiteren oberen Abschnitt versehen, d. h. daß die Ränder der elektrisch leitfähigen Elemente 2 und 3 und die der Zwischenschicht 4 über dem Weg der durch die Nasenflügel passierenden Alveolarluft zu liegen kommen. Der herabhängende Bereich der Meßfühlereinrichtung sollte vor dem Mund angeordnet werden, vorzugsweise so zentral wie möglich in bezug auf die Alveolarluftströmung. Im Übrigen ist die in Fig. 2 gezeigte Meßfühlereinrichtung in ihrem Aufbau ähnlich der in Fig. 1 gezeigten.

In diesem bevorzugten Fall sind die Ränder einer flach aus geführten Meßfühlereinrichtung, d. h. die Ränder der Ele mente 2 und 3 sowie der Zwischenschicht 4 mindestens in denjenigen Randbereichen unbedeckt, die vor den Atemwegen angeordnet sind. In Fig 3 ist eine Meßfühlereinrichtung 1 unter der Nase eines Patienten mit einem Heftpflaster 7 befestigt.

Wenn der Alveolarluftstrom eines Patienten auf den Rand ei ner Meßfühlereinrichtung mit vorstehenden Elementen 2 und 3 trifft, führt die in der Alveolarluft enthaltene Feuchtig keit zur Bildung von Ionen, die beispielsweise aus den im Aufbau der Meßfühlereinrichtung benutzten Klebestoffen her rühren und eine schwache Spannung zwischen den Elektroden er zeugen. Die Spannungschwankungen der Meßfühlereinrichtung können zum Wahrnehmen des Atemrhythmus eines Patienten herangezogen werden, der auf einem Überwachungsgerät oder Bildschirm dargestellt wird. Wenn die Messung der Span nung mit Hilfe eines hochohmigen Voltmeters durchgeführt wird, kann die Spannung sogar 100 mW übersteigen. Fig. 4 zeigt ein mögliches Schaltschema zum Auschluß der Elemente 2 und 3 des Meßfühlers mit Hilfe von Drähten 8 und 9 an ein Meßinstrument 10. Zum Schutz des Patienten sind Widerstände 11, 12, 13 und 14 vorgesehen. Die Widerstände 11 und 14 dienen auch dazu, dem Sensor eine Vorspannung zu geben. Kondensatoren 17 und 18 sind zur Gleichstromiso lierung vorgesehen und bestimmen gemeinsam mit Widerständen 15, 12 und 13 sowie einem Kondensator 16 eine Frequenzkenn linie für das System. Für den Betrieb des Instruments ist allerdings der Widerstand 15 und der Kondensator 16 nicht nötig.

Die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehend beschriebe nen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern läßt sich in vielen Details abwandeln. So können beispielsweise die in den Zeichnungen als flache Folien dargestellten Elemente 2 und 3 auch drahtförmige Elemente sein. Die Erfindung ist also keinesfalls auf die Gestalt des Elements beschränkt.

Es liegt auf der Hand, daß die Form der Meßfühlereinrich tung selbst unterschiedlich gestaltet sein kann. So könnte die Meßfühlereinrichtung auch aus im Abstand voneinander angeordneten Einheiten bestehen, die sich vor einem oder mehreren Atemwegen befinden. Die Meßfühlereinrichtung könnte auch so konstruiert sein, daß sie eine Art von Ab deckmaske beispielsweise vor den Nasenflügeln oder vor bei den Nasenflügeln und dem Mund bildet.

Claims

1. Meßfühlereinrichtung zum Überwachen der durch den Re spirationstrakt oder die Atemwege eines Patienten erfolgen den Atmung, gekennzeichnet durch zwei im Abstand voneinan der angeordnete, elektrisch leitfähige Elemente (2, 3), von denen Drähte (8, 9) zu einem Meßinstrument (10) ausgehen, wobei der Übergang einer elektrischen Ladung zwischen den Elementen mit Hilfe von Ladungsträgern erfolgt.

2. Meßfühlereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ladungsträger ein Ion ist.

3. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den elek trisch leitfähigen Elementen (2, 3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist, die den Übergang einer elektrischen La dung von einem Element zum anderen ermoglicht.

4. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) selbst nicht elektrisch leitfähig ist.

5. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) aus einem Werkstoff auf Polymerbasis vorzugsweise aus zellulärem Kunststoff hergestellt ist.

6. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) mit einem elektrisch leitfähigen Element (2, 3) ver klebt ist.

7. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfä hige Element (2, 3) chemisch reaktionsfähig ist.

8. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes elektrisch leit fähige Element (2, 3) den gleichen Werkstoff enthält.

9. Meßfühlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Ele mente (2, 3) verschiedene Werkstoffe enthalten.

10. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfä hige Element (2 und/oder 3) Aluminium enthält.

11. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfä hige Element (2 und/oder 3) Magnesium enthält.

12. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfä hige Element (2, 3) ein flach gestaltetes, ebenes Stück ist.

13. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Oberflä che der elektrisch leitfähigen Elemente (2, 3), der nicht von der Zwischenschicht (4) bedeckt ist, mittels einer elektrischen Isolierschicht (5, 6) geschützt ist.

14. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Zwischen schicht (4) abgewandte Oberfläche der elektrisch leitfähi gen Elemente (2, 3) durch eine elektrische Isolierschicht (5, 6) geschützt ist.

15. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Iso lierschicht (5, 6) aus einem Werkstoff auf Polymerba sis, vorzugsweise aus zellulärem Kunststoff hergestellt ist.

16. Meßfühlereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolier schicht (5, 6) Luft aufweist.

17. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Iso lierschicht, die mit der Haut in Berührung gelangt, mit ei ner Haftoberfläche zum Befestigen auf der Haut versehen ist.

18. Meßfühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des elek trisch leitfähigen Elements (2, 3) mit der Alveolarluft ei nes Patienten in Berührung steht.

19. Anwendung einer Meßfühlereinrichtung nach Anspruch zur Wahrnehmung einer den Respirationstrakt oder die Atem wege eines Patienten passierenden Gasströmung.

20. Verfahren zum Überwachen der Atmung eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, daß die einen oder mehrere Atemwege passierende Alveolarluft mittels im Abstand voneinander an geordneter, elektrisch leitfähiger Elemente (2, 3) über wacht wird, wobei zwischen den Elementen mittels Ladungs trägern durch die Wirkung der Alveolarluft elektrische La dungen getragen werden, die Ladungsträger zwischen den Ele menten eine Spannung hervorrufen, die sich synchron mit der Respiration ändert und bei dem ferner die Spannung entweder als solche oder in umgewandelter Form mittels eines Meßin strumentes (10) dargestellt wird.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Elemente (2, 3) und Luft durch die Wirkung eines feuchten Alveolarluftstroms ein elektrisches Paar erzeugen.