DE4329888A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Atemgasstroms - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zum Überwachen eines Atemgasstroms geeignete Vorrichtung mit einer Gassammelein­ heit, die einen Umgebungsgasraum vom Raum innerhalb der Gassammeleinheit trennt, wobei ein Patient ein in der Gas­ sammeleinheit enthaltenes Gas atmet. Durch eine Leitung fließt ein Atemgas von einer oder mehreren Gasquellen in die Gassammeleinheit zur Atmung des Patienten. Und ein Atemgas, welches mindestens teilweise vom Patienten aus­ geatmetes Gas enthält, wird durch eine Leitung von der Gas­ sammeleinheit zwecks Untersuchung zu einer Meßvorrichtung geleitet. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Überwachen eines Atemgasstroms.

Der menschliche Metabolismus kann mit Hilfe der sogenannten indirekten Kaloriemetrie gemessen werden. Mit diesem Ver­ fahren können die Konzentrationen und Durchflußmengen des Atemgases gemessen werden, um den Sauerstoffverbrauch (VO2) und den Kohlendioxidausstoß (VCO2) zu bestimmen. Die Meßer­ gebnisse können zum Berechnen des geschätzten Energiever­ brauchs und Respirationsquotienten (RQ = VCO2/VO2) sowie der geschätzten Menge, der vom Organismus verbrauchten Kohlehydrate und Fette herangezogen werden. Die Verbrennung von Kohlehydraten erzeugt ebensoviel Kohlendioxid wie dabei Sauerstoff verbraucht wird, so daß RQ = 1, während die Ver­ brennung von Fetten ein entsprechendes Verhältnis von ca. 0,7 erzeugt.

Die indirekte Kaloriemetrie wird insbesondere in Intensiv­ stationen von Krankenhäusern angewandt, um den Nahrungsbe­ darf kritisch erkrankter Patienten festzustellen, die in­ travenös, d. h. parenteral oder mittels Magenschlauch, d. h. enteral ernährt werden. Da eine große Anzahl dieser Patien­ ten an eine Beatmungsmaschine oder ein Atemgerät ange­ schlossen sind, ist das Mischen von Inspirationsgasen und das Sammeln von Exspirationsgasen für den Meßvorgang unmit­ telbar aus einem Respirationszyklus des Patienten verhält­ nismäßig einfach. Eine Vorrichtung, die zum Messen von an einen Respirator angeschlossenen Patienten bestimmt ist, ist in dem finnischen Patent Nr. 78231 offenbart.

Es hat sich ein immer stärkerer Bedarf für die Anwendung indirekter Kaloriemetrie auch bei spontan atmenden Patien­ ten entwickelt. Das betrifft insbesondere Patienten, die beispielsweise an Krebs oder- verschiedenen Stoffwechsel­ krankheiten leiden. Eine für Stoffwechselmessungen an selbst atmenden Patienten bestimmte Gassammeleinheit ist im finnischen Patent Nr. 78609 offenbart. Die Gassammeleinheit wird häufig als Haube bezeichnet.

Während oder nach verschiedenen medizinischen Eingriffen erhalten kritisch erkrankte, spontan atmende Patienten not­ falls überschüssigen Sauerstoff. Es gibt solide Argumente dafür, auch an diesen Patienten, Erwachsenen und Kindern, die in erster Linie an Funktionsstörungen des Herzens und der Lunge leiden, metabolische Messungen vorzunehmen. Die Schwierigkeiten der gegenwärtig verfügbaren Gassammelein­ heiten, wie der vorstehend genannten, werden in dem Moment evident, in dem einem Patienten Luft zugeführt werden muß, die mehr Sauerstoff als die Umgebungsluft enthält. Die Gas­ sammeleinheit sollte also vollständig abgedichtet sein. Wenn man eine Gassammeleinheit zum Atmen von Luft benutzt, deren Sauerstoffgehalt dem der Umgebungsluft entspricht, ist ein geringfügiges Leck nicht von entscheidender Bedeu­ tung. Sobald aber der Sauerstoffgehalt in einer Gassammel­ einheit sich von dem der Umgebung unterscheidet, kann schon der geringste Leckverlust zu einem großen Meßfehler führen und beispielsweise den Wert des Energieverbrauchs oder den Respirationsquotienten verfälschen.

In der finnischen Patentanmeldung FI 911807 ist ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung offenbart, mit denen die grundle­ genden Probleme beim Messen mittels einer Gassammeleinheit mit Hilfe von sauerstoffangereicherter Luft gelöst werden können. Die genannte Anmeldung offenbart Ausführungsbei­ spiele von Gassammeleinheiten, die auf der Benutzung einer Doppelwand oder einer Einfachwand beruhen. Im Prinzip ist bei einer doppelwandigen Gassammeleinheit keine so voll­ ständige Abdichtung um den Kopf eines Patienten herum nötig wie bei einer einfachen Gassammeleinheit. Andererseits läßt sich eine einfache Gassammeleinheit leichter herstellen und hat auch Vorteile hinsichtlich der Reinhaltung. Die Lösung mit doppelwandiger Gassammeleinheit ist außerdem wegen ih­ rer großen Abmessungen unbequem zu benutzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der oben ge­ nannten Schwierigkeiten ein Verfahren und eine Vorrichtung zum überwachen eines Atemgasstroms zu schaffen, mit denen der Druck in einer Gassammeleinheit auf gewünschtem Niveau gehalten werden kann, wenn ein Patient ein in der Gassam­ meleinheit enthaltenes Gas atmet. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum überwachen eines Atemgasstroms zu schaffen, bei denen der Gehalt einer Komponente des in eine Gassammeleinheit eingeleiteten Gases, beispielsweise Sauerstoff, unverändert bleibt. Auf­ gabe der Erfindung ist es insbesondere auch, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen ein schädliches Gasleck ins Innere einer Gassammeleinheit vermieden wird. Aufgabe der Erfindung ist auch die Schaffung eines Verfah­ rens und einer Vorrichtung, mit denen das Auftreten eines schädlichen Gaslecks aus einer Gassammeleinheit an die Um­ gebung verhindert oder mindestens aufgehoben werden kann. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung eines Ver­ fahrens und einer Vorrichtung, mit denen einem Patienten mittels einer einfachen Gassammeleinheit ein Gas zugeführt werden kann, das mehr Sauerstoff enthält als die den Pa­ tienten umgebende Luft, ohne daß dabei Metabolismusmeßfeh­ ler auftreten. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Atmung eines Patienten zu schaffen, der ein in einer Gassammelein­ heit enthaltenes Gas atmet.

Die kennzeichnenden Merkmale eines Verfahrens und einer Vorrichtung sind in den Ansprüchen aufgeführt.

Die Erfindung beruht darauf, den Druck eines in einer Gas­ sammeleinheit enthaltenen Gases mit dem außerhalb der Gas­ sammeleinheit vorherrschenden Druck zu vergleichen. An­ schließend kann der interne Atemgasdruck einer Gassammel­ einheit auf ein gewünschtes Niveau eingestellt werden, wenn das nötig ist. Das geschieht normalerweise dann, wenn ein Patient veranlaßt wurde, das in einer Gassammeleinheit ent­ haltene Gas zu atmen. In den meisten Fällen wird eine Gas­ sammeleinheit um den Kopf eines Patienten gelegt und um den Hals herum abgedichtet, wodurch die Gasströme in die Gas­ sammeleinheit und aus derselben praktisch vernachlässigbar werden. Der Innendruck des Gases in der Gassammeleinheit wird so eingestellt, daß er mindestens dem Außendruck oder dem üblicherweise vorherrschenden Umgebungsdruck ent­ spricht. In der Praxis sollte der Innendruck in der Gassam­ meleinheit vorzugsweise höher sein als der außerhalb der­ selben herrschende Druck. Um kein zu starkes Entweichen aus der Gassammeleinheit nach außen hervorzurufen, sollte der Druck im Innern der Gassammeleinheit vorzugsweise weniger als 1 mm H₂O höher sein als der außen herrschende Druck, wobei weniger als 0,1 mm H₂O oberhalb desselben noch mehr bevorzugt wird. Häufig reicht es aus, bei Beginn eines Meß­ verfahrens den Druck in der Gassammeleinheit auf ein ge­ wünschtes Niveau einzustellen, so daß der Druck der Gassam­ meleinheit nachträglich nicht unbedingt mehr geändert wer­ den muß. Allerdings sollte die Überwachung während eines ganzen Meßverfahrens fortgesetzt werden, um sicherzustel­ len, daß in der Gassammeleinheit der richtige Druck herrscht.

Der Druck des Atemgases in einer Gassammeleinheit wird mit­ tels der eingeleiteten Strömungsmenge reguliert. Es ist üb­ lich, in eine Gassammeleinheit mindestens Luft und gegebe­ nenfalls auch Sauerstoff einzuleiten, wenn ein Patient ein Atemgas erhalten muß, welches an Sauerstoff reicher ist als normale Luft. Wenn also die Bestandteile oder Konzentratio­ nen im Gas sich von den außerhalb herrschenden Zuständen unterscheiden, muß der Atemgasdruck in der Gassammeleinheit auf ein bestimmtes Niveau gebracht werden. Die Regulierung der Strömungsmenge erfolgt mittels eines Strömungsreglers. Vor dem Zusammenführen von zwei oder mehr Gasströmen werden die Strömungsregler betätigt, um jeden Strom auf ein ge­ wünschtes Niveau einzustellen. Das Mischen der Ströme er­ folgt vorzugsweise beispielsweise mit Hilfe eines pneumati­ schen Bauelements, wie einer Ausstoßdüse, deren Betrieb auf der Benutzung eines Druckgases beruht. Bei einem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel der Erfindung beruht die Arbeits­ weise einer Düse auf druckbeaufschlagtem Sauerstoff, um Sauerstoff und Luft miteinander zu vermischen.

Die Strömungsmenge zur Gassammeleinheit muß die Strömungs­ menge zur Meßvorrichtung, beispielsweise die von einer Gas­ sammeleinheit zu einer Metabolismusüberwachungsvorrichtung geleitete Strömungsmenge übersteigen. Die zusätzliche Strö­ mung wird von der Gassammeleinheit beispielsweise in die Zimmerluft geleitet. Das kann einfach durch Abgriff von ei­ ner Gasleitung erfolgen, die sich zwischen einer Sauer­ stoffgasquelle und einer Gassammeleinheit erstreckt, wobei dann eine Abzweigung in die Zimmerluft und die andere in die Gassammeleinheit führt. Die Umgebungsströmung kann dazu benutzt werden, den Gehalt an Luft und Sauerstoff stabil zu halten, um ein gleichförmiges Einmischen von Sauerstoff in die Luftströmung zu erhalten. Die in der Gassammeleinheit durch die Inspiration und Exspiration eines Patienten ver­ ursachten Druckschwankungen können also das Fortschreiten einer zur Gassammeleinheit fließenden Strömung nicht beein­ flussen, einer Strömung, die sonst abwechselnd rasch und fast stagnierend wäre, was zu Schwankungen im Sauerstoffge­ halt des in der Gassammeleinheit ankommenden Gases führen würde.

Die Erfindung beruht auf der Erfassung einer Differenz zwi­ schen dem innerhalb einer Gassammeleinheit vorherrschenden Druck und dem außerhalb derselben vorherrschenden Druck. Das geschieht vorzugsweise mit Hilfe eines Druckunter­ schiedmeßfühlers, der den in der Gassammeleinheit vorherr­ schenden Druck mit dem außerhalb vorherrschenden Druck ver­ gleichen kann. Der Grund hierfür besteht darin, daß die re­ levanten Druckunterschiede zwischen der Gassammeleinheit und der Umgebungsluft sehr klein sind, so daß eine hohe Ge­ nauigkeit bei der Messung erforderlich ist. Ein bevorzugter Druckunterschiedmeßfühler ist so gestaltet, daß sich die Position eines Teils dieses Meßfühlers ändert, wenn der Druck innerhalb einer Gassammeleinheit von positiv auf ne­ gativ oder umgekehrt umschaltet, wobei möglichst eine visu­ elle Beobachtung gegeben sein sollte. Diese Art von Meßfüh­ ler ist normalerweise verformbar, wobei es sich zum Bei­ spiel um eine Membran handelt, die sehr sensibel anspricht. Auch eine Änderung der Größe ist leicht zu beobachten. Die Membran besteht vorzugsweise aus einem gasundurchlässigen Werkstoff, wie metallisierter Folie einer Dicke von typi­ scherweise 10 Mikrometer. Die Membrandicke sollte vorzugs­ weise geringer sein als 100 µm, wobei ein Wert unterhalb 50 µm am meisten bevorzugt wird. Die Membran wird zwischen dem Gasraum einer Gassammeleinheit und der Umgebungsluft eingebaut, wobei der Druck der Gassammeleinheit an der einen Seite und der der Umgebungsluft an der anderen Seite der Membran herrscht. Ein Ausbauchen der Membran nach der einen oder anderen oder in mindestens einer Richtung zeigt dann an, daß im Innern der Gassammeleinheit positiver oder negativer Druck vorherrscht. Das Ausmaß der Ausbuchtung kann herangezogen werden, um den innerhalb einer Haube vor­ herrschenden Druck zu bestimmen. Das genaue quantitative Ergebnis ist nicht unbedingt erhältlich oder auch nur not­ wendig. Aber mit einem solchen Element kann ein positiver oder negativer, in der Gassammeleinheit herrschender Druck sehr genau angezeigt werden. Am wichtigsten ist es also, zu wissen, daß ein positiver Druck, vorzugsweise so gering wie möglich, innerhalb einer Gassammeleinheit vorherrscht, weil dadurch ein mögliches Leck der Gassammeleinheit nach außen gerichtet ist und der Meßfehler sowohl für Kohlendioxid als auch für Sauerstoff gleichermaßen gering bleibt.

Gemäß der Erfindung dient der Druckunterschiedmeßfühler außerdem als Indikator für das Atmen eines Patienten. Das genannte Element weist eine Membran auf, die sich zeitlich reziprok zur Atmung bewegt, und sich bei der Exspiration eines Patienten nach außen wölbt, während sie eine umge­ kehrte Bewegung bei der Inspiration des Patienten durch­ führt. Mit der Bewegung der Membran nach außen oder nach innen ändert sich das Gasvolumen in der Gassammeleinheit entsprechend der Respiration. Diese Volumenänderung ist auch nützlich zum Ausgleich der Strömungsschwankungen, die zeitlich entsprechend der Respiration auftreten.

Mit der Erfindung wird also die Gaszufuhr mit unveränderli­ chem Sauerstoffgehalt in eine Gassammeleinheit erleichtert, während gleichzeitig der Innendruck der Gassammeleinheit geregelt wird.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht einer Anordnung gemäß der Erfindung für Stoffwechselmessungen an Patienten, deren Atemgas mehr Sauerstoff als die Umgebungsluft enthält;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Gassammeleinheit gemäß Fig. 1 längs der Linie A-A;

Fig. 3 eine Detailansicht der in einem mit einer Gassam­ meleinheit verbundenen Druckunterschiedmeßfühler gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthaltenen Bauelemente;

Fig. 4a und 4b Ansichten verschiedener, vom Druckunter­ schiedmeßfühler eingenommener Stellungen bei ver­ schiedenen Drucksituationen.

Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel enthält eine in Fig. 1 gezeigte Gasquelle 1 Sauerstoff, und das von ihr ab­ gegebene Gas wird mit einem weiteren Gas, im vorliegenden Fall Luft, gemischt. Die Luft kann unmittelbar aus dem Raum entnommen sein, in dem sich ein Patient befindet, d. h. häu­ fig aus dem gleichen Raum, der somit als Gasquelle dient. Die Einstellung der Gesamtströmung und des Mischverhältnis­ ses zwischen Sauerstoff und Luft für einen Patienten ge­ schieht mit Hilfe von Strömungsreglern 2 und 3, bei denen es sich vorzugsweise um Nadelventile handelt. Die Betäti­ gung handelsüblicher Ventile erfolgt allerdings meistens ohne Skala, die das Regeln der Gasströme erleichtern könnte. Diese beiden Ströme werden einem Patienten vorzugs­ weise über ein pneumatisches Bauelement 4 zugeleitet, in welchem die Gase vermischt werden. Bei Beispiel für ein solches pneumatisches Bauelement ist eine Düse, die ihre Antriebskraft von der Gasquelle 1 erhält. Ein von der Gas­ quelle längs einer Leitung 5 strömender Sauerstoffstrahl erzeugt Unterdruck im pneumatischen Bauelement, wodurch Zimmerluft aus einer Leitung 6 angesaugt und mit dem Sauer­ stoffgas gemischt wird. Die Gasmischung fließt dann längs einer Leitung 7 zu einer Gassammeleinheit 8, in der in Fig. 1 der Kopf eines Patienten sichtbar ist.

Ein Teil des von den Strömungsreglern 2 und 3 kommenden Gasstroms wird stromaufwärts der Gassammeleinheit vorzugs­ weise an dieser vorbeigeleitet. Zum Einleiten des Gasstroms in die Gassammeleinheit und zum Vorbeileiten an derselben ist in der Figur eine T-Abzweigung 9 dargestellt, mit der eine Leitung 10 für die Umgehungsströmung verbunden ist. Das Volumen dieser Leitung 10 entspricht vorzugsweise min­ destens dem einfachen Atemvolumen eines Patienten, so daß kein unerwünschtes Gas längs der Leitung 10 in die Gassam­ meleinheit eindringen kann, wenn sich die Atemrichtung des Patienten umkehrt. Es wird noch mehr bevorzugt, das Volumen der Leitung 10 größer zu wählen als das maximale Einfachvo­ lumen der Atmung. In der Praxis liegt das Einfachvolumen häufig im Größenordnungsbereich von 0,5 bis 1 Liter.

Von der T-Abzweigung 9 führt eine Leitung 11 zur Gassammel­ einheit 8. Ein geringer Teil der von den Strömungsreglern 2 und 3 kommenden Strömung wird vorzugsweise längs der Lei­ tung 10 an der Gassammeleinheit vorbeigeleitet, so daß der größere Teil der Strömung längs der Leitung 11 in die Gas­ sammeleinheit fließt. Eine Probe des Sauerstoffgehaltes des zur Gassammeleinheit strömenden Gases wird längs einer Lei­ tung 12 zu einer Meßvorrichtung 13 geführt. Der gleichen Meßvorrichtung 13 wird längs einer Leitung 14 vorzugsweise auch das gewünschte Gas aus der Gassammeleinheit zur Unter­ suchung zugeführt. Die Meßvorrichtung kann also vorzugs­ weise nicht nur den Sauerstoffgehalt, sondern auch den Koh­ lendioxidgehalt eines Gases bestimmen. Als Meßvorrichtung kann beispielsweise eine Vorrichtung dienen, die im finni­ schen Patent Nr. 78231 beschrieben ist und von der Datex- Gruppe, Instrumentarium Oy unter der Handelsbezeichnung "Deltratrac" hergestellt wird.

Die Gassammeleinheit ist vorzugsweise selbsttragend und aus einem durchsichtigen Kunststoff hergestellt und mit einem Rand oder Kragen 15 aus flexiblem Material versehen, um das Abdichten gegenüber der Haut eines Patienten zu erleich­ tern. Die Abdichtung ist normalerweise um den Hals des Pa­ tienten herum vorgesehen, könnte aber ebensogut im Bereich der Schultern oder des Unterleibs liegen. Der Rand er­ streckt sich vorzugsweise bis unterhalb des Kopfes eines Patienten, der auf dem Rücken im Bett liegt. Diese Art von Gassammeleinheit läßt sich nämlich leicht um den Kopf eines Patienten herum anlegen. Die Abdichtung zwischen dem Hals eines Patienten und dem Rand ist ferner, wie Fig. 1 zeigt, mittels einer Dichtung 16 gewährleistet, beispielsweise ei­ ner Art von Klettverschlußband, welches um den Hals des Pa­ tienten gelegt ist.

Die Gassammeleinheit 8 ist mit einem Druckunterschied­ meßfühler 17 versehen, der die zwischen der Gassammelein­ heit 8 und der Umgebung herrschenden Druckunterschiede be­ obachtet. Dieser Druckunterschiedmeßfühler 17 steht in Strömungsverbindung mit dem Gasraum innerhalb der Gassam­ meleinheit, in welchem sich das Gas befindet, das der Pati­ ent atmet, sowie mit einem Gasraum außerhalb der Gassammel­ einheit, mit dem der Innendruck verglichen werden soll. Aus diesem Grund ist das genannte Meßelement vorzugsweise an einer Seite der Gassammeleinheit angebracht. Es kann auch mehr als nur ein Druckunterschiedmeßfühler vorgesehen sein.

Fig. 1 und insbesondere Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Lösung eines Druckunterschiedmeßfühlers 17. Dieses Element weist eine Membran auf, die vorzugsweise aus einer metallisierten Folie besteht und zwischen dem Inneren und Äußeren einer Gassammeleinheit angeordnet ist. Fig. 3 zeigt die Gestalt eines bevorzugten Druckunterschiedmeßfühlers in Form einer Membran im einzelnen. Genauer gesagt besteht der Druckun­ terschiedmeßfühler aus zwei Membranteilen 18 und 19, deren Abmessungen in diesem Fall 10×20 cm betragen. Die beiden Teile können längs der Ränder miteinander hermetisch ver­ bunden sein, um einen Sack oder Beutel zu bilden. Gemäß ei­ ner Alternative könnte der Sack auch aus einem einzigen Membranstück bestehen, welches so gefaltet ist, daß es zwei gegenüberliegende Wände bildet, deren Ränder dann herme­ tisch gegeneinander abgedichtet werden, wobei ein lichter Gasraum zwischen den gegenüberliegenden Wänden verbleibt.

Ein Membranteil 18 hat ein Loch 20, durch welches das sich zwischen den Wänden der Membran entwickelnde und dort vor­ herrschende Gas mit dem Gasraum der Gassammeleinheit in Strömungsverbindung steht. Der Druckunterschiedmeßfühler ist u Rand 22 einer Öffnung 21 befestigt, die in der Seite der Gassammeleinheit vorgesehen ist, wie zum Beispiel Fig. 2 zeigt. Diese Öffnung 21 der Gassammeleinheit fluch­ tet mit der entsprechenden Öffnung 20 im Druckunterschied­ meßfühler. In Fig. 2 ist zu sehen, daß zur Vermeidung von Leckverlusten der sackartige Druckunterschiedmeßfühler 17 an der Gassammeleinheit 8 mittels Befestigungsmitteln 23, vorzugsweise in Form eines zweiseitigen, ringförmigen Kle­ bebandes befestigt ist. Die Öffnung 21 in der Seite der Gassammeleinheit kann zum Beispiel einen Durchmesser von 1 bis 2 cm haben, wenn der Sack oder Beutel aus Membranteilen einer Größe von 10×20 cm besteht. Die Größe der Öffnung hängt von der Größe des Beutels ab. Auch die Öffnung 20 im Druckunterschiedmeßfühler 17 liegt in der gleichen Größen­ ordnung wie die Öffnung 21 der Gassammeleinheit.

Diese Art von Druckunterschiedmeßfühler in Form einer Mem­ bran ist so preisgünstig, daß es sich allein aus Gründen der Hygiene lohnt, sie für jeden Patienten auszutauschen. Als Material für den als Druckunterschiedmeßfühler benutz­ ten Beutel kann irgendein ausreichend dünnes und ausrei­ chend gasdichtes Membranmaterial verwendet werden, voraus­ gesetzt, daß dann die Innenwände des Beutels nicht leicht aneinanderhaften.

In Fig. 4a und 4b ist das Verhalten von Druckunterschied­ meßfühlern, im vorliegenden Fall zwei Elementen, die mit einer Gassammeleinheit gekoppelt sind, für den Fall darge­ stellt, daß Unterdruck (4a) und Überdruck (4b) innerhalb einer Gassammeleinheit im Verhältnis zum Außendruck herrscht. Das Verhalten eines sackartigen Druckunterschied­ meßfühlers zeigt also den Druckzustand visuell an, was hin­ sichtlich der Meßgenauigkeit bevorzugt wird. Wenn der Beu­ tel eng an der Oberfläche der Gassammeleinheit anliegt, wie Fig. 4a zeigt, wobei er möglicherweise sogar innerhalb des Bereichs der Öffnung 21 in konkave Form gesaugt wird, wird negativer oder Unterdruck angezeigt. Wenn andererseits der Beutel sich geringfügig über der Öffnung 21 nach außen bauscht, wie in Fig. 4b dargestellt, zeigt dies positiven oder Überdruck an. In einem typischen Fall kann sich der Sack durch die Wirkung von positivem Druck innerhalb der Gassammeleinheit um etwa 5 mm nach außen bauschen. Norma­ lerweise führt der Sack eine hin- und hergehende Bewegung mit der Atemgeschwindigkeit aus, wobei das Ausmaß während der Exspiration zunimmt und während der Inspiration ab­ nimmt. Der Druck in der Gassammeleinheit wird mittels der Strömungsregler 2 und 3 so geregelt, daß er während eines Inspirationszyklus momentan auf einen Pegel möglichst nahe Null absinkt. Der Druckpegel innerhalb der Gassammeleinheit hängt vom Strömungswiderstand der T-Abzweigung 9 ab, die stromaufwärts der Gassammeleinheit vorgesehen ist, sowie vom Strömungsdurchsatz. Die Bewegung des Sacks gibt der Be­ dienungsperson einen klaren Hinweis darauf, daß der Patient atmet, und außerdem kann die Bewegung zum Berechnen der Atemfrequenz herangezogen werden. Das ist ein wichtiger Si­ cherheitsaspekt bei Messungen an ernsthaft erkrankten Pati­ enten. Natürlich kann eine Meßvorrichtung 13 das Anhalten der Atmung oder eine lange Pause in der Atmung auch anhand der Gaswerte ableiten, aber das geschieht langsamer, typi­ scherweise bis zu 30 Sekunden später. Das Ausbauschvolumen eines Sacks zeigt allerdings nicht unbedingt das Einfach­ atemvolumen eines Patienten an, denn das innere Volumen der Gassammeleinheit ändert sich auf jeden Fall entsprechend der Atmung durch die um den Hals des Patienten gelegte fle­ xible Manschette.

Als Argument für die Bedeutsamkeit der Erfindung wird die nachfolgende Berechnung vorgelegt, um den Effekt zu zeigen, den ein geringer Leckverlust aus einer Gassammeleinheit nach außen während eines Zustands mit Überdruck auf die Er­ gebnisse im Vergleich zu einem Leckverlust nach innen wäh­ rend eines Zustands mit Unterdruck hat. Angenommen, die Strömungsmenge sei 40 l/Min durch die Gassammeleinheit und der Leckverlust 1% oder 0,4 l/Min. Ferner sei angenommen, daß der Kohlendioxidausstoß sowie der Sauerstoffverbrauch eines Patienten jeweils 200 mm/Min betrage. Die Unter­ schiede im verdünnten Gasgehalt betragen also-im Durch­ schnitt 0,5% sowohl für Sauerstoff als auch für Kohlendio­ xid. Wenn der angenommene Sauerstoffspiegel 40% beträgt, verdünnt eine Luftströmung von 0,4 l/Min, die während des negativen Drucks einleckt und 21% Sauerstoff enthält, den Gehalt an Sauerstoff im Exspirationsvolumen, der gemessen werden soll, um 40-(0,4*21+39,6*40)/40 = 0,2%. Folglich ändert sich die als Meßergebnis erhaltene Sauerstoffdiffe­ renz von 0,5% zu 0,7%, und das ist ein 40%iger Propor­ tionalfehler. Das mathematische Muster des Sauerstoffver­ brauchs verstärkt den Fehler bei der Sauerstoffdifferenz bei hohen Sauerstoffniveaus, und es läßt sich errechnen, daß der erhaltene Sauerstoffverbrauch dann um bis zu 67% zu hoch ist. Ein Leckverlust von Luft nach innen führt an­ dererseits zu keinerlei Fehler im Kohlendioxidausstoß. Leckverluste nach außen bedeuten, daß Atemgase aus der Gas­ sammeleinheit entweichen. Wenn der Leckverlust nach außen 1% beträgt oder 0,4 l/Min, wie gesagt, läßt sich errech­ nen, daß der Kohlendioxidausstoß 1% und der Sauerstoffver­ brauch 1,6% zu niedrig ist. Daraus läßt sich schließen, daß es angesichts der Meßgenauigkeit des Sauerstoffver­ brauchs absolut wichtig ist, daß sich der Leckverlust nach außen richtet. Trotzdem muß natürlich jeglicher Leckverlust möglichst vernachlässigbar sein.

Die Erfindung bietet eine verbesserte Möglichkeit zur kon­ trollierten Regelung des in der Gassammeleinheit vorherr­ schenden Druckzustands bei einer dualen Anordnung der Gas­ sammeleinheit, wie sie in der Patentanmeldung FI 911807 of­ fenbart ist. Unter Hinweis auf Fig. 1 kann eine einfache Rechnung für den innerhalb einer Gassammeleinheit vorherr­ schenden Druck vorgelegt werden. Angenommen, der mittels Vakuum von einer Meßvorrichtung durch die Gassammeleinheit angesaugte Strom sei Q und der von einer Düse erzeugte Strom sei W. In diesem Fall ist die an der Gassammeleinheit vorbeifließende Strömung W-Q. Ferner sei angenommen, daß der Strömungswiderstand in der Leitung 11 zwischen der T- Abzweigung 9 und der Gassammeleinheit R7 sei, und daß der Strömungswiderstand in der Leitung 10 von der T-Abzweigung 9 an der Gassammeleinheit 8 vorbei R6 sei. Der Kreuzungs­ punkt der T-Verzweigung 9 enthält einen positiven Druck von (W-Q)*R6 gegenüber der Umgebung. Der Druckabfall vom Kreu­ zungspunkt in die Gassammeleinheit ist seinerseits Q*R7. Damit ist der Druck im Innern der Gassammeleinheit im Ver­ hältnis zur Umgebung (W-Q)*R6-Q*R7. Der Strömungswiderstand R6 kann stabil gehalten und so gewählt werden, daß die po­ sitive Druckgrenze innerhalb der Gassammeleinheit typi­ scherweise um den Wert von W überstiegen wird, der etwa 1,5 mal der Gassammeleinheit-Strömung Q entspricht. Damit kann die Einstellung der Strömung W in einem gegebenen Fall un­ mittelbar durch Überwachen der positiven Druckgrenze be­ wirkt werden, welche der sackartige Druckunterschiedmeßfüh­ ler 17 anzeigt, ohne daß man exakte Werte für die Strömung W oder Q wissen müßte. Das ist besonders günstig für den Fall, daß das pneumatische Bauelement 4 in Form einer Düse vorgesehen ist, die höchst gleichförmige Sauerstoffdosie­ rungen abgibt, aber keine exakte quantitative Strömungs­ steuerung hat.

Die vorstehende Berechnung veranschaulicht auch die mit der Steuerung in Zusammenhang stehenden praktischen Schwierig­ keiten im Fall einer dualen Gassammeleinheit. Selbst wenn die innere Gassammeleinheit mit einem Drucksack gemäß der Erfindung versehen wäre, wären die Möglichkeiten zur Steue­ rung des Innendrucks immer noch schlecht, da das Äquivalent des stabilen Widerstandes R6 ein unbestimmter und variie­ render Strömungswiderstand ist, der vom Leckverlust ab­ hängt, den der äußere Rand der Haube möglich macht.

Die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehenden Ausfüh­ rungsbeispiele beschränkt, verschiedene Einzelheiten der Erfindung können im Rahmen der beigefügten Ansprüche geän­ dert werden. So kann beispielsweise der beschriebene Druck­ unterschiedmeßfühler auch lediglich als Detektor für die Atmung eines Patienten beispielsweise in einer Haube der alten Art benutzt werden, wie im finnischen Patent Nr. 78609 beschrieben.

Claims (23)

1. Vorrichtung zum Überwachen eines Atemgasstroms mit ei­ ner Gassammeleinheit (8), die einen Umgebungsgasraum von dem Gasraum innerhalb der Gassammeleinheit trennt, wobei ein Patient das in der Gassammeleinheit enthaltene Gas at­ met, einer Leitung (7), durch die Atemgas von einer oder mehreren Gasquellen (1) in die Gassammeleinheit (8) zur At­ mung durch den Patienten geleitet wird und einer Leitung (14), durch die Atemgas, welches mindestens teilweise ein vom Patienten ausgeatmetes Gas enthält, von der Gassammel­ einheit (8) zu einer Meßvorrichtung (13) zur Untersuchung geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunter­ schied zwischen dem von der Gassammeleinheit geschützten Gasraum und dem außerhalb bestehenden Gasraum mittels eines Druckunterschiedmeßfühlers (17) angezeigt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunterschiedmeßfühler (17) zwischen einem von der Gassammeleinheit (8) geschützten Atemgasraum und einem außerhalb derselben bestehenden Gasraum angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckunterschiedmeßfühler (17) den im In­ nern der Gassammeleinheit vorherrschenden Druck mit dem außerhalb der Gassammeleinheit herrschenden Druck ver­ gleicht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt oder Größe des Druckunterschiedmeßfühlers sich ändert, wenn der im Innern der Gassammeleinheit (8) herrschende Atemgasdruck von einem negativen zu einem positiven Druck oder umgekehrt im Ver­ hältnis zum externen Druck der Gassammeleinheit umschaltet.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunterschiedmeßfühler einen negativen oder positiven Druck anzeigt, wenn eine Druckdifferenz zwischen einem innerhalb der Gassammelein­ heit abgedichteten Raum und einem außerhalb liegenden Raum besteht und für den Fall einer vorliegenden Druckdifferenz auch anzeigt, ob innerhalb oder außerhalb der Gassammelein­ heit negativer oder positiver Druck besteht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunterschiedmeßfühler (17) eine Membran aufweist, deren eine Seite dem Druck ei­ nes in der Gassammeleinheit enthaltenen Atemgases ausge­ setzt ist, während die andere Seite dem Druck eines die Gassammeleinheit umgebenden Gasraums ausgesetzt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran einen Sack bildet, der sich zusammenzieht oder expandiert, je nach dem, in welcher Richtung die Druckänderung innerhalb der Gassammel­ einheit im Verhältnis zum Druck eines außerhalb der Gassam­ meleinheit bestehenden Gasraums stattfindet.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunterschiedmeßfühler (17) mindestens ein Membranteil (18, 19) aufweist, um zwei einander gegenüberliegende Wände zu bilden, zwischen denen ein Raum mit hermetisch abgedichteten Rändern für ein Gas verbleibt, der allerdings durch eine Öffnung (20) mit einer in der Gassammeleinheit vorgesehenen Öffnung (21) in Ver­ bindung steht, wobei die Öffnung (21) ihrerseits mit einem außerhalb der Gassammeleinheit bestehenden Gasraum oder vorzugsweise mit einem Atemgasraum im Innern der Gassammel­ einheit in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunterschiedmeßfühler (17) zwei einander überlagerte Membranteile (18, 19) auf­ weist, die hermetisch aneinander befestigt sind und zwi­ schen denen ein Raum für Gas besteht, wobei eines der Mem­ branteile mit einer Öffnung (20) zur Befestigung am Rand (22) einer in der Gassammeleinheit vorgesehenen Öffnung (21) vorgesehen ist und der zwischen den Membranteilen ver­ bliebene Raum durch die Öffnung (21) in der Gassammelein­ heit und die Öffnung (20) in der Membran entweder mit einem außerhalb der Gassammeleinheit bestehenden Gasraum oder vorzugsweise mit einem im Innern der Gassammeleinheit be­ stehenden Atemgasraum in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem Folien­ werkstoff besteht.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer oder mehreren Gasquellen (1) ausgehendes Gas längs der Leitung (7) in die Gassammeleinheit (8) abgegeben wird und das Mischen der Gase stromaufwärts der Gassammeleinheit mit Hilfe eines pneumatischen Bauelements (4) geschieht.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine in die Gassammeleinheit einzuleitende Atemgasströmung mittels eines oder mehrerer Strömungsregler (2 und/oder 3) auf der Basis von vom Druck­ unterschiedmeßfühler (17) gelieferten Druckinformationen geregelt wird.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zur Gassammelein­ heit strömenden Gases längs einer Leitung (10) an der Gas­ sammeleinheit vorbeigeführt wird.

14. Benutzung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 als De­ tektor für das Atmen eines Patienten.

15. Benutzung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Ver­ sorgung eines Patienten mit einem Gas, welches im Vergleich zu normaler Luft einen angereicherten Sauerstoffgehalt hat.

16. Verfahren zum Überwachen von Atemgasströmen, wenn die Inspiration und Exspiration eines Patienten mit Hilfe einer vom Umgebungsgasraum getrennten Gassammeleinheit (8) durch­ geführt wird, wobei der Gassammeleinheit Atemgas für einen Patienten von einer oder mehreren Gasquellen (1) zugeführt wird und die Gassammeleinheit Gas an eine Meßvorrichtung (13) für einen Meßvorgang abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck eines im Innern der Gassammeleinheit bestehenden Atemgases mittels eines Druckunterschied­ meßfühlers (17) mit dem Gasdruck verglichen wird, der außerhalb der Gassammeleinheit vorherrscht.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung eines von einer oder mehreren Gasquellen (1) kommenden Gases zur Gassammeleinheit (8) mittels eines oder mehrerer Strömungsregler (2, 3) mit Hilfe des Druckun­ terschiedmeßfühlers (17) so geregelt wird, daß der Druck eines in der Gassammeleinheit enthaltenen Atemgases dem Druck außerhalb der Gassammeleinheit mindestens gleich ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druck eines in der Gassammeleinheit ent­ haltenen Atemgases auf einen Wert eingestellt wird, der we­ niger als 1 mm H₂O höher ist als der Druck außerhalb der Gassammeleinheit.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die der Gassammeleinheit von mehr als ei­ ner Gasquelle (1) zugeführten Gasströme mittels eines pneu­ matischen Bauelements (4) miteinander vermischt werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16-19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Teil des von der einen oder mehreren Gasquellen (1) zur Gassammeleinheit strömenden Gases an der Gassammeleinheit vorbeigeleitet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16-20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckunterschiedmeßfühler (17) eine Membran ist, die zwischen einem von der Gassammeleinheit abgedichteten Atemgasraum und einem Gasraum angeordnet ist, der außerhalb der Gassammeleinheit verbleibt.

22. Verfahren zum Steuern eines in eine Gassammeleinheit (8) fließenden Atemgases, während ein Patient ein in der Gassammeleinheit enthaltenes Gas atmet und der Gassammel­ einheit ein Atemgas für einen Patienten von einer oder meh­ reren Gasquellen (1) zugeführt wird und die Gassammelein­ heit ein Gas an eine Meßvorrichtung (13) für einen Meßvor­ gang abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck eines im Innern der Gassammeleinheit bestehenden Atemgases mit dem außerhalb der Gassammeleinheit vorherrschenden Gasdruck mittels eines Druckunterschiedmeßfühlers (17) verglichen wird und die zur Gassammeleinheit fortschreitende Atemgas­ strömung auf solche Weise eingestellt wird, daß der Druck im Innern der Gassammeleinheit dem außerhalb der Gassammel­ einheit vorherrschenden mindestens gleicht.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Gassammeleinheit strömende Atemgasstrom mit­ tels eines oder mehrerer Druckregler (2 und/oder 3) einge­ stellt wird.