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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Gasanalysesysteme.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Hauptstromgasanalysatorsystem,
das in der Lage ist, unter Verwendung kostengünstiger Komponenten Kohlendioxidkonzentrationen
zu ermitteln.
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In
vielen Anwendungen ist es erwünscht,
in Gasströmen
Komponenten zu identifizieren und die Konzentrationen derselben
zu überwachen.
Beispielsweise ist es auf dem Gebiet der Anästhesiologie häufig erwünscht, die
Konzentrationen vielfältiger gasförmiger anästhetischer
oder therapeutischer Wirkstoffe zu überwachen, z.B. Stickstoffoxid,
Halothan, Enfluran, Desfluran, Sevofluran und Isofluran, die zur
Einatmung durch einen Patienten abgegeben werden und/oder die von
dem Patienten ausgeatmet werden. Darüber hinaus ist es üblich, die
Kohlendioxid-(CO2)-Konzentration im Zusammenhang
mit dem Patienten fortlaufend zu überwachen und auf einem Bildschirm
wiederzugeben, da der CO2-Gehalt ein guter
Indikator für
die Beatmung eines Patienten ist. Im Blutstrom vorhandenes CO2 kommt rasch mit dem CO2 in
den Lungen ins Gleichgewicht, und der Partialdruck von CO2 in den Lungen, insbesondere der CO2-Gehalt am Ende eines jeden Atemzugs, d.h.
das Endwellen-CO2, ist folglich ein guter
Näherungswert für den CO2-Spiegel im Blut. Dementsprechend ist ein
abnormal (niedriger) Endwellen-CO2-Pegel
ein Anzeichen für
einen unzureichenden Blutstrom zu dem Gewebe, für einen unzureichenden CO2-Transport durch die Lungen oder für eine übermäßige Beatmung.
Im Gegensatz hierzu zeigt ein abnormal hoher Endwellen-CO2-Pegel an, dass die durch die Lungen aus
dem Blutstrom abgeführte
Menge von CO2 unzureichend ist, d.h. dass
die Beatmung unzureichend ist.
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Gegenwärtig sind
zwei Arten von nicht dispergierenden Infrarot-(IR)-Gasanalysatoren
zur Bestimmung von Gaskonzentrationen vorhanden: (1) Seitenstromgasanalysatoren
und (2) Hauptstromgasanalysatoren. Seitenstromgasanalysatorsysteme
zweigen einen Teil der von einem Patienten eingeatmeten und ausgeatmeten
Atemgase aus dem Patientenatemweg eines Patientenkreislaufs ab oder entziehen
diese. Dieser auch als Gasprobe bezeichnete Teil wird anschließend zu
einem entfernten Ort befördert,
um durch einen Seitenstromgasanalysator analysiert zu werden. Die
analysierte Gasprobe wird entweder in den Patientenkreislauf zurückgegeben oder
ganz und gar entsorgt.
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Im
Gegensatz dazu sind Hauptstromgasanalysatorsysteme dazu eingerichtet,
einen Teil des Atemwegs des Patienten als Abtastzelle benutzen. Daher
wird keines der zu dem Patienten strömenden oder von diesem abgegebenen
Gase abgezweigt. Ein Hauptstromgasanalysatorsystem schließt ein kurzes
Stück einer
speziell konstruierten Röhre,
d.h. einen Atemwegadapter, in den Atemweg des Patienten ein, um
als Abtastzelle zu dienen. Der Hauptstromgasanalysator ist mit diesem
Atemwegadapter so verbunden, dass optische und elektronische Bauelemente,
auf denen der Analysator basiert, in der Lage sind, den Atemweg
des Patienten zu überwachen.
Während
die Atemgase des Patienten durch den Atemwegadapter strömen, wird
das gewünschte Gas,
z.B. CO2, überwacht.
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Seitenstromvorrichtungen
weisen eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften auf, beispielsweise
die Fähigkeit
zur gleichzeitigen Analyse mehrerer in der Gasprobe vorhandener Gase;
das Fehlen von Gewichts- und Abmessungsbeschränkungen für die Vorrichtung; die Fähigkeit
zur korrigierenden Berücksichtigung
von Gasdruckänderungen
und der Anwesenheit störender
Gase; und die Fähigkeit
zur Selbstkalibrierung. Andererseits führt die Tatsache, dass ein
Teil der Atmungsgase des Patienten abzuzweigen ist, um diesen als
Gasprobe zu verwenden, und außerdem
die Gasprobe für
die eigentliche Analyse zu einem entfernten Ort zu befördern ist
(gewöhnlich sind
dies zehn oder mehr Fuß über einen
Transporttubus), zu einer Verfälschung
der Gasprobe und des Kreislaufs des Patienten.
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Beispielsweise
wird in der Gasprobe vorhandener Wasserdampf aufgrund der Änderung
der Umgebungstemperatur von Körpertemperatur
(etwa 37 °C)
auf Raumtemperatur (etwa 23 °C)
in dem Transporttubus kondensieren. Dies setzt umfassende Wasserhandhabungssysteme
voraus und verursacht eine weitere Verfälschung der Gasprobe. Ein weiteres
Problem ist das Vermischen aufeinanderfolgender sich in Richtung
des Seitenstromanalysators bewegender Gasproben. Wenn sich eine
eingeatmete Gasprobe mit einer ausgeatmeten Gasprobe vermischt,
gehen Informationen bezüglich
der tatsächlichen
Bedingungen im Atemweg des Patienten, beispielsweise hinsichtlich
des Übergangs
zwischen Einatmung und Ausatmung, möglicherweise verloren oder
werden verfälscht.
Noch ein Problem ist die Handhabung von Gasproben nach deren Analyse. Falls "verbrauchte" Gasproben in den
Patientenkreislauf zurückgegeben
werden, durchqueren sie eine gemeinschaftliche Vorrichtung, die
möglicherweise durch
einen vorherigen Patienten verunreinigt ist. Es sind daher Vorkehrungen
für die
Sicherstellung einer Filterung zurückkehrender Gasproben zu treffen,
um derartige Verunreinigungen zu entfernen.
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Wenn
andererseits "verbrauchte" Gasproben als Ganzes
entsorgt werden, gehen einige dem Patienten mit Absicht verabreichte
Gase, z.B. Narkosemittel, verloren. Es ist nicht nur von Bedeutung, dass
einige dieser Gase sehr kostspielig sind, sondern dass die entfernten
Gase auch erfasst und in dem Kreislauf des Patienten geeignet ersetzt
werden müssen,
damit der Patient tatsächlich
die angemessene Menge von Narkosemitteln erhält.
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Hauptstromvorrichtungen
weisen in ähnlicher
Weise ih nen eigene Vorteile und Nachteile auf. Zu den Vorteilen
zählen:
(1) keine Verfälschung
von Gasproben, da weder eine Abzweigung von dem Patientenkreislauf
vorhanden ist, noch in diesen störend eingegriffen
wird; (2) eine fortlaufende Überwachung; (3)
ein rasches Ansprechen; und (4) eine vernachlässigbare Zeitverzögerung zwischen
der Abtastung und der Anzeige des Messwertes. Da zur Analyse zu keinem
Zeitpunkt eine isolierte Menge von Gas verwendet wird, ist es andererseits
schwierig, genaue absolute Messwerte zu erzeugen. Typischerweise lässt sich
durch jede Hauptstromvorrichtung jeweils nur ein Gas überwachen.
Dementsprechend lassen sich, im Gegensatz zu Seitenstromvorrichtungen, Konzentrationen
sonstiger Gase und von diesen Gasen eventuell ausgehende Störungen nicht
korrigierend berücksichtigen.
Ein weiterer Nachteil besteht in der fehlenden Fähigkeit, Druckänderung
zu berücksichtigen.
Der Gesamtdruck im Atemweg des Patienten lässt sich nicht messen, und
durch Kompressorzyklen hervorgerufene Druckänderungen lassen sich daher
nicht einberechnen. Ein weiterer Nachteil basiert darauf, dass Hauptstromvorrichtungen
nur geringe Abmessungen und geringes Geweicht aufweisen dürfen, um
ein Anbringen an dem Atemwegadapter zu ermöglichen, ohne dem Patienten
Unbequemlichkeiten zu bereiten oder an dessen Atemweg zu zerren.
Die Einhaltung der erforderlichen Abmessungsbeschränkungen
ist sehr schwierig und kostspielig, wenn außerdem Ausgleichs- und Kalibrierungskomponenten
einzugliedern sind, um eine selbstunterhaltende Hauptstromvorrichtung
bereitzustellen.
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Ein
Einsatz beider Bauarten von Gasanalysatoren wäre von Vorteil, wird jedoch
aufgrund der äußerst hohen
Kosten jedes Gasanalysatortyps selten durchgeführt. Statt dessen erwerben Ärzte oder Bediener
in Abhängigkeit
von dem für
den Bedarf im Vordergrund stehenden Merkmal lediglich die eine oder
die andere Bauart. Es besteht daher ein Bedarf nach einem Hauptstromgasanalysatorsystem,
das klein, leichtgewichtig und kostengünstig ist. Es besteht ferner
ein Bedarf nach einem Hauptstromgasanalysatorsystem, das ausreichend
kostengünstig
ist, um sich ohne weiteres in Verbindung mit einer Seitenstromvorrichtung
einsetzen zu lassen. Weiter noch besteht ein Bedarf nach einem Hauptstromgasanalysatorsystem,
das die Erfordernis eines fortlaufenden Abzweigens von Gasproben
aus dem Patientenkreislauf für
Kalibrierungszwecke, wie es üblicherweise
durchgeführt
wird, wenn die Seitenstromvorrichtung für sich allein verwendet wird,
vermindert.
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Die
US-A-5 092 342 offenbart eine Sensoranordnung zum Erfassen der Komponenten
eines Gases auf optischem Wege.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Gasanalysesystem geschaffen, zu dem gehören: ein Atemwegadapter,
der ein Einlassfenster und ein Auslassfenster aufweist, um die nicht
invasive Überwachung
eines Gasstroms zu erlauben; ein Hauptstromgasanalysator mit einem
gekrümmten
Reflektor, der dazu dient, einen Analysestrahl nacheinander durch
das Ein lassfenster, den Gasstrom und das Auslassfenster zu lenken,
wobei der Hauptstromgasanalysator ein erstes Messwertsignal ausgibt;
dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Reflektor des Hauptstromgasanalysators
mit dem Atemwegadapter verbunden ist, und zu dem System ferner ein
Seitenstromgasanalysator, wobei der Seitenstromgasanalysator ein
zweites Messwertsignal ausgibt; und ein Prozessor gehören, wobei
der Prozessor unter Verwendung der Messwertsignale des Hauptstromgasanalysators
und des Seitenstromgasanalysators ein Korrelationsmuster zwischen
den Messwertsignalen des Hauptstromgasanalysators und des Seitenstromgasanalysators
ermittelt, und wobei das Korrelationsmuster verwendet wird, um nachfolgende
Messungen des Hauptstromgasanalysators zu justieren.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung betrifft ein wirtschaftliches Hauptstromgasanalysatorsystem.
Das System enthält
einen Atemwegadapter, zu dem ein Einlasskunststofffenster und ein
Auslasskunststofffenster gehören,
um eine nicht invasive Überwachung
eines Gasstroms zu erlauben. Das System enthält ferner einen Gasanalysator, der
mit dem Atemwegadapter verbunden ist und einen Reflektor aufweist.
Der Reflektor basiert auf einem Kunststoffelement mit einer reflektierenden
Beschichtung.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung betrifft ein wirtschaftliches Hauptstromgasanalysatorsystem.
Das System enthält
Mittel zur Schnittstellenrealisierung mit einem Gasstrom. Das Mittel
zur Schnittstellenrealisierung enthält ein Einlasskunststofffenster
und ein Auslasskunststofffenster, um eine nicht invasive Überwachung
des Gasstroms zu erlauben. Das Mittel zur Analyse ist an die Mittel
zum Eingriff angeschlossen. Das Mittel zur Analyse enthält ein Mittel
zum Reflektieren. Das Mittel zum Reflektieren basiert auf einem Kunststoffelement,
das eine reflektierende Beschichtung aufweist.
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Noch
ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung betrifft ein Gasanalysesystem. Das System umfasst
einen interessierenden Gasstrom und ein mit dem interessierenden
Gasstrom verbundenes Seitenstromsystem. Das System umfasst ferner
ein mit dem interessierenden Gasstrom verbundenes Hauptstromsystem.
Das Hauptstromsystem ist als ein kostengünstiger Analysator konzipiert,
der in der Lage ist, das Seitenstromsystem in einen Bereitschaftsmodus
zu versetzen. Das Seitenstromsystem ist dazu eingerichtet, nach
Bedarf in einen aktiven Modus überzugehen,
um einen Teil des interessierenden Gasstroms für die Durchführung einer
Kalibrierung eines erfassten Signals abzuzweigen, das von dem Hauptstromsystem
ausgegeben ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen
eingehender beschrieben:
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1 zeigt
in einem Blockschaltbild ein medizinisches Atmungsüberwachungssystem;
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2 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht ein Hauptstromgasanalysatorsystem, das
einen Teil des medizinischen Atmungsüberwachungssystems von 1 bildet;
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3 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht einen Atemwegadapter, der ein
Bestandteil des Hauptstromgasanalysatorsystems von 2 ist;
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4 veranschaulicht
in einer perspektivischen Ansicht eine Hauptstromvorrichtung, die
einen Teil des Hauptstromgasanalysatorsystems von 2 bildet;
und
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5 zeigt
eine Schnittansicht des Hauptstromgasanalysatorsystems nach 2.
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Unter
Bezugnahme auf 1 sind die Hauptkomponenten
eines medizinischen Atmungsüberwachungssystems 10 veranschaulicht.
Das medizinische Atmungsüberwachungssystem 10 ist
dazu eingerichtet, einem Patienten 12 Einatmungsgase zu liefern
und diese zu überwachen
sowie Gaskonzentrationen von Atemgasen zu überwachen, um dadurch Daten
zu erzeugen, die den Zustand des Patienten 12 betreffen.
Das System 10 enthält
einen Patientenbeatmungskreislauf 16, einen Seitenstromkreislauf 54,
eine Gaskonzentrationserzeugungseinheit 56 und ein Hauptstromgasanalysatorsystem 22.
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Zu
dem Patientenbeatmungskreislauf 16, der dem Patienten eine
gewünschte
Mischung 12 abzugebenden Einatmungsgase liefert, gehört der Patient 12,
ein Atemwegtubus 14, eine Beatmungs-/Gasquelle 18 und
eine Filter/Wiederaufbereitungseinrichtung 20. Der Patient 12 ist
an den Atemwegtubus 14 angeschlossen und der Atemwegtubus 14 ist
mit der Filter/Wiederaufbereitungseinrichtung 20 verbunden. Die
Filter/Wiederaufbereitungseinrichtung 20 ist an die Beatmungs-/Gasquelle 18 angeschlossen
und die Beatmungs-/Gasquelle 18 ist mit dem Atemwegtubus 14 verbunden,
womit der Kreis geschlossen ist.
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Der
Patient 12 ist über
ein Mundstück,
eine intratracheale Röhre
oder eine (nicht gezeigte) Narkosemaske mit dem Atemwegtubus 14 verbunden. Der
Atemwegtubus 14 weist einen Einlass 46, einen Auslass 48 und
einen Anschlusskanal 50 auf. Der Atemwegtubus 14 enthält geeignete
Einwegventile, z.B. Rückschlagventile,
um einen nur in eine Richtung verlaufenden Strom von Einatmungsgasen
aus der Beatmungs-/Gasquelle 18 über den
Einlass 46 und den Anschlusskanal 50 zu dem Patienten 12 und einen
nur in eine Richtung verlaufenden Strom von Ausatmungsgasen von
dem Patienten 12 über
den Anschluss 50 und den Auslass 48 zu der Filter/Wiederaufbereitungseinrichtung 20 zu
erlauben. Der Atemwegtubus 14 ist Y-förmig dargestellt. Allerdings kann
dieser in Abwandlungen davon abweichend, beispielsweise T-förmig, gestaltet
und konfiguriert sein, solange er für die Durchführung der
hier beschriebenen Funktionen geeignet ist.
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Die
Beatmungs-/Gasquelle 18 liefert Einatmungsgase an den Einlass 46 des
Atemwegtubus 14. Die Einatmungsgase können therapeutische Wirkstoffe,
Narkosemittel, Stickoxid, Sauerstoff, Kohlendioxid (CO2),
radioaktiv markierte Partikel und/oder vielfältige sonstige gasförmige Wirkstoffe enthalten.
Die Beatmungs-/Gasquelle 18 enthält Gasbehälter, Messinstrumente, Ventile,
Controller und sonstige Komponenten, um das gewünschte Gasgemisch für den Patienten 12 bereitzustellen.
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Die
Filter/Wiederaufbereitungseinrichtung 20 nimmt Ausatmungsgase
von dem Auslass 48 des Atemwegtubus 14 auf. Ausatmungsgase
können eine
Mischung von ausgeatmeten Gasen des Patienten 12 (beispielsweise
CO2), wiedergewonnenen Einatmungsgasen und
Schadstoffen (beispielsweise Mikrosonden und sonstigen Verunreinigungen)
sein. Die Filter/Wiederaufbereitungseinrichtung 20 entfernt unerwünschte Komponenten,
z.B. schädliche
Stoffe, aus den Ausatmungsgasen und gibt die übrigen Komponenten, insbesondere
wiedergewonnene Einatmungsgase, an die Beatmungs-/Gasquelle 18 zur Wieder verwendung
zurück.
Es wird in Betracht gezogen, dass der Patientenbeatmungskreislauf 16 auch zusätzliche
Komponenten enthalten kann, beispielsweise einen Kompressor zum
regeln/steuern des Drucks und der Strömungsrate von Gasströmen im Patientenbeatmungskreislauf 16.
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Der
Seitenstromkreislauf 54 enthält einen Seitenstromabzweigungstubus 52,
ein erstes Ventil 24, einen Seitenstromtransporttubus 26,
einen Seitenstromgasanalysator 28, ein zweites Ventil 30,
eine Entlüftung 32,
eine Pumpe 34 und ein drittes Ventil 36. Der Atemwegtubus 14 enthält an dem
Anschlusskanal 50 eine Öffnung,
um den Seitenstromabzweigungstubus 52 aufzunehmen. In einer
Abwandlung kann der Seitenstromabzweigungstubus 52 einstückig mit
dem Atemwegtubus 14 ausgebildet sein. Der Seitenstromabzweigungstubus 52 ist
an dem ersten Ventil 24 angeschlossen, und das erste Ventil 24 ist mit
dem Seitenstromtransporttubus 26 verbunden. Der Seitenstromtransporttubus 26 ist
an dem Seitenstromgasanalysator 28 angeschlossen, und der
Seitenstromgasanalysator 28 ist mit dem zweiten Ventil 30 verbunden.
Das zweite Ventil 30 ist an der Pumpe 34 angeschlossen,
und die Entlüftung 32 und
die Pumpe 34 sind mit dem dritten Ventil 36 verbunden. Das
dritte Ventil 36 ist an der Filter/wiederaufbereitungseinrichtung 20 angeschlossen.
In einer Abwandlung kann das dritte Ventil 36 mit der Filter/Wiederaufbereitungseinrichtung 20 und
dem Auslass 48 verbunden sein.
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Das
erste Ventil 24 ist ein Einwegventil, das dazu eingerichtet
ist, einem Teil der Atemgase zu erlauben, in den Anschlusskanal 50 zu
strömen,
um von dem Patientenbeatmungskreislauf 16 zu dem Seitenstromkreislauf 54 für eine Analyse
durch den Seitenstromgasanalysator 28 abgezweigt oder abgezogen
zu werden. Das erste Ventil 24 kann ein computergesteuertes
elektromagnetisch betätigtes
Kugel- oder Schieberventil sein, so dass Teile der Atemgase lediglich
dann von dem Patientenbeatmungskreislauf 16 abgezweigt
werden, wenn Gasproben für die
Analyse durch den Seitenstromgasanalysator 28 benötigt werden.
Jede abgezweigte Gasprobe kann Einatmungs- und/oder Ausatmungsgase
beinhalten.
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Die
abgezweigte Gasprobe bewegt sich von dem ersten Ventil 24 über den
Seitenstromtransporttubus 26 zu dem Seitenstromgasanalysator 28.
Die Länge
des Seitenstromtransporttubus 26 kann zehn Fuß oder mehr
betragen und dementsprechend ist es möglich, dass in der abgezweigten
Gasprobe vorhandener Wasserdampf in dem Seitenstromtransporttubus 26 kondensiert.
Obwohl nicht gezeigt, könnte
der Seitenstromkreislauf 54 ein Wasserhandhabungssystem
enthalten.
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Nachdem
die abgezweigte Gasprobe durch den Seitenstromgasanalysator 28 analysiert
ist, kann sie entweder über
die Entlüftung 32 entsorgt
oder über
das dritte Ventil 36 an den Patientenbeatmungskreislauf 16 zurückgegeben
werden. Das zweite Ventil 30 ist dazu eingerichtet, die
abgezweigte Gasprobe zu der Entlüftung 32 oder
zu dem dritten Ventil 36 zu leiten. Das zweite Ventil 30 kann
ein drei Anschlüsse aufweisendes
Zweiwegeventil sein, wie es hinlänglich
aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Die
Pumpe 34 ist dazu eingerichtet, zu bewirken, dass die abgezweigte
Gasprobe durch den Seitenstromkreislauf 54 strömt. Die
Betätigung
und/oder die Positionen des zweiten Ventils 30 und der
Pumpe 34 können
so miteinander koordiniert werden, dass in dem Seitenstromkreislauf 54 keine
unerwünschten Gasströmungs- und
Druckprobleme auftreten. Bei spielsweise ist die Pumpe 34 möglicherweise
abzuschalten ist, wenn das zweite Ventil 30 für ein Abführen der
abgezweigten Gasprobe positioniert ist. Außerdem kann die Pumpe 34 in
diesem Fall an anderen Stellen als der in 1 gezeigten
Stelle in dem Seitenstromkreislauf 54 angeordnet werden.
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Der
Seitenstromgasanalysator 28 ist an dem nachstehend im Einzelnen
beschriebenen Gaskonzentrationserzeugungskreislauf 56 angeschlossen und
unter anderem dazu konfiguriert: die Gaskonzentrationen eines oder
mehrerer Anteilgase zu messen, aus denen sich jede abgezweigte Gasprobe
zusammensetzt; gemessene Gaskonzentrationen hinsichtlich Druckänderungen
zu korrigieren; gemessene Gaskonzentrationen hinsichtlich des Einflusses störender Gase
zu korrigieren; und nach Bedarf Selbstkalibrierungen durchzuführen, um
sich ändernde
Bedingungen, beispielsweise eine veränderte Raumtemperatur, zu berücksichtigen.
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Die
Gaskonzentrationserzeugungseinheit 56 enthält einen
Signalverstärker 38,
einen Analog-Digital-(A/D)-Konverter 40, einen Prozessor 42 und
eine Bedienungskonsole 44. Der Signalverstärker 38 ist an
dem A/D-Konverter 40 angeschlossen, der A/D-Konverter 40 ist
mit dem Prozessor 42 verbunden, und der Prozessor 42 ist
an der Bedienungskonsole 44 angeschlossen. Das Ausgangssignal
des Hauptstromgasanalysatorsystems 22 oder des Seitenstromgasanalysators 28 ist
der Eingang des Signalverstärkers 38.
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Der
auch als Signalpuffer bezeichnete Signalverstärker 38 verstärkt die
von den beiden Systemen 22, 54 ausgegebenen analogen
Signale, so dass diese durch den A/D-Konverter 40 in digitale
Signale umgewandelt werden können.
Das durch den A/D-Konverter 40 ausgegebene digitale Signal
ist das Eingangssignal für
den Prozessor 42.
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Der
Prozessor 42 verwendet das digitale Signal, um ein korreliertes
Gaskonzentrationssignal auszugeben. Die Berechnung eines Gaskonzentrationssignals
berücksichtigt
außerdem
Kalibrierungseinstellungen und sonstige erforderliche Einstellungen,
um ein genaues Gaskonzentrationssignal zu erzeugen. Das Gaskonzentrationssignal
wird zuletzt an die Bedienungskonsole 44 ausgegeben, um
in Echtzeit oder quasi in Echtzeit zur Betrachtung für einen Benutzer
wiedergegeben zu werden. Die Bedienungskonsole 44 kann
ferner eine Speichereinheit, um über
eine gewisse Zeitspanne Gaskonzentrationssignale aufzuzeichnen,
und Bedienungseinrichtungen enthalten, um die angezeigten Daten
zu manipulieren und/oder die Funktionen des Hauptstromgasanalysatorsystems 22 oder
des Seitenstromkreislaufs 54 zu betätigen.
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Unter
Bezugnahme auf 2–5 ist das Hauptstromgasanalysatorsystem 22 gezeigt,
zu dem ein Atemwegadapter 100 und eine Hauptstromvorrichtung 150 gehören. Die
Hauptstromvorrichtung 150 ist mit dem nachstehend im Einzelnen
beschriebenen Atemwegadapter 100 verbunden, und die Hauptstromvorrichtung 150 ist
vorzugsweise in einem (nicht gezeigten) schützenden Gehäuse untergebracht.
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Der
Atemwegadapter 100 basiert auf einem kurzen Stück einer
speziell gestalteten Röhre,
die ein erstes Ende 102, ein zweites Ende 104,
einen Verbindungsabschnitt 106 und ein Paar Öffnungen 108 aufweist.
Das erste und zweite Enden 102, 104 bilden die
beiden entgegengesetzten Enden des Atemwegadapters 100 und
sind beide auf einer durch den Atemwegadapter 100 verlaufenden
Zentralachse angeordnet. Das erste und zweite Ende 102, 104 sind die
Anschlusspunkte an den Atemweg des Patienten. Vorzugsweise ist der
Atemwegadapter 100 zwischen dem Patienten 12 und
dem Atemwegtubus 14, und eher bevorzugt zwischen einem
Mundstück,
einem Intubationstubus oder einer Maske einerseits und dem Atemwegtubus 14 andererseits,
eingefügt.
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Der
zwischen dem ersten und zweiten Ende 102, 104 angeordnete
Verbindungsabschnitt 106 enthält einen ausnehmungsartigen
Abschnitt, der Öffnungen 108 aufweist,
um ein ungestörtes
Abtasten des durch die Hauptstromvorrichtung 150 strömenden Atems
des Patienten zu ermöglichen.
Die Öffnungen 108 sind
gegenüber
der durch den Atemwegadapter verlaufenden Zentralachse 100 symmetrisch
und längs
einer senkrecht zu dieser Zentralachse ausgerichteten Ebene angeordnet.
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Die
Gesamtabmessungen (z.B. die Durchmesser des ersten und zweiten Endes 102, 104),
die Fertigungstechnik (z.B. eine gegossene/gespritzte einstückige Konstruktion)
und die Materialien (z.B. Kunststoff), aus denen der Atemwegadapter 100 gefertigt
ist, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Allerdings
sind die Öffnungen 108 in
einem Ausführungsbeispiel
durch Fenster 110 abgedeckt. Jedes Fenster 110 dichtet
jeweils eine Öffnung 108 ab,
so dass keine Gase aus dem Atemwegadapter 100 entweichen.
Das Fenster 110 basiert auf einem optisch transparenten
Material, das für
Photonenenergie bei gewissen Wellenlängen durchlässig ist. Das Material, aus
dem das Fenster 110 gefertigt ist, braucht keine 100%ige
Durchlässigkeit
für diese
Wellenlängen
vorzusehen, noch ist es erforderlich, dass es lediglich Photonenenergie
dieser Wellenlängen überträgt. Für das Fenster 110 eignen
sich beliebige aus einer Reihe un terschiedlicher, insbesondere kostengünstiger
Materialien, die den oben erwähnten Bedingungen
genügen.
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Wenn
das System 22 beispielsweise für die Überwachung der Kohlendioxid-(CO2)-Konzentration eingesetzt wird, sollte
das Fenster 110 für
eine Wellenlänge
von 4,26 Mikrometer durchlässig
sein, d.h. für
eine Absorptionswellenlänge
von CO2. Das Fenster 110 kann auf
einem Kunststofffilm, beispielsweise aus Polycarbonat, basieren.
Polycarbonat ist ein sehr kostengünstiges und ohne weiteres verfügbares Material;
darüber
hinaus weist Polycarbonat eine angemessene Durchlässigkeit
bei dem CO2-Absorptionspunkt von 4,26 Mikrometer
auf. (Die Durchlässigkeitseigenschaften
hinsichtlich anderer Wellenlängen
sind von geringer Bedeutung). In der Tat könnte das Fenster 110 auch
auf einem Aufkleber aus einem kunststoffartigen Material basieren.
Wenn andere Gase mittels des Systems 22 überwacht
werden, sollte das Fensters 110 in Abwandlungen entsprechend
gewählt
werden, um gewünschte
Durchlässigkeitseigenschaften
bei den Absorptionswellenlängen dieser
anderen Gase aufzuweisen.
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Die Öffnungen 108 und
die Fenster 110 können
beliebig, beispielsweise kreisförmig,
rechteckig, usw., gestaltet sein, und weisen vorzugsweise einen Durchmesser
von etwa 0,5 Zoll auf. Ein Vorsehen eines verhältnismäßig großen Fensters verringert die Anforderungen
an die Fokussierung der Hauptstromvorrichtung 150. Die
Dicke des Fensters 110 hängt zum Teil von dem Durchmesser
der jeweiligen Öffnung 108 ab.
Der Druck innerhalb des Atemwegadapters 100 beträgt etwa 100 Zentimeter
Wasserdruck pro Quadratzoll über
dem atmosphärischen
Druck. Dementsprechend ist der auf dem Fenster 110 ausgeübte Gesamtdruck
umso größer, je
größer der Durchmesser
der jeweiligen Öffnung 108 ist.
Falls eines der Fenster 110 zu dünn ist, könnte ein zu hoher Druck dazu
führen,
dass dieses ballonförmig
ausbaucht (d.h. sich verformt) oder sogar bricht. Allerdings ist
hinsichtlich der Fensters 110 zu beachten, dass die abgestrahlte
Photonenenergie umso stärker geschwächt wird,
je dicker das Material ist. Dementsprechend kann die Dicke der Fenster 110 abhängig von
dem Typ des Materials, dem Durchmesser der Öffnungen 108 und den
Anforderungen an die Durchlässigkeit
variieren.
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Die
Hauptstromvorrichtung 150 enthält eine Basis 152,
eine Infrarot-(IR)-Quelle 154, einen ersten Reflektor 156,
einen zweiten Reflektor 158, ein Interferenzfilter 160 und
einen Detektor 162. Die IR-Quelle 154 und der
Detektor 162 sind an der Oberseite der Basis 152 angebracht.
Der erste Reflektor 156 ist oberhalb der IR-Quelle 154 angeschlossen
und der zweite Reflektor 158 ist in ähnlicher Weise oberhalb des
Detektors 162 angeschlossen, wobei das Interferenzfilter 160 zwischen
dem zweiten Reflektor 158 und dem Detektor 162 eingebettet
ist. Auf diese Weise lässt
sich ein optischer Pfad ausgehend von der IR-Quelle 154 zu
dem ersten Reflektor 156, zu dem zweiten Reflektor 158,
zu dem Interferenzfilter 160 und zuletzt zu dem Detektor 162 beschreiben.
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Die
Basis 152 ist vorzugsweise eine gedruckte Leiterplatte,
die dazu eingerichtet ist, die Hauptstromvorrichtung 150 mit
Leistung zu versorgen. Die Basis 152 kann Signalverarbeitungsschaltkreise
und sonstige Arten von Schaltungen enthalten. Die IR-Quelle 154 ist
dazu eingerichtet, einen IR-Energiestrahl 200 (siehe 5)
von etwa 0,6 Watt zu erzeugen, um eine Analyse der Atmungsgase des Patienten
zu initiieren. Die IR-Quelle 154 ist vorzugsweise eine
IR- Quellen-Minilampe;
in einer Abwandlung kann die IR-Quelle 154 auf sonstigen
IR-Quellen basieren beispielsweise auf einer Glühbirne oder Diode, die in der
Lage ist, IR-Licht auszustrahlen.
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Der
erste und zweite Reflektor 156, 158 sind dazu
eingerichtet, den aus der IR-Quelle 154 stammenden IR-Energiestrahl 200 zu
fokussieren und durch das Fenster 110 hindurch zu reflektieren
bzw. anschließend
einen veränderten
IR-Energiestrahl 202 durch das Auslassfenster 110 zu
dem Detektor 162 zu reflektieren (siehe 5).
Dementsprechend können
der erste und zweite Reflektor 156, 158 beliebig
gestaltet sein, solange sie in der Lage sind, die Fokussierungs-
und Reflektierungsfunktionen hinsichtlich der Strahlen 200, 202 durchzuführen. Beispielsweise
können
der erste und zweite Reflektor 156, 158, wie in 3-4 gezeigt,
eine weitgehend parabolische Form (oder die Form eines Parabelabschnitts)
aufweisen und einander gegenüberliegen.
Weiter können
die Reflektoren 156, 158 aus gespritztem Kunststoff
hergestellt sein, wobei zumindest die nach innen weisenden gekrümmten Seiten mit
einer reflektierenden Beschichtung versehen sind. Die reflektierende
Beschichtung kann eine Aluminiumbeschichtung sein, die mittels eines
Abscheidungs- oder eines sonstigen Beschichtungsverfahrens aufgebracht
ist. Es ist selbstverständlich,
dass in Abwandlungen auch andere Arten reflektierender Beschichtungen
verwendet werden können.
Die oben beschriebenen Materialien ermöglichen den Einsatz sehr kostengünstiger
Reflektoren 156, 158, die in der Herstellung und
hinsichtlich einer fluchtenden Ausrichtung keinen hohen Grad an
Präzision aufzuweisen
brauchen, und die über
ein hohen Prozentsatz an Reflexionsvermögen verfügen.
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Das
Interferenzfilter 160 ist dazu eingerichtet, Umgebungslicht
und sonstige unerwünschte
Wellenlängen
(d.h. Wellenlängen
außerhalb
des Absorptionsbandes des zu überwachenden
Gases) aus dem veränderten
IR-Energiestrahl 202 auszufiltern. Beispielsweise wird
das Interferenzfilter 160 bei 4,26 Mikrometer zentriert
sein, wenn es zur Überwachung von
CO2-Konzentrationen verwendet wird. Allerdings braucht
das Interferenzfilter 160 nicht unbedingt ein sehr genaues
Filter, beispielsweise ein sehr schmales Bandpassfilter, zu sein.
Wie aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, weisen sonstige
Gase, die in den Atemgasen eines Patienten enthalten sind, Absorptionswellenlängenbänder auf,
die sich ausreichend von CO2 unterscheiden,
so dass das bei 4,26 Mikrometer zentrierte Interferenzfilter 160 mögliche Absorptionswellenlängen, die
anderen Gasen entsprechen, nur unwesentlich durchlässt.
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Der
Detektor 162 ist dazu eingerichtet, einen von dem Interferenzfilter 160 ausgegebenen,
auf den Detektor auftreffenden gefilterten Strahl zu erfassen und
den auftreffenden gefilterten Strahl in ein dazu proportionales
(d.h. analoges) elektrisches Signal umzuwandeln, das an die Gaskonzentrationserzeugungseinheit 56 zur
Signalverarbeitung übermittelt wird.
Der Detektor 12 kann auf einer beliebigen der unterschiedlichen
IR-Sensorvorrichtungen basieren, zu denen Bleiselenid-(PbSe)-Detektoren,
pyroelektrische Detektoren und/oder thermoelektrische Detektoren
gehören.
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Wie
in 5 gezeigt, "rastet" die Hauptstromvorrichtung 150 auf
dem Atemwegadapter 100 ein. Der Verbindungsabschnitt 106 des
Atemwegadapters 100 berührt
den ersten und zweiten Reflektor 156, 158 so,
dass ein optischer Pfad von der IR-Quelle 154 durch die
Atemgase des Patienten hindurch und zu dem Detektor 162 zur
Verfügung
steht, ohne die Atemgase des Patienten aus dem Patientenbeatmungskreislauf 16 abzuzweigen
oder mit den Atemgasen des Patienten in unmittelbaren Kontakt zu kommen
(und diese dadurch zu verunreinigen oder in sonstiger Weise zu verändern).
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Der
von der IR-Quelle 154 ausgegebene IR-Energiestrahl 200 bewegt
sich aufwärts,
um auf die nach innen weisende gekrümmte Seite des ersten Reflektors 156 aufzutreffen.
Aufgrund der Krümmung
und der reflektierenden Natur des ersten Reflektors 156 wird
der IR-Energiestrahl 200 reflektiert, um sich durch das
erste der Fenster 110, durch die Atemgase des Patienten
und anschließend
durch das zweite der Fenster 110 zu bewegen, um auf der anderen
Seite des Atemwegadapters 100 auszutreten. Während sich
der IR-Energiestrahl 200 durch den
Atemwegadapter 100 bewegt, wird ein Teil desselben durch
Atemgase des Patienten absorbiert (einschließlich einer Absorption des
Strahls 200, der im Falle einer Überwachung von CO2 eine
Wellenlänge
um etwa 4,26 Mikrometer aufweist). Der restliche Teil des IR-Energiestrahls 200 (d.h.
der verändert IR-Energiestrahl 202)
bewegt sich weiter durch das zweite der Fenster 110 und
wird durch den zweiten Reflektor 158 nach unten auf das
Interferenzfilter 160 und schließlich zu dem Detektor 162 reflektiert.
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Um
das Hauptstromanalysatorsystem 22 so kostengünstig wie
möglich
zu halten, enthält
dieses vorzugsweise keine Referenzfilter- oder Selbstkalibrierungskomponenten.
Statt dessen wird das Hauptstromanalysatorsystem 22 vorzugsweise
das von dem Detektor 162 ausgegebene und zur Signalverarbeitung
zu der Einheit 56 übermittelte
elektrische oder analoge Signal (d.h. ein Hauptstromsignal), mittels
des von dem Analysator 28 ausgegebenen elektrischen oder
analogen Signals (d.h. eines Seitenstromsignals) kalibriert. Der
Prozessor 42 korreliert mehrere Hauptstromsignale mit der
entsprechenden Anzahl von Seitenstromsignalen, um ein Korrelationsmuster
zwischen den beiden Sätzen
von Signalen zu ermitteln. Dieses Korrelationsmuster wird genutzt,
um nachfolgende Hauptstromsignale entsprechend einzustellen, bis
die nächste
Kalibrierung stattfindet. Der Kalibrierungsvorgang lässt sich
innerhalb von zwei Atemzügen
des Patienten 12 (d.h. innerhalb von etwa 20 Sekunden)
vollständig
durchführen.
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Die
an die Bedienungskonsole 44 ausgegebenen kalibrierten Hauptstromsignale
beinhalten sämtliche
Korrekturen, die für
Seitenstromvorrichtungen von Bedeutung sind, z.B. Korrektur von
Störungen
durch Gase, Druckänderungen,
Temperaturänderungen,
Herstellungstoleranzen, Komponentenbeschränkungen und beliebige sonstige
Fehlerquellen, wobei sogar auf eine Werkskalibrierung des Systems 22 verzichtet
werden kann. Nach einer Kalibrierung kann der Seitenstromkreislauf 54 in
den Standby-Modus übergehen
und dadurch Unterbrechungen des Patientenbeatmungskreislaufs 16 (d.h.
ein Abzweigen von Teilen der Atemgase des Patienten von dem Kreislauf 16)
reduzieren.
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Das
System 10 ist ferner konfiguriert, eine erneute Korrelation
durchzuführen
und neue Kalibrierungsparameter zu erzeugen, um die Genauigkeit der
anhand der Hauptstromvorrichtung 150 erzeugten Gaskonzentrationswerte
aufrecht zu erhalten. Eine erneute Kalibrierung kann erfolgen: periodisch automatisch,
auf eine Anforderung durch den Benutzer hin, bei Registrierung einer
Veränderung
des Systems 10 oder der Umgebung (beispielsweise Druck-
oder Temperaturän derung),
bei einem Auftreten von Werten, die für kalibrierte Hauptstromsignale unmöglich sind
(beispielsweise sind dies negative Gaskonzentrationswerte) und/oder
aus einem beliebigen sonstigen Grund.
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Dementsprechend
stehen dem Benutzer durch das Hinzufügen eines wirtschaftlichen
Hauptstromgasanalysatorsystems 22 zu einem herkömmlichen
Seitenstromsystem die Vorteile beider Arten von Vorrichtungen mit
einer vernachlässigbaren
Kostensteigerung zur Verfügung.
Da das Hauptstromgasanalysatorsystem 22 die Verwendung
von Metallkomponenten oder einer Heizvorrichtung auf ein Minimum
reduziert, ist es dem System 22 möglich, seine Temperatur mit
der Raumtemperatur auszugleichen, und eine erneute Kalibrierung
müsste
lediglich aufgrund nachfolgender Änderungen der Raumtemperatur
erfolgen. Darüber
hinaus sind die Materialien und Abmessungen der Komponenten, auf
denen das System 22 basiert, so gewählt, dass die Herstellungstoleranzen
groß sind
und eine fluchtende Ausrichtung nach dem Zusammenbau vernachlässigbar ist.
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Während die
Ausführungsbeispiele
und die Anwendung der in den Figuren veranschaulichten und oben
beschriebenen Erfindung im Vorliegende bevorzugt sind, sollte es
klar sein, dass diese Ausführungsbeispiele
lediglich als Beispiele dargeboten sind. Beispielsweise könnte die
Erfindung, obwohl sie anhand einer medizinischen Anwendung im Zusammenhang
mit einem Patienten gezeigt ist, in Abwandlungen zur Analyse von
Gasen in einem beliebigen Gasstrom verwendet werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann in dem System 10 mehr als ein Hauptstromsystem verwendet
werden, wobei jedes dieser Hauptstromsysteme für die Analyse eines anderen
Gases eingerichtet ist.