DE60300344T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Zusammensetzung eines zweikomponentigen Atemgasgemisches - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Zusammensetzung eines zweikomponentigen Atemgasgemisches Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Zusammensetzung eines Zweikomponenten-Atemgasgemisches, insbesondere eines Luft-Sauerstoff-Gemisches, das mittels einer mechanischen Atemhilfe, wie beispielsweise ein Patientenventilator oder ein Inhalationssystem zur Verabreichung eines Narkosemittels, zugeführt werden soll.
  • Es ist bekannt, eine mechanische Atemhilfe bereitzustellen, die dafür ausgelegt ist, einem Patienten ein Gemisch aus Gasen, wie z. B. ein mit Sauerstoff angereichertes Luftgemisch oder ein Gemisch aus Distickstoffmonoxid (N2O) in einem Atemgas, als Atemgas zuzuführen. Die Atemhilfe ist mit einem Einlass für eine erste Komponente, wie z. B. Luft oder ein anderes Atemgas, des Atemgasgemisches versehen. Diese erste Komponente kann aus der Atmosphäre in die Atemhilfe eingesogen oder aus einer Druckquelle zur Verfügung gestellt werden. Ferner ist die Atemhilfe mit einem Einlass für eine zweite Komponente, wie z. B. Sauerstoff oder N2O, des Zweikomponentengemisches versehen, die üblicherweise aus einer Druckquelle geliefert wird, sowie mit einem Auslass für ein Atemgasgemisch. Automatische Durchflussregelventile sind häufig mit einem der beiden Einlässe oder mit beiden verbunden und können betätigt werden, um abhängig von einem tatsächlich gemessenen Luft-Sauerstoff-Gemisch und einem gewünschten Luft-Sauerstoff-Gemisch des Atemgases den Gasfluss durch dieselben hindurch einzustellen. Ein Gassensor ist in Gasverbindung zu dem Gemisch angeordnet, um den Anteil der einen oder der anderen Komponente in dem Gemisch, wie beispielsweise den Sauerstoffanteil, zu überwachen und ein dieses anzeigendes Ausgangssignal zu liefern. Für gewöhnlich ist eine Steuerung vorgesehen und derart angeordnet, dass sie betriebsfähig mit dem Sensor und den Ventilen verbunden ist, um den Durchfluss durch den dazugehörigen Einlass abhängig von dem Sensorausgangssignal zu variieren. Üblicherweise ist der Gassensor ein chemischer Sensor, der heutzutage im Vergleich zu der erwarteten Lebensdauer der mechanischen Atemhilfe eine ziemlich begrenzte Lebensdauer hat. Es ist ein Gassensor erhältlich, der auf die paramagnetischen Eigenschaften der zu überwachenden Komponente, beispielsweise Sauerstoff, anspricht und nicht die begrenzte Lebensdauer des chemischen Sensors aufweist. Diese Art von Sensor ist jedoch im allgemeinen kostspielig und reagiert empfindlich auf mechanische Schwingungen, die in den meisten mechanischen Atemhilfen auftreten. Ein Atemgerät, das einen derartigen Gassensor enthält, ist bereits aus der DE-U-296 22 617 bekannt. Dieses Dokument bildet den nächstliegenden Stand der Technik und offenbart eine Überwachungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Zusammensetzung eines Zweikomponenten-Atemgasgemisches gemäß einem Verfahren überwacht, wie es im vorliegenden Anspruch 1 beschrieben und durch denselben gekennzeichnet ist. Die Mengen einer der beiden oder beider Komponenten werden indirekt durch den Vergleich des jeweiligen Feuchtigkeitsgehalts in den Gaskomponenten und in dem Gemisch bestimmt. Dies ermöglicht die Verwendung eines relativ robusten und kostengünstigen Feuchtigkeitssensors anstelle des zuvor verwendeten Gassensors.
  • Zweckmäßigerweise kann einer der Gaskomponenten Feuchtigkeit zugefügt werden, um einen deutlichen Unterschied im Feuchtigkeitsgehalt zwischen den beiden Komponenten vorzusehen und dadurch die Genauigkeit des Verfahrens zu verbessern.
  • Vorzugsweise kann die Feuchtigkeit zugefügt werden, um einen vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt in der ausgewählten Gaskomponente zu erreichen. Auf den Feuchtigkeitssensor, dem die Überwachung des Feuchtigkeitsgehaltes in der ausgewählten Gaskomponente zugeordnet ist, kann dann verzichtet werden, und ein Wert für den vorgegebenen Feuchtigkeitsgehalt kann dann direkt vorgesehen werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Überwachungsvorrichtung vorgesehen, wie sie im vorliegenden Anspruch 4 beschrieben und durch denselben gekennzeichnet ist, um eine Zusammensetzung eines Zweikomponenten-Atemgasgemisches zu überwachen, wobei die Vorrichtung gemäß dem Verfahren des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung arbeitet.
  • Im folgenden wird die Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung der beigefügten Figur beschrieben:
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Atemhilfe, in der eine Überwachungsvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integriert ist.
  • Es wird nun auf 1 eingegangen, in der eine mechanische Atemhilfe 2, wie z. B. ein Patientenventilator, schematisch dargestellt ist. Die Atemhilfe 2 hat einen allgemein bekannten Aufbau, und so werden nur die Elemente beschrieben, die für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind.
  • Die Atemhilfe 2 ist mit einem Einlass 4, im vorliegenden Beispiel für Sauerstoff, und mit einem Einlass 6, im vorliegenden Beispiel für Umgebungsluft, versehen. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Gaskomponenten eines Atemgases anstelle oder zusätzlich zu der Luft und dem Sauerstoff des vorliegenden Ausführungsbeispiels vorgesehen werden können, ohne dass der beanspruchte Schutzumfang der Erfindung verlassen wird.
  • Leitungen 8, 10 sind mit den Einlässen 4, 6 verbunden und definieren innere Strömungswege innerhalb der Atemhilfe 2 für Sauerstoff bzw. Luft. Die Leitung 8 verbindet den Sauerstoffeinlass 4 mit einer Mischeinheit 12 über ein automatisches Durchflussregelventil 14, das Teil der Mischeinheit 12 sein kann. Die Leitung 10 verbindet den Lufteinlass 6 mit der Mischeinheit 12 und im vorliegenden Beispiel mit einem Auslass 16. Ein Zweiwegeventil 18 in der Leitung 10 kann automatisch betätigt werden, um wahlweise entweder die Mischeinheit 12 oder den Luftauslass 16 mit dem Lufteinlass 6 zu verbinden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Gebläse 20 in Verbindung mit der Leitung 10 angeordnet und dient dazu, Luft durch den Einlass 6 von außerhalb der Atemhilfe 2 anzusaugen. Alternativ dazu können andere Mittel zum Ansaugen von Luft, wie z. B. eine Pumpe, vorgesehen werden, oder der Einlass 6 kann mit einer externen Druckluftquelle verbunden werden.
  • In dem vorliegenden Beispiel arbeitet das Gebläse 20 kontinuierlich während eines Atemzyklus eines Patienten, und das Zweiwegeventil 18 kann betätigt werden, um den Luftstrom während einer Exspirationsphase des Atemzyklus des Patienten zum Auslass 16 umzuleiten. Eine Leitung 22 sorgt für einen inneren Strömungsweg für Gas von der Mischeinheit 12 zu einem Auslass 24, der im Gebrauch mit einer Inspirationsseite eines Patientenschlauchkreislaufes (nicht gezeigt) zur weiteren Übertragung an die Atemwege eines Patienten verbunden wird. Eine weitere Leitung 26 verbindet einen Einlass 28, der im Gebrauch mit einer Exspirationsseite des Patientenschlauchkreislaufes verbunden wird, mit einem Auslass 30. Die Leitung 26 ist ferner mit einer Feuchtigkeitsaustausch einheit 32 verbunden, wie dies auch die Leitung 10 für die Luft ist. Die Feuchtigkeitsaustauscheinheit 32 arbeitet auf bekannte Weise, um dem die Leitung 26 durchströmenden Exspirationsgas Feuchtigkeit zu entziehen und diese dem die Leitung 10 durchfließenden Inspirationsgas zuzuführen. Weitere bekannte Befeuchter können an die Stelle der Austauscheinheit 32 treten, und vorteilhafterweise handelt es sich um einen Befeuchter, der dazu dient, eine Wasserdampfmenge in die Luft in der Leitung 10 einzubringen, um einen vorgegebenen relativen Feuchtigkeitsgehalt für die von der Leitung 10 in die Mischeinheit 12 strömende Luft zu erreichen.
  • Alternativ dazu kann Feuchtigkeit in den Sauerstoff eingebracht und größtenteils Trockenluft der Mischeinheit 12 zugeführt werden. Es ist wichtig, dass der Feuchtigkeitsunterschied zwischen den beiden Komponenten ausreichend groß ist, damit vermieden wird, dass bei den nachstehend im Detail aufgeführten Berechnungen wesentliche Fehler gemacht werden. Daher bevorzugt man, dass eine der Komponenten, die der Mischeinheit 12 zugeführt wird, im wesentlichen frei von Feuchtigkeit ist.
  • Da der Feuchtigkeitsgehalt der Luft, die in der Leitung 10 vorhanden ist und die aus der Feuchtigkeitsaustauscheinheit austritt, nicht bekannt ist, wird ein Feuchtigkeitssensor 34, wie er beispielsweise bei Honeywell erhältlich ist und dazu dient, Veränderungen der elektrischen Kapazität zu überwachen, vorgesehen, um einen relativen Feuchtigkeitswert für die Luft an einer Stelle zwischen dem Befeuchter 32 und der Mischeinheit 12 zu ermitteln. Ähnliche Sensoren 36, 38 sind vorgesehen, um einen relativen Feuchtigkeitswert für den Sauerstoff (Sensor 36) und für das Sauerstoff-Luft-Gemisch (Sensor 38) zu ermitteln. Wenn die relative Feuchtigkeit von Luft oder Sauerstoff oder von beiden bekannt ist, kann auf den dazugehörigen Sensor verzichtet werden.
  • Das Ausgangssignal jedes der Sensoren 34, 36, 38, das den relativen Feuchtigkeitsgehalt in der Luft, im Sauerstoff bzw. im Sauerstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Atemhilfe 2 anzeigt, wird einem Datenprozessor 40 zugeführt, der ein mittels Standard-Programmierverfahren programmierter Mikrocomputer sein kann. Es wird darauf hingewiesen, dass im Falle eines festgesetzten Feuchtigkeitsgehaltes der Luft in der Leitung 10 oder des Sauerstoffes in der Leitung 8 oder von beiden, beispielsweise auf Null, der Wert des relativen Feuchtigkeitsgehaltes für das Gas, in dem er festgesetzt ist, dem Datenprozessor 40 auf eine Vielzahl nicht erfin derischer Wege zugeführt werden kann. Der Wert kann beispielsweise in eine Speichervorrichtung innerhalb des Datenprozessors 40 vorgeladen oder von einem Benutzer unter Verwendung einer Dateneingabevorrichtung (nicht gezeigt) eingegeben werden, wie beispielsweise eine Tastatur oder eine Touchscreen, die betriebsfähig mit dem Datenprozessor 40 verbunden ist.
  • Der Datenprozessor 40 ist so programmiert, dass er in dem vorliegenden Beispiel den Prozentsatz an Sauerstoff berechnet, der der Luft gemäß den folgenden Gleichungen zugeführt wird: RHO2·x + RHLuft·y = RHGem. (1)wobei RHO2 der relative Feuchtigkeitswert für den zugefügten Sauerstoff, RHLuft der relative Feuchtigkeitswert für Luft und RHGem. der relative Feuchtigkeitswert für das Sauerstoff-Luft-Gemisch ist.
  • x und y sind die Anteile an zugefügtem Sauerstoff bzw. Luft, so dass x + y = 1 (2)und
  • Figure 00050001
  • Da Luft bereits etwa 20,9% Sauerstoff umfasst, kann dann der Prozentsatz des Gesamtsauerstoffes, %O2, in der Luft wie folgt berechnet werden: %O2 = (x + y·0,209)·100 (4)
  • Ein von dem berechneten Prozentsatz abhängiges Signal wird aus dem Datenprozessor 40 ausgegeben und kann in dem vorliegenden Beispiel einer Steuereinheit 42 zugeführt werden, in der es bei der Erzeugung eines Steuersignals eingesetzt werden kann, das verwendbar ist, um die relativen Anteile an Sauerstoff und Luft zu regulieren, die von den dazugehörigen Leitungen 8, 10 in die Mischeinheit 12 strömen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein empfindlicher Alarm (nicht gezeigt) betrieben werden, wenn der so berechnete Prozentsatz eine Ab weichung von einem Erwartungswert anzeigt. In dem vorliegenden Beispiel ist die Steuereinheit 42 derart konfiguriert, dass sie das Durchflussregelventil 14, das zur Sauerstoffleitung 8 gehört, automatisch einstellt, um den Sauerstofffluss in die Mischeinheit 12 zu regulieren und dadurch ein gewünschtes Gemisch zu erreichen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die obigen Gleichungen (1–3) auf eine allgemeine Formel gebracht und angewandt werden können, um die Zusammensetzung eines beliebigen Zweikomponenten-(Komp1 und Komp2)-Atemgasgemisches (Gem.) wie folgt zu berechnen: RHKomp1·x + RHKomp2·y = RHGem. (5) x + y = 1 (6)und
  • Figure 00060001
  • Ferner wird darauf hingewiesen, dass eines der Komponentengase Komp1, Komp2 oder beide selbst ein Mehrfachkomponentengemisch sein können und entweder direkt einem Einlass der Atemhilfe zugeführt oder innerhalb der Atemhilfe aus Komponentengasen, die einem dazugehörigen Einlass zugeführt werden, gebildet werden können. Darüber hinaus kann das Gemisch aus den Zweikomponentengasen Komp1, Komp2 selbst eine Komponente eines weiteren Zweikomponenten-Gemisches bilden, dessen Zusammensetzung unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung überwacht werden kann.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Überwachen einer Zusammensetzung eines Atemgasgemisches, das eine erste Gaskomponente und eine zweite Gaskomponente enthält, gekennzeichnet durch die Schritte: Zuführen einer Anzeige eines Wertes für den Feuchtigkeitsgehalt der ersten Gaskomponente vor dem Mischen in einen Datenprozessor (40), Zuführen einer Anzeige eines Wertes für den Feuchtigkeitsgehalt der zweiten Gaskomponente vor dem Mischen in den Datenprozessor (40), Messen eines Wertes für den Feuchtigkeitsgehalt der Mischung, Zuführen einer Anzeige des gemessenen Wertes für den Feuchtigkeitsgehalt der Mischung in den Datenprozessor (40), und Bestimmen eines Wertes, der die Menge der ersten Gaskomponente oder der zweiten Gaskomponente oder beider in dem Gemisch angibt, in dem Datenprozessor (40) unter Verwendung der zugeführten Werte für den Feuchtigkeitsgehalt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es den zusätzlichen Schritt des Zuführens von Feuchtigkeit in die erste Gaskomponente oder in die zweite Gaskomponente umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeit zugeführt wird, um einen vorgegebenen Feuchtigkeitsgrad zu erreichen.
  4. Überwachungsvorrichtung (2) zum Überwachen einer Zusammensetzung eines Atemgasgemisches, das eine erste Gaskomponente und eine zweite Gaskomponente enthält, umfassend einen Datenprozessor (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung erste Mittel (34) umfasst, die betriebsfähig sind, um einen Wert für den Feuchtigkeitsgehalt der ersten Gas komponente vor dem Mischen zu erhalten und diesen dem Datenprozessor (40) zugänglich zu machen, zweite Mittel (36), die betriebsfähig sind, um einen Wert für den Feuchtigkeitsgehalt der zweiten Gaskomponente vor dem Mischen zu erhalten und diesen dem Datenprozessor (40) zugänglich zu machen, sowie Sensormittel (38), die betriebsfähig sind, um einen Wert für den Feuchtigkeitsgehalt des Atemgasgemisches zu messen und diesen dem Datenprozessor (40) zugänglich zu machen, wobei der Datenprozessor (40) derart konfiguriert ist, dass er einen Wert, der die Menge der ersten Gaskomponente oder der zweiten Gaskomponente oder beider in der Mischung angibt, unter Verwendung der zugeführten Werte für den Feuchtigkeitsgehalt bestimmt und abhängig von der Bestimmung eine Ausgabe bereitstellt.
  5. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Befeuchter (32) vorgesehen ist, der dazu geeignet ist, der ersten Gaskomponente oder der zweiten Gaskomponente Feuchtigkeit zuzuführen.
  6. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten oder die zweiten Mittel oder beide einen Sensor (34, 36) umfassen, der betriebsfähig ist, um den Wert für den Feuchtigkeitsgehalt zu messen und diesen dem Datenprozessor (40) zugänglich zu machen.
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