EP1154722A1 - Verfahren und einrichtung zur messung eines anteiles eines messgases - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur messung eines anteiles eines messgases

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EP1154722A1
EP1154722A1 EP00985252A EP00985252A EP1154722A1 EP 1154722 A1 EP1154722 A1 EP 1154722A1 EP 00985252 A EP00985252 A EP 00985252A EP 00985252 A EP00985252 A EP 00985252A EP 1154722 A1 EP1154722 A1 EP 1154722A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
measuring
calibration
component
dilution
Prior art date
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Ceased
Application number
EP00985252A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uvo HÖLSCHER
Burkhard Joksch
Thomas Liedtke
Walter Fabinski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Patent GmbH
Original Assignee
ABB Patent GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Patent GmbH filed Critical ABB Patent GmbH
Publication of EP1154722A1 publication Critical patent/EP1154722A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/083—Measuring rate of metabolism by using breath test, e.g. measuring rate of oxygen consumption
    • A61B5/0836—Measuring rate of CO2 production
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    • A61B5/0813—Measurement of pulmonary parameters by tracers, e.g. radioactive tracers
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    • G01N21/59—Transmissivity
    • G01N21/61—Non-dispersive gas analysers

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring a proportion of a measurement gas, in particular in the expiratory air of a patient, according to the preamble of claims 1 and 11.
  • Methods and devices of this type are known from DE 195 38 431.
  • Gas analyzers are used which use optical methods for measuring concentrations or partial pressures of sample gas components, in which the specific interaction of the sample gas component plays a role in transmission with monochromatic or polychromatic light.
  • a well-known representative is nondispersive infrared spectroscopy.
  • receivers are used in non-dispersive infrared spectroscopy methods in which the same receiver gas is used, which corresponds to the measuring gas to be measured or the measuring gas component.
  • a method of this type is known from EP 0 584 897 A1.
  • the non-dispersive infrared spectroscopy measuring method is used for the selective determination of an isotope portion of a measuring gas.
  • the stable carbon isotope 13 C is particularly interesting, especially for medical applications
  • Metabolic diagnosis procedure administered with 13 C-labeled metabolites If the said metabolic products are not metabolized due to, for example, an organic metabolic disorder, the labeled carbon isotope 13 C appears as 13 CO 2 in the patient's expiratory air. in increased concentration.
  • the 12 C0 2/13 C0 2 ratio in the normal exhaled air is altered by the administration of Vietnameseverstoffophten Stoff Schmeduktes 13C, it is considered that 13 C0 2 to be distinguished from the usual 12 C0 2.
  • the vibrational bands of 12 CO 2 and 13 C0 2 overlap, but the molecules have hyperfine structures on which they can be distinguished. However, this requires suitable calibration methods so that such an optical method can be used at all.
  • the measurement task also includes the detection of the smallest changes in the 13 CO 2 components.
  • the measuring effect depends on the partial pressures in the measuring gas consisting of several components.
  • Such a dependency is called carrier gas dependency and plays a relevant role in the differentiation of said isotope.
  • 13 CO 2 or the ratio of 13 CO 2 to 12 CO 2 can be determined.
  • a gas sample with a known 13 C0 2 content or ratio of 13 CO 2 and 12 CO 2 is diluted with C0 2 free ambient air.
  • a fixed calibration point is only given if the partial pressure ratio or volume ratio is appropriate.
  • the signaling offset generated by the carrier gas matrix is determined in this way and is in turn taken into account in the later measurement.
  • an intensive care patient inhales a gas matrix whose partial pressure ratio does not correspond to that of air, since, for example, high-dose or even pure oxygen is administered for inhalation. Accordingly, the patient's expiratory air is of course significantly more oxygen-laden than would be the case when breathing in normal air.
  • the invention is therefore based on the object of a method and a device of the type mentioned, in particular for the application in medical technology area, to improve the measuring method and the device in such a way that the previously set and determined calibration value can be measured without the gas matrix as such having been diluted to such an extent that the measuring effect would be highly error-prone.
  • the essence of the method according to the invention is that, for the exact determination of the isotope portion, the sample gas is diluted in a temporarily closed gas cycle with at least one component until one or more resulting portions or partial pressures of the sample gas accompanying gas components correspond as far as possible to the composition of the previously used calibration gas.
  • Calibration gas of known composition is mixed with a gas of known composition to thereby generate a plurality of calibration gases.
  • the entire original gas matrix of the measurement gas for example O 2 and N 2 in air, is no longer added as a dilution, but only the component in excess.
  • air as the carrier gas matrix of the calibration gas, for example an intensive care patient with a very high oxygen content in the Expiration air would run out, one would dilute with N 2 instead of air.
  • the carrier gas matrix can be reached very quickly in the direction of the calibration R L , that is to say of air, with only small amounts of gas and thus only a small dilution of the measurement gas.
  • the approximation is not asymptotic, as in the case of dilution by air, but this ratio R is cut at a defined point.
  • the dilution based on the sample gas component to be measured is not yet significantly relevant, so that high absolute measurement signals of the sample gas, for example 13 CO 2, can still be determined.
  • the method according to the invention can also be used for other carrier gases and, of course, also other measurement gases than those mentioned here by way of example for medical use. In such a case, it is always logical to proceed as described above.
  • a calibration point is set for a specific solid carrier gas composition, which is also known. If the carrier gas and of course the sample gas or the sample gas component vary in the gas to be analyzed, the carrier gas-dependent variation of the Measured values are eliminated by again mixing the carrier gas component in a suitable manner with the component that is weakly represented in the carrier gas matrix than in the calibration R until the composition of the calibration gas is restored. The resulting carrier gas-dependent offset is now known and also for the respective one
  • Measurement situation applicable and can be subtracted linearly from the measured value.
  • the pure measurement gas-dependent measured value then remains.
  • the measuring cuvette is integrated in a temporarily closed gas circuit which is continuously pumped around in order to achieve a steady state of gas with a homogeneous composition.
  • Sample gas can be admitted via a bypass and dilution gases can be introduced into this closed gas circuit via a further bypass. This enables good and steady conditions to be set and the measurement is then most accurate for a given gas volume.
  • the sample gas and also the dilution gases are introduced via corresponding fine metering elements, corresponding gas sensors being necessary in the sample gas circuit in order to be able to reproducibly adjust the carrier gas ratios according to the calibration point by dilution.
  • Fig. 1 Basic structure of the arrangement according to the invention.
  • Fig. 2 Diagram oxygen, and carbon dioxide depending on the
  • FIG. 1 shows the basic structure of the arrangement according to the invention on which the procedure is also apparent.
  • a patient's breathing gas sample is collected in a bag or a reservoir 10.
  • This reservoir 10 is connected to the arrangement.
  • FIG. 1 shows schematic structure of a non-dispersive infrared spectrometer 20.
  • the measuring cuvette is provided with a gas inlet 21 and a gas outlet 22. Inputs and outputs are connected to one another via a pump 14, so that there is a closed pump gas circuit which is closed and can also be closed externally by valves 12 and 24.
  • a gas outlet of this closed gas circuit is not shown here, so that when the valves 12 and / or 24 are opened, the corresponding part of the sample gas and / or diluent gas can be discharged.
  • the sample gas and the diluent gas are sucked in via the pump 14 via the correspondingly adjustable metering valves 12 and 24, and a correspondingly stationary state within the circuit is generated via a gas outlet (not shown here) from the cycle. If, for example, a certain amount of breathing gas is sucked in from the reservoir 10 via the valve 24, the said valve 24 is opened and a gas outlet in the gas cycle, not shown here, establishes a steady state or flushes the system with measuring gas. Then the valves are closed and the running pump 14 will
  • Sample gas is continuously pumped in said closed pipe system in order to produce an equally distributed homogeneous gas state also within the cuvette between gas inlet 21 and gas outlet 22. Furthermore, an oxygen sensor 11 is arranged within the circuit, with which the oxygen content of the measuring gas or its partial pressure component is measured.
  • the metering valves are arranged within the circuit, with which the oxygen content of the measuring gas or its partial pressure component is measured.
  • Oxygen partial pressure are ventilated when it is in air.
  • the oxygen value is then recognized or read in by sensor 11 via control unit 15 and the appropriate dilution according to the invention or the corresponding dilution process is then initiated.
  • the control unit 15 sends a corresponding signal to the metering valve 12 and, for example, nitrogen is fed into the measuring gas circuit from the reservoir 13.
  • Either discrete dilution steps can be generated by repeatedly opening and closing the valve, or continuous dilution by N 2 takes place .
  • the highly oxygenated is now Expiratory air is diluted with pure nitrogen until the oxygen concentration or the oxygen partial pressure reaches a size at which the spectrometer was calibrated. Calibration usually takes place in air with an oxygen content close to 20.95% by volume.
  • the desired sample gas component in this exemplary embodiment the 13 CO 2 portion or the 13CO2 / 12CO2 ratio, is measured, and the correction value determined during the calibration is subtracted from it.
  • the entire measuring device is controlled by an evaluation unit 16.
  • This evaluation unit 16 is also assigned the detector values of the NDIR spectrometer 20, but is evaluated within this evaluation unit 16 as a function of the controlled states of the gas flow system described.
  • the evaluation unit 16 is followed by a storage unit 17, within which calibration values are stored for correlation with the determined measured values and, moreover, entire measurement protocols can also be stored. Moreover, can
  • Pressure sensors 30 can be provided, with the aid of which the measurement condition can be set as in the case of calibration.
  • FIG. 2 shows the oxygen partial pressure as a function of a number n of dilution steps in the upper part of the figure.
  • the entire spectrometer is calibrated at one
  • the calibration is carried out with air.
  • the one at the calibration point The measured value determined takes into account the carrier gas dependency in the manner described and in this gas composition.
  • the calibration signal obtained is subtracted from the later measurement signal as an offset, so that the difference is the measurement signal of the measurement component which has been cleaned with carrier gas.
  • FIG. 2 shows, a sample gas sample is taken from a patient who inhales strongly oxygen-enriched air or exhales a corresponding expiratory air with a high proportion of oxygen, which is above that of normal air, ie above a volume fraction of 20.95% by volume.
  • the mixture is then diluted with nitrogen in the manner described.
  • the pure nitrogen is either supplied in discrete steps or quasi continuously.
  • the oxygen content or the oxygen partial pressure component drops until it intersects the calibration O 2 line at which calibration was carried out.
  • the approximation to the calibration line is not asymptotic because of the pure nitrogen that is added instead of air, but the 0 2 content intersects the calibration line at a certain point. This ensures that at an early point in time with a relatively low dilution compared to the
  • Measuring component which is 13 CO 2 , for example, can be measured.
  • the sample gas proportion or the sample gas ratio 13 CO 2 to 12 CO 2 is constant over the entire dilution steps, which is shown in the middle diagram in FIG. 2. If only air was used for dilution, the course of the curve would approach the calibration line asymptotically. The consequence of this would be that a sufficient approximation to the calibration line would only be achieved with a sufficiently large dilution. With this large dilution, the absolute portion of 13 CO 2 would be diluted to such an extent that the absolute signal would be highly error-prone. For this reason, it is very early
  • the absolute signal gets smaller with increasing dilution, so it is very important to reach the calibration line very early. It should be repeated again that the calibration line is cut by the dilution with pure nitrogen, during which is only asymptotically approximated to it by air dilution. In the second case, the dilution is so large that the absolute signal C0 2 is too small and therefore too prone to errors.
  • the expiratory air of intensive care patients which is highly oxygenated, is measured. If, on the other hand, breathing gas samples are used in which the expiratory air is significantly below the calibration line with regard to the oxygen fraction, i.e. for example with an oxygen fraction of 16%, then dilution with pure oxygen is recommended in order to quickly as quickly as possible the calibration line at 20.95 vol.% Oxygen to reach.
  • the dilution should always be carried out in such a way that the component which is less represented in the sample gas than the calibration gas is used for the diluting admixture.
  • sample gas matrices are also possible, but in which the system described above is diluted again and again in order to reach the calibration line.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Messung eines Isotopenanteiles eines Messgases, welches Bestandteil eines Gasgemisches ist, insbesondere das der Expirationsluft eines Patienten gemäss Oberbegriff der Patentansprüche (1 und 11). Um hierbei zu erreichen, dass für die Applikation im medizintechnischen Bereich das Messverfahren sowie die Einrichtung dahingehend verbessert wird, dass beim zuvor eingestellten und ermittelten Kalibrationswert gemessen werden kann, ohne dass die Gasmatrix als solches bereits so erheblich verdünnt ist, dass der Messeffekt stark fehlerbehaftet wäre, ist erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass zur exakten Bestimmung des Anteiles, das Messgas in einem temporär geschlossenen Gaszyklus mit mindestens einer Gaskomponente so weit und derart verdünnt wird, bis die resultierenden Anteile bzw. Partialdrücke der Messgasbegleitgaskomponenten der Gaszusammensetzung des zuvorig verwendeten Kalibriergases direkt, statt nur asymptotisch entspricht.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Messung eines Anteiles eines Meßgases
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Messung eines Anteiles eines Meßgases, insbesondere in der Expirationsluft eines Patienten gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.
Verfahren und Einrichtungen dieser Art sind aus der DE 195 38 431 bekannt. Es werden Gasanalysatoren verwendet, die zur Messung von Konzentrationen bzw. Partialdrücken von Meßgaskomponenten optische Verfahren einsetzen, bei welchen die spezifische Wechselwirkung der Meßgaskomponente bei einer Druchstrahlung mit monochromatischem oder polychromatischem Licht eine Rolle spielt. Hierbei ist ein bekannter Vertreter die nichtdispersive Infrarotspektroskopie. Zur Realisierung einer entsprechenden Schmalbandigkeit werden bei nichtdispersiven Infrarotspektroskopieverfahren Empfänger eingesetzt, in denen das gleiche Empfängergas eingesetzt ist, das dem zu messenden Meßgas oder der Meßgaskomponente entspricht. Ein Verfahren dieser Art ist aus der EP 0 584 897 A1 bekannt. Hierbei wird das nichtdispersive Infrarotspektroskopiemeßverfahren zur selektiven Bestimmung eines Isotopenanteiles eines Meßgases eingesetzt.
Besonders interessant, insbesondere für die medizinische Anwendung ist das stabile Kohlenstoffisotop 13 C. So werden einem Patienten für diverse
Stoffwechseldiagnoseverfahren mit 13 C markierte Stoffwechseledukte verabreicht. Werden die besagten Stoffwechseledukte aufgrund einer beispielsweise organisch vorliegenden Stoffwechselstörung nicht verstoffwechselt, erscheint in der Expirationsluft des Patienten das markierte Kohlenstoffisotop 13 C als 13 CO2. in erhöhter Konzentration. Hierbei gilt es nun, das 13 C02 vom üblichen 12 C02 zu unterscheiden, da das 12 C02 / 13 C02 Verhältnis in der normalen Expirationsluft durch die Gabe des nichtverstoffwechselten Stoffwechseleduktes 13C verändert wird. Die Schwingungsbanden von 12 CO2 und 13 C02 überlappen sich zwar, jedoch haben die Moleküle Hyperfeinstrukturen, an denen sie unterschieden werden können. Hierzu bedarf es jedoch geeigneter Kalibrierverfahren, damit eine solche optische Methode überhaupt einsetzbar ist. Zur Meßaufgabe gehört auch der Nachweis kleinster Veränderungen der 13 CO2-Anteile.
Bei der Differenzierung der beiden Moleküle über ihre jeweilige Hyperfeinstruktur muß berücksichtigt werden, daß der Meßeffekt abhängig von den Partialdrücken in dem aus mehreren Komponenten bestehenden Meßgas ist. Eine solche Abhängigkeit nennt man Trägergasabhängigkeit und spielt bei der Differenzierung des besagten Isotopes eine relevante Rolle.
Für den medizinischen Einsatz ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Expirationsluft eines Patienten eine von dem Kalibrierzustand abweichende Zusammensetzung hat. Da die Trägergasempfindlichkeit ein vom jeweiligen Partialdruckverhältnis abweichendes Meßergebnis erzeugt, muß bei der Kalibrierung eine bekannte Trägergasmatrix eingestellt werden, bei der dann die relevante Meßkomponente wie
13 CO2 bzw. das Verhältnis von 13 CO2 zu 12 CO2 ermittelbar ist. Hierzu wird eine Gasprobe mit bekanntem 13 C02 Gehalt bzw Verhältnis von 13 CO2 und 12 CO2 mit C02 freier Umgebungsluft verdünnt. Dabei liegt das Verhältnis R zwischen 02 und N2 immer in der Nähe von RL= 20,95 / 79,05.
Nur bei entsprechendem Partialdruckverhältnis bzw. Volumenverhältnis ist ein fixer Kalibrierpunkt vorgegeben. Der durch die Trägergasmatrix erzeugte signaltechnische Offset wird hierdurch ermittelt und wird wiederum bei der späteren Messung berücksichtigt.
Für den Einsatz im medizinischen Diagnostikbereich sind folgende Sachverhalte zu berücksichtigen. Ein Mensch bzw. ein Patient mit intakten Vitalfunktionen atmet in einer Gasmatrix, wie eben geschildert, knapp 21 Vol. % Sauerstoff und etwa 79 % Stickstoff incl. Edelgase ein, und verstoffwechselt den eingeatmeten Sauerstoff, so daß die Expirationsluft des Patienten einen von 21 Vol. % Sauerstoff kleineren Anteil hat und die Differenz nunmehr zum Teil durch C02 substituiert ist. Würde der Patient nunmehr die so zusammengesetzte Expirationsluft erneut einatmen, so würde der Sauerstoffanteil zu Gunsten des CO2-Anteiles weiter fallen.
Somit ergibt sich, daß bei einer Kalibrierung mit Luft lediglich eine Kalibration bei dem besagten R gegeben ist.
In einem weiteren Fall kann es möglich sein, daß beispielsweise ein Intensivpatient eine Gasmatrix einatmet, die in ihrem Partialdruckverhältnis nicht dem von Luft entspricht, da beispielsweise hochdosierter oder sogar reiner Sauerstoff zum Einatmen verabreicht wird. Demnach ist natürlich die Expirationsluft des Patienten erheblich höher mit Sauerstoff befrachtet, als dies bei Atmung in normaler Luft gegeben wäre.
Aufgrund der eingangs bereits geschilderten Trägergasabhängigkeit ist die Messung in keinem der genannten Fälle exakt durchführbar, da keine Kalibrationsbasis vorliegt. Demzufolge ist die Messung entsprechend trägergasfehlerbehaftet. Die zuvorige Kalibration ist hier unbrauchbar.
Es ist außerdem bekannt, die besagte Expirationsluft mit Luft zu verdünnen bzw. zu ergänzen, um zumindest in die Nähe des Kalibrationspunktes, also des Partialdruckverhältnisses in der genannten Trägergasmatrix zu kommen. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß durch das fest vorgegebene Partialdruckverhältnis zwischen Sauerstoff und Stickstoff in Verdünnungsluft, bei dem zwar kalibriert wurde, jedoch in ein anderes Gas eingemischt wird, es lediglich zu einer asymptotischen Annäherung an das Kalibrations-R kommt. Irgendwann, das heißt bei entsprechend großer Zudosierung wird zwar bei erheblicher Zumischung von Luft das besagte Kalibrationsverhältnis von R = 20,95 Sauerstoff : 79,05 N2 incl. Edelgase angenähert, jedoch ist das Meßgas nunmehr so weit verdünnt, daß der Meßeffekt bzw. der absolute Meßausschlag so stark reduziert ist, daß man sich bereits im Bereich erheblicher
Meßfehler aufhält.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde bei einem Verfahren sowie einer Einrichtung der eingangs genannten Art, insbesondere für die Applikation im medizintechnischen Bereich, das Meßverfahren sowie die Einrichtung dahingehend zu verbessern, daß beim zuvor eingestellten und ermittelten Kalibrationswert gemessen werden kann, ohne daß die Gasmatrix als solches bereits so erheblich verdünnt ist, daß der Meßeffekt stark fehlerbehaftet wäre.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Hinsichtlich einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 11 gelöst.
Weitere vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, daß zur exakten Bestimmung des Isotopenanteiles das Meßgas in einem temporär geschlossenen Gaszyklus mit mindestens einer Komponente soweit verdünnt wird, bis ein oder mehrere resultierende Anteile bzw. Partialdrücke der Meßgasbegleitgaskomponenten soweit wie möglich der Zusammensetzung des zuvorig verwendeten Kalibriergases entspricht.
Darüber hinaus kann diese Übereinstimmung dadurch vereinfacht werden, in dem ein
Kalibriergas mit bekannter Zusammensetzung mit einem Gas bekannter Zusammensetzung vermischt wird, um dadurch eine Vielzahl von Kalibriergasen zu erzeugen. Dadurch entsteht eine Vielzahl von möglichen Kalibrierdaten, von denen die am besten passende ausgewählt werden kann. Hierbei wird im Gegensatz zum genannten Stand der Technik nicht mehr die gesamte ursprüngliche Gasmatrix des Meßgases, beispielsweise O2 und N2 in Luft als Verdünnung zugegeben, sondern nur noch die Komponente im Überschuß. Am Beispiel von Luft als Trägergasmatrix des Kalibriergases, wobei man beispielsweise von einem Intensivpatienten mit einem sehr hohen Sauerstoffanteil in der Expirationsluft ausginge, würde man mit N2 statt mit Luft verdünnen. Dies hat zur Folge, daß man mit lediglich kleinen Gasmengen und somit einer lediglich kleinen Verdünnung des Meßgases die Trägergasmatrix sehr schnell in Richtung des Kalibration-RL, also dem von Luft, herankommt. Die Annäherung erfolgt dabei auch nicht asymptotisch, wie bei der Verdünnung durch Luft, sondern man schneidet dieses genannte Verhältnis R an einem definierten Punkt. An diesem Kalibrationspunkt ist die Verdünnung bezogen auf die zu messende Meßgaskomponente noch nicht erheblich relevant, so daß noch hohe Absolutmeßsignale des Meßgases, beispielsweise 13 CO2 ermittelbar sind. Da im medizinischen Anwendungsfall oftmals die Sauerstoffkonzentration höher liegt, weil beispielsweise Intensivpatienten mit einem erhöhten Sauerstoffanteil beatmet werden, ist das Zumischen oder Verdünnen durch die jeweils schwächer vertretene Komponente, in dem Falle Stickstoff, in der beschriebenen Weise sehr effizient. Konsequenterweise lassen sich jedoch auch Anwendungsfälle konstruieren, in denen der Patient Normalluft atmet, die also im eingeatmeten Zustand der Gaszusammensetzung am Kalibrationspunkt ähnelt. Die
Expirationsluft ist dabei im Sauerstoffanteil jedoch niedriger, zu Gunsten eines Anstieges von CO2.
Damit ist das Trägergas, wiederum abweichend von der Gasmatrixzusammensetzung am Kalibrationspunkt. In diesem Falle ist Sauerstoff schwächer vertreten, und eine
Zudosierung von reinem Sauerstoff führt sehr rasch zum Erreichen der Trägergaszusammensetzung beim Kalibrations-R, nämlich wieder 20,95 Vol. % Sauerstoff. Auf diese Weise wird mit einer minimierten notwendigen Verdünnungsgasmenge das Absolutsignal der Meßgaskomponente im Gesamtträgergashintergrund nur minimal reduziert. Dafür ist aber die Korrektur aus der
Kalibrierung optimal.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch anwendbar auf andere Trägergase und natürlich auch andere Meßgase, als die hier beispielhaft genannten für den medizinischen Einsatzfall. In einem solchen Falle ist immer konsequenterweise wie in der oben dargestellten Art vorzugehen. Bei einer bestimmten festen Trägergaszusammensetzung, die zudem bekannt ist, wird ein Kalibrationspunkt eingestellt. Variiert nun im zu analysierenden Gas das Trägergas und natürlich das Meßgas oder die Meßgaskomponente, so kann die trägergasabhängige Variation des Meßwertes eliminiert werden dadurch, daß man wiederum in der geeigneten Weise mit der in der Trägergasmatrix schwächer vertretenen Komponente als im Kalibrations-R nun die besagte Trägergaskomponente hinzumischt, bis man wieder die Zusammensetzung des Kalibrationsgases hat. Der dadurch bedingte trägergasabhängige Offset ist nunmehr bekannt und auch für die jeweilige
Meßsituation zutreffend und kann linear vom Meßwert abgezogen werden. Übrig bleibt dann der reine meßgasabhängige Meßwert.
Bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung dieser Art ist es erfindungsgemäß so realisiert, daß die Meßkuvette in einen temporär geschlossenen Gaskreis eingebunden ist, welcher zur Erreichung eines stationären Gaszustandes homogener Zusammensetzung permanent umgepumpt wird. Über einen Bypass ist Meßgas einlaßbar sowie über einen weiteren Bypass sind Verdünnungsgase in diesen geschlossenen Gaskreislauf einbringbar. Hierdurch können gute und stationäre Verhältnisse eingestellt werden und die Messung ist für ein gegebenes Gasvolumen dann am genauesten. Die Einbringung des Meßgases sowie auch der Verdünnungsgase erfolgt über entsprechend Feindosierelemente, wobei entsprechende Gassensoren im Meßgaskreislauf notwendig sind, um die besagten Trägergasverhältnisse gemäß Kalibrationspunkt auch reproduzierbar durch Verdünnung einstellen zu können.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 : Prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung.
Fig. 2: Diagramm Sauerstoff, sowie Kohlendioxid in Abhängigkeit zu den
Verdünnungsschritten.
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung an der auch die Verfahrensweise ersichtlich ist. In einem Beutel oder einem Reservoir 10 wird in einem Ausführungsbeispiel eine Atemgasprobe eines Patienten gesammelt. Dieses Reservoir 10 wird an die Anordnung angeschlossen. Dargestellt ist desweiteren nur der schematische Aufbau eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers 20. Die Meßkuvette ist mit einem Gaseinlaß 21 und einem Gasauslaß 22 versehen. Ein- und Ausgänge werden über eine Pumpe 14 miteinander verbunden, so daß sich ein geschlossener und über die Ventile 12 und 24 auch nach extern schließbarer geschlossener Umpumpgaskreislauf ergibt. Hier nicht weiter dargestellt ist ein Gasauslaß dieses geschlossenen Gaskreislaufes, so daß, wenn die Ventile 12 und/oder 24 geöffnet werden, das entsprechende Teil des Probengases und/oder Verdünnungsgases abgelassen werden kann. Über die Pumpe 14 wird über die entsprechend einstellbaren Dosierventile 12 und 24 das Probengas und das Verdünnungsgas angesaugt und über einen hier nicht weiter dargestellten Gasaustritt aus dem Zyklus ein entsprechend stationärer Zustand innerhalb des Kreislaufes erzeugt. Wird beispielsweise über das Ventil 24 aus dem Reservoir 10 eine bestimmte Menge Atemgas angesaugt, so wird das besagte Ventil 24 geöffnet und ein hier nicht weiter dargestellter Gasaustritt im Gaszyklus stellt einen stationären Zustand her oder spült das System mit Meßgas. Sodann werden die Ventile geschlossen und über die laufende Pumpe 14 wird das
Meßgas im besagten abgeschlossenen Rohrsystem ständig umgepumpt, um einen gleich verteilten homogenen Gaszustand auch innerhalb der Küvette zwischen Gaseintritt 21 und Gasaustritt 22 zu erzeugen. Desweiteren ist innerhalb des Kreislaufes ein Sauerstoffsensor 1 1 angeordnet, mit welchem der Sauerstoffgehalt des Meßgases bzw. sein Partialdruckanteil gemessen wird. Dabei werden die Dosierventile
12 und 24 sowie die Pumpe 14 und der Sauerstoffsensor 1 1 über ein Steuergerät 15 angesteuert. Wird über den Sauerstoffsensor 1 1 ein entsprechend vom Kalibrationspunkt abweichender Sauerstoffpartialdruck ermittelt, in den meisten Fällen höher als auf dem Kalibrationspunkt, immer dann, wenn die Patienten, deren Expirationsluft im Reservoir 10 gesammelt ist, mit einem höheren
Sauerstoffpartialdruck beatmet werden, als dieser in Luft vorliegt. Sodann wird der Sauerstoffwert von Sensor 1 1 über das Steuergerät 15 erkannt bzw. eingelesen und daraufhin die entsprechende erfindungsgemäße Verdünnung bzw. der entsprechende Verdünnungsprozeß in die Wege geleitet. So wird vom Steuergerät 15 ein entsprechendes Signal auf das Dosierventil 12 gegeben und aus dem Reservoir 13 wird beispielsweise Stickstoff in den Meßgaskreislauf eingespeist. Dabei können entweder diskrete Verdünnungsschritte durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Ventiles erzeugt werden, oder es erfolgt eine kontinuierliche Verdünnung durch N2. Wie später noch weiter dargestellt ist, wird nun die hoch Sauerstoff angereicherte Expirationsluft mit reinem Stickstoff soweit verdünnt werden, bis die Sauerstoffkonzentration bzw. der Sauerstoffpartialdruck eine Größe erreicht, bei welcher das Spektrometer kalibriert wurde. Üblicherweise findet die Kalibration in Luft statt mit einem Sauerstoffanteil in der Nähe von 20,95 Vol. %.
Ist nun das Meßgas soweit verdünnt, bis die besagte Sauerstoffkonzentration erreicht ist, so wird die gewünschte Meßgaskomponente, in diesem Ausführungsbeispiel der 13 CO2-Anteil bzw das 13CO2 / 12CO2 - Verhältnis gemessen, und der entsprechend bei der Kalibration ermittelte Korrekturwert davon subtrahiert.
Da innerhalb des Leitungssystems zwischen Meßküvettenausgang 21 und Meßküvettenausgang 22 in sich geschlossen ist, ist über die besagten Dosierventile 12 und 24 der besagte Meßzustand erreichbar und immer wieder reproduzierbar. Dieses Beispiel gilt für den Fall der Untersuchung der Expirationsluft von Intensivstationpatienten. Diesen wird häufig eine stark sauerstoffangereicherte Luft verabreicht, so daß der besagte Kalibrationspunkt bzw. eine entsprechende Messung am Kalibrationspunkt durch die entsprechende N2-Verdünnung erreicht werden muß.
Die gesamte Meßeinrichtung wird über eine Auswerteeinheit 16 gesteuert. Dieser Auswerteinheit 16 kommen auch die Detektorwerte des NDIR-Spektrometers 20 zu, werden jedoch innerhalb dieser Auswerteeinheit 16 in Abhängigkeit der gesteuerten Zustände des beschriebenen Gaslaufsystems zugeordnet ausgewertet. Der Auswerteeinheit 16 ist eine Speichereinheit 17 nachgeordnet, innerhalb der Kalibrationswerte zur Korrelation mit den ermittelten Meßwerten abgespeichert werden und überdies auch gesamte Meßprotokolle abspeicherbar sind. Überdies können
Drucksensoren 30 vorgesehen sein, mit deren Hilfe die Meßbedingung wie im Kalibrationsfall eingestellt werden können.
Figur 2 zeigt im oberen Bildteil den Sauerstoffpartialdruck in Abhängigkeit zu einer Anzahl n Verdünnungsschritten. Das gesamte Spektrometer ist kalibriert bei einem
Partialdruckverhältnis zwischen Sauerstoff und Stickstoff in der Nähe von R = 20,95 / 79,05.
Die Kalibration ist in diesem Fall mit Luft durchgeführt. Der beim Kalibrationspunkt ermittelte Meßwert berücksichtigt die Trägergasabhängigkeit in der beschriebenen Weise und in dieser Gaszusammensetzung. Das erhaltene Kalibrationssignal wird als Offset vom späteren Meßsignal abgezogen, so daß die Differenz das trägergasbereinigte Meßsignal der Meßkomponente ist. Wie Figur 2 darstellt, wird eine Meßgasprobe genommen von einem Patienten, der stark sauerstoffangereicherte Luft einatmet bzw. eine entsprechende Expirationsluft mit hohem Sauerstoffanteil ausatmet, der über dem von normaler Luft, also über einem Volumenanteil von 20,95 Vol. % liegt. Sodann wird in der beschriebenen Weise mit Stickstoff verdünnt. Der reine Stickstoff wird dabei entweder in diskreten Schritten oder quasi kontinuierlich zugeführt. In Abhängigkeit zu einer Anzahl n Verdünnungsschritten sinkt der Sauerstoffgehalt bzw. der Sauerstoffpartialdruckanteil, bis er die Kalibrations-O2-linie schneidet, bei dem kalibriert wurde. Die Annäherung an die Kalibrationslinie ist wegen des reinen Stickstoffs, der zugemischt wird statt Luft, nicht asymptotisch sondern der 02-Gehalt schneidet an einem gewissen Punkt die Kalibrationslinie. Hierdurch wird erreicht, daß zu einem frühen Zeitpunkt mit noch relativ geringer Verdünnung gegenüber der
Meßkomponente, die hierbei beispielsweise 13 CO2 ist, gemessen werden kann.
Selbstredend ist natürlich der Meßgasanteil oder das Meßgasverhältnis 13 CO2 zu 12 CO2 über die gesamten Verdünnungsschritte hinweg konstant, was im mittleren Diagramm der Fig. 2 gezeigt ist. Würde eine Verdünnung nur mit Luft vorgenommen, so würde sich der Verlauf der Kurve asymptotisch an die Kalibrationslinie annähern. Dies hätte zur Konsequenz, daß nur bei entsprechend hinreichend großer Verdünnung eine hinreichende Annäherung an die Kalibrationslinie erreicht würde. Bei dieser großen Verdünnung wäre der Absolutanteil von 13 CO2 so stark verdünnt, daß das Absolutsignal stark fehlerbehaftet wäre. Aus diesem Grund ist ein sehr frühes
Erreichen des Kalibrationspunktes mit einer entsprechend erfindungsgemäßen vorgenommenen Verdünnung mit der reinen Gaskomponente entsprechend wirksamer und es kann zu einem früheren Zeitpunkt gemessen werden.
Das untere Diagramm zeigt noch einmal die Abhängigkeit der Meßgaskomponente
CO2 in Abhängigkeit von den Verdünnungsschritten. Natürlich wird das Absolutsignal kleiner, mit zunehmender Verdünnung, von daher ist jedoch ein sehr frühes Erreichen der Kalibrationslinie von großer Bedeutung. Nochmals sei wiederholt, daß durch die Verdünnung mit reinem Stickstoff die Kalibrationslinie geschnitten wird, während dem über eine Verdünnung durch Luft an dieselbe nur asymptotisch angenähert wird. Im zweitgenannten Falle wird die Verdünnung so groß, daß das Absolutsignal C02 zu klein und damit zu stark fehlerbehaftet wird.
Im oben genannten Ausführungsbeispiel wird die Expirationsluft von Intensivpatienten, die stark sauerstoffangereichert ist, gemessen. Werden dagegen Atemgasproben verwendet, bei denen die Expirationsluft hinsichtlich des Sauerstoffanteils deutlich unter der Kalibrationslinie liegt, das heißt beispielsweise bei einem Sauerstoffanteil von 16 %, so empfiehlt sich die Verdünnung mit reinem Sauerstoff, um möglichst rasch die Kalibrationslinie bei 20,95 Vol. % Sauerstoff zu erreichen.
Grundsätzlich läßt sich somit sagen, daß auch für andere Gaszusammensetzungen, für andere Trägergasmatrizen und andere Meßgaskomponenten die Verdünnung immer so vorgenommen werden sollte, daß die gegenüber dem Kalibrationsgas im Meßgas geringer vertretene Komponente zur verdünnenden Zumischung verwendet wird. Das heißt im zuerst genannten Falle bei einem weit überhöhten Sauerstoffanteil, sollte die Zumischung durch reinen Stickstoff erfolgen, währenddem bei einem unter der Kalibrationslinie liegenden Sauerstoffgehalt mit Sauerstoff verdünnt werden sollte. In beiden genannten Fällen wird sehr rasch die Kalibrationslinie erreicht.
Insgesamt sind auch andere Meßgasmatrizen möglich, in der jedoch immer wieder mit der oben dargestellten Systematik verdünnt wird, um die Kalibrationslinie zu erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung eines Anteiles eines Meßgases, welches Bestandteil eines Gasgemisches ist, insbesondere das der Expirationsluft eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, daß zur exakten Bestimmung des Anteiles, das Meßgas in einem temporär geschlossenen Gaszyklus mit mindestens einer Gaskomponente so weit und derart verdünnt wird, bis ein oder mehrere resultierende Anteile bzw. Partialdrücke der Meßgasbegleitgaskomponenten der Gaszusammensetzung des zuvorig verwendeten Kalibriergases entsprechen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das verwandte Spektroskopieverfahren die nichtdispersive Infrarotspektroskopie ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isotopenanteil 13 CO2 zu 12 CO2 im Verhältnis gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdünnung des Meßgases durch diejenige Komponente vorgenommen wird, die geringer vertreten ist, bzw. in ihrer Zusammensetzung unterhalb des Kalibrationszusammensetzung liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Meßgaskreislauf durch Kreispumpungen umgewälzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geken nzeichnet, daß innerhalb des geschlossenen Meßgassystems eine Bestimmung der Begleitgaskomponenten erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung mittels einer Eichkurve abgespeichert und bei Verdünnung bis Kalibriergaszusammensetzung durch Korrektur des bekannten Trägergasoffsets in jede Messung einfließt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgas Expirationsluft von Patienten im medizinischen Bereich verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgas als Expirationsluft bzw. Atemgas aus Beuteln oder Reservoiren ins System gesaugt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Interpolation der Eichkurve bzw. der Kalibrationskurve vorgenommen wird.
11. Einrichtung zur Messung eines Anteils eines Meßgases, welches Bestandteil eines Gasgemisches ist, insbesondere das der Expirationsluft eines Patienten, mit Hilfe einer optischen Spektroskopieeinrichtung, dadurch geken nzeichnet, daß die Meßkuvette der Spektroskopieeinrichtung (20) in einem geschlossenen Gaskreislauf im Umpumpverfahren angeordnet ist und daß der besagte Gaskreislauf mit Bypässen für den Meßgaseinlaß und den Verdünnungsgaseinlaß versehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß Drucksensoren (30) vorgesehen sind.
13. Einrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoffsensor (11) innerhalb des geschlossenen Gaskreislaufes der Meßkuvette vorgesehen ist.
14. Einrichtung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gaseinlässe über Regelelemente (12, 24) vorgesehen sind, welche über eine Steuereinheit (15) über die Auswerteeinheit (16) der Spektroskopieeinrichtung ansteuerbar sind.
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