FI78231C - Maetanordning foer metaboliska storheter anslutbar till en respirator. - Google Patents

Description

1 78231

Respiraattoriin kytkettävä metabolisten suureiden mittauslaite. -Mätanordning för metaboliska storheter anslutbar tili en respirator.

Sairaalan teho-osastolla hoidettava kriittisesti sairas potilas saa ravintonsa tavallisesti parenteraalisesti eli nestemäisessä muodossa suoraan laskimoon. Koska sairaus ja vammat saattavat muuttaa potilaan aineenvaihduntaa ja energiankulutusta huomattavasti pituuden, painon, iän ja sukupuolen määräämästä standardikulutuksesta, jota normaalisti käytetään ravinnontarpeen arvioinnin perustana, on herännyt voimakas mielenkiinto pyrkiä mittaamalla selvittämään kriittisesti sairaan määrällinen ja laadullinen ravinnontarve. Tämä on mahdollista ns. epäsuoran kalorimetrian avulla, jossa hengityskaasujen vaihduntaa mittaamalla voidaan hapenkulutusta tietyssä tasapainotilassa laskea energiankulutus ja hiilidioksidin tuoton ja hapenkulutuksen suhteesta päätellä poltetun ravinnon laatu.

Valtaosa teho-osaston potilaista on kytketty hengityksen ylläpitämiseksi respiraattoriin, joten mainittu kaasunvaihtomittaus pitäisi voida suorittaa respiraattoriin kytkettävällä laitteella, joka on riippumaton respiraattorimerkistä ja toimintaperiaatteesta.

Respiraattorivalmistajista ainakin ruotsalaiset Engström Medical Ab ja Siemens-Elema ovat kehittäneet Engström Erica ja Siemens Servo Ventilator 900 -sarjaan liitettävät metabolimittauslaitteet, jotka kuitenkin käyttävät osittain respiraattorin itsensä antureista saatavaa tietoa, eikä niitä siten voida käyttää muuten kuin mainittujen laitteiden lisälaitteena.

Mittausteknisesti ongelmaksi on muodostunut erityisesti virtausmit-taus, jota tarvitaan kaasujen pitoisuusmittauksen lisäksi hapenkulutuksen ja hiilidioksidintuoton laskemisessa. Virtausantureitten tarkkuus ja luotettavuus joutuvat kovalle koetukselle kliinisissä olosuhteissa, erityisesti kosteuden ja potilaasta tulevien eritteiden likaavan vaikutuksen johdosta. Tämä ongelma on ratkaistu keksinnönmu-kaisella menetelmällä, jonka tunnusomaiset piirteet on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1. Vaatimuksessa 2 on esitetty menetelmän toteutettavan laitteen tunnusmerkit. Tässä keksinnössä hiilidioksidin 2 78231 otto ja hapenkulutus mitataan tavalla, joka ei vaadi lainkaan hengityskaasun virtauksen suoraa mittausta. Kaaviokuva laitteesta on esitetty kuvassa 1. Laite liitetään respiraattoriin (1) kytkemällä väljä kaasuletku (2) respiraattorin uloshengitysputkeen (3) ja kaasuanturin 5 näyteletku (4) respiraattorin sisäänhengitysputkeen (5).

Laitteeseen tuleva uloshengityskaasu virtaa aluksi tilavuudeltaan tyypillisesti 5 litran suuruiseen sekoituskanunioon (6), jossa vallitsee siten tasainen n. 10 hengitysjakson keskiarvoa vastaava hiilidioksidi- ja happipitoisuus.

10 Jokaisen uloshengitysvaiheen aikana sekoituskammiosta virtaa ulos hengityksen kertatilavuuden suuruinen määrä kaasua, jonka hiilidioksidipitoisuus on FeC02 3a happipitoisuus "Fpi02 · Tämä kaasu sekoittuu T-kappaleessa (7) puhallinyksikön (8) synnyttämään vakiovirtaukseen K, joka 15 tyypillisesti voi olla 20 l/min. Tällöin letkussa (9) mitattu hetkellinen hiilidioksidipitoisuus F*pc02 (t) on ilmavirran aiheuttaman laimentumisen seurauksena.

F*eco2 (*) = FEC02 x νΕ^) 20 VE(t) + K (1) missä Vp(t) on sekoituskammiosta ulos virtaavan kaasun virtausnopeus hetkellä t. Tällöin hiilidioksidin tuotanto Vco2 aikavälillä tQ -> tQ + T on . : : 25 t0 + t *:* Vco2 - Σ f ^EC02 x VR(t) dt (2) T tj, 30 jossa aika T oletetaan niin lyhyeksi, että keskimääräinen hiilidioksidipitoisuus Fp(co2 sekoituskammiossa ei muutu sen aikana merkittävästi.

Yhtälöstä (1) saadaan 35 K X F*EC02(t) V.,(t) = =- (3) k p - p* (t) EC02 ' EC02V 1 78231

Sijoittamalla tämä yhtälöön (2) saadaan hiilidioksidin tuotto aikavälillä t0->t0 + T seuraavasti

t0+T

VC02 = IS f fEC02 x f*EC02 ^^ dt 5 T t0 Feco2 - F*EC02(t) (4)

Hiilidioksidintuotto voidaan siis laskea ilman virtaus-mittausta mittaamalla hiilioksidipitoisuutta sekoitus-10 kammiossa (6) ja ulosmittausletkussa (9) sopivassa tahdissa vuorotellen tai kahta hiilidoksidianturia käyttäen ja samanaikaisesti, joka kuitenkaan ei käytännössä ole tarkoituksenmukainen ratkaisu.

15 Hapenkulutus V02 voidaan puolestaan määrittää mittaamalla lisäksi sisäänhengityskaasun happipitoisuus Fio2 ja sekoittuneen uloshengityskaasun happipitoisuus FE02· Hengitysosa-määräksi RQ saadaan tällöin tunnettua oletusta, jonka mukaan typen kulutus on nolla, hyväksikäyttäen tunnettu 20 tulos.

FEC02 _ VC02 _ FI02 " fE02 . f * 102 fE02 I p l· - Fio2 ) FI02

Hapenkulutus VQ2 saadaan tämän jälkeen yksinkertaisesti: 30 ^02 * ^C02 RQ (6)

Kaasupitoisuuksien mittaus eri mittauspaikoissa toteutetaan 35 jaksollisesta mikroprosessorin (16) ohjaamien magneetti- venttiilien (10) - (13) avulla. Tyypillinen mittaus-sekvenssi on esitetty liittessä 1.

78231

Hiilidioksidianturina (14) käytetään C02:n infrapuna-absorptioon perustuvaa analysaattoria ja happianturina nopeaa differentiaalista paramaqneettista happianturia, jotka mahdollistavat tarvittaessa myös esitettyä huomattavasti nopeamman mittaussekvenssin käytön. Vakiovirtaus-5 generaattorin muodostavat keskipakopuhallin ja sen yhteyteen konstruoitu virtausvastus, joka on hyvin paljon suurempi kuin virtausvastus T-kappaleen (7) risteyksestä ulostuloaukkoon, jolloin sekoituskammioista tulevan virtauksen suuruus ei olennaisesti vaikuta virtaukseen K.

10

Sekoituskammio ja puhallin konstruoidaan siten, että kosteasta uloshengityskaasusta kondensoituva vesi valuu pois sekoituskamniosta ja poistuu laitteen ulostulo-' letkusta.

15

Kuvassa 2 on esitetty vaihtoehtoinen mittauskonfiguraatio. Tässä puhallin (8) pitää sekoittuneen virtauksen vakiona K, mutta tällöin virtauksen K pitää olla suurempi kuin ulos-hengityksen huippuvirtaus, joka saattaa olla jopa 100 20 1/min., koska muuten kaasun virtaussuunta putkessa (9) voi kääntyä ja uloshengityskaasua pääsee ohi mittauspisteen, ellei putkea mitoiteta riittävän suureksi. Toinen haittatekijä on se, että kondensoitunut kosteus joutuu poistamaan puhaltimen läpi. Etuna olisi kuitenkin 1 hiilidioksidintuoton saaminen yksinkertaisemmalla 25 laskutoimituksella kuin ensin esitetyssä vaihtoehdossa.

Hiilidioksidintuotto aikavälillä t0->t0 + T on tässä - tapauksessa

t0 + T

30 Vqq2 = IS J* F*EC02^t^ dt ^ fco RQ ja Vq2 saadaan samoin kuin edellä. Laitteella voidaan 35 myös mitata hapenkulutus ja hiilidioksidintuotto spontaanisti hengittävällä potilaalla tai rasitustestin koehenkilöllä edellyttäen, että potilaalle asetetaan ilmatiivis yksitieventtiileillä varustettu maski.

5 78231

Laimennusperiaate voidaan toteuttaa myös mittaamalla sekoituskamniosta tulevan hapen laimentumista sen sekoittuessa vakioilmavirtaukseen. Tällöin saadaan letkussa (9) hetkelliseksi happipitoisuudeksi 5

x V„(t) + 0,21 x K

FE02 (t» * —--- <8>

vE(t) + K

10

Ratkaisemalla tästä hetkellinen virtaus VE(t) saadaan K x (F* (t) - 0,21) 15 VE «tl - ~τ=ζ—--:- (9) b F - F (t) E02 E02 ' '

Hengityksen minuuttitilavuus saadaan tästä integroimalla ja 20 tällöin on tunnettuun tapaan mahdollista laskea edelleen hapenkulutus ja hiilidioksidintuotto, jos tunnetaan lisäksi sekoituskammion kaasun hiilidioksidipitoisuus ja sen happipitoisuuden ero sisäänhengityskaasuun nähden.

25 Hapen laimenemiseen perustuva mittaussekvenssi on käytännössä kuitenkin vaikeampi toteuttaa koska happea joudutaan mittaamaan kolmesta pisteestä. Lisäksi on laimeasti hapella rikastetun sisäänhengityskaasun tapauksessa mahdollista että sekoituskammion uloshengitys-30 kaasun happipitoisuus on niin lähellä huoneilman happi pitoisuutta, että yhtälön (9) antama tulos tulee hyvin epätarkaksi.

Mittausjärjestelmä voidaan kalibroida pumppaamalla esim. 1 35 litran vetoisella kalibrointiruiskulla sekoituskammioon (6) kaasua, jonka happi- tai hiilidioksidipitoisuus poikkeaa selvästi huoneilmasta. Sairaalaoloissa helposti saatavilla 6 78231 oleva kaasu on puhdas happi, jota voidaan T-kappaleesta ja yksitieventtiileistä koostuvalla järjestelyllä vetää huoneilman paineesta ruiskuun ja pumpata sekoituskammioon tyypillisesti taajuudella 10 kertaa minuutissa. Tällöin voi laitteen ohjelma kaavan (9) perusteella kalibroida 5 vakiovirtaustekijän K, olettaen että kaasuanturit on kalibroitu erikseen tarkkuuskaasulla.

7 LIITE 1 78231

MITTAUSSEKVENSSI

Vaihe Magneetti- ^2- CO2- Tyypillinen venttiilien suure suure kesto tila I 10 0 1 ^102 fEC02 10 s II 1100 Fio2 “ fE02 f*EC02 30 s III Olli O2~nollaus C02~nollaus 10 s

Mittaus tapahtuu vaiheen I ja II vuorotellessa jatkuvasti, ja vaihe III suoritetaan 30 min. välein.

Claims (6)

8 78231

1. Menetelmä respiraattoriin kytketyn potilaan hiilidioksidin tuoton, hapenkulutuksen ja hengitysosamäärän seuran- 5 taan, jossa menetelmässä käytetään laitetta, johon kuuluu O2 (15) ja CC>2 (14) -analysaattorit ja sekoituskammio (6) , johon respiraattorista (1) poistuva uloshengityskaasu johdetaan kaasunkeräysletkulla (2), tunnettu siitä, että muodostetaan sekoituskammiosta ulosvirtaavan kaasun 10 ja ilmavirtauksen seos synnyttämällä sekotettavan ilman tai seoksen vakiovirtaus, mitataan mainitun seoksen hiilidioksidipitoisuus, mitataan sekoituskammion (6) kaasun hiilidioksidi- ja happipitoisuus sekä respiraattorin potilaaseen toimittaman kaasun happipitoisuus ja määrite-15 tään hiilidioksidin tuotto ja hapenkulutus laskemalla suoraan mitatuista pitoisuuksista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi tarkoitettu laite respiraattoriin kytketyn potilaan 20 hiilidioksidin tuoton, hapenkulutuksen ja hengitysosamää-rän seurantaan, johon laitteeseen kuuluu C>2 (15) ja CO 2 (14) -analysaattorit, respiraattorin (1) ulostuloon kaasunkeräysletkulla (2) liitetty sekoituskammio (6) sekä magneettiventtiilit (10 - 13) mainituille analysaattoreil-25 le johtavissa näytteenottoletkuissa, tunnettu siitä, että sekoituskammion (6) ulostulo on yhdistetty kanavaan (9), johon liittyy vakiovirtauspuhallin (8) vakio-virtauksen synnyttämiseksi kanavan (9) kautta, jolloin sekoituskammiosta (6) ulosvirtaava kaasu sekoittuu kanavassa 30 (9) ilmavirtaukseen, ja että CC^-analysaattori (14) ja (^-analysaattori (15) ovat yhdistetyt, tai mainittujen magneettiventtiilien (10 - 13) välityksellä sopivin jaksoin yhdistettävissä toisaalta sekoituskammioon (6) ja toisaalta mainitun kanavan (9) kohtaan, jossa sekoitus-35 kammiosta ulosvirrannut kaasu on sekoittunut ilmavirtaukseen, minkä lisäksi (^-analysaattori (15) on yhdistetty tai yhdistettävissä respiraattorin (1) ja potilaan väliseen sisäänhengityskanavaan (5). 78231

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että sekoituskammion (6) ulostulokohta kanavassa (9) on vakiovirtauspuhaltimen (8) jälkeen, jolloin puhallin (8) lisää vakioilmavirtauksen sekoituskammiosta 5 (6) ulostulevaan kaasuvirtaukseen.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että sekoituskammion (6) ulostuloaukko sijaitsee sen pohjalla ja aukon mainittuun kanavaan (9) 10 yhdistävän T-kappaleen risteys sijaitsee aukon alapuolella siten, että sekoituskammioon (6) kondensoituva vesi poistuu automaattisesti painovoiman ja puhaltimen (8) synnyttämän virtauksen ansiosta.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnet- t u siitä, että sekoituskammion (6) ulostulokohta kanavassa (9) on virtaussuunnassa nähtynä ennen vakiovirtaus-puhallinta (8), jolloin puhallinta (8) käytetään imemään sekoituskammiosta (6) virtaavaa kaasua ja kanavassa (9) 20 virtaavaa ilmaa siten, että näiden virtauksien summa on vakio.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 2-5 mukaisen laitteen kalibrointimenetelmä, tunnettu siitä, että kaa-25 sunsekoitusyksikön (6 - 9) toiminta kalibroidaan lasken-nollisesti pumppaamalla laitteeseen vakiotilavuusruis-kulla vakiopaineista happea tai muuta huoneilmasta poikkeavaa kaasua. 10 782 31