NL193015C

NL193015C - Inrichting voor het meten van stofwisselingsgrootheden.

Info

Publication number: NL193015C
Application number: NL8503202A
Authority: NL
Original assignee: Instrumentarium Corp
Priority date: 1984-11-21
Filing date: 1985-11-20
Publication date: 1998-08-04
Also published as: DE3533557C2; CA1242529A; SE8505495L; US4856531A; SE463343B; JPS61128981A; JPH0628652B2; NL8503202A; SE8505495D0; NL193015B; FI78231B; FI844562A0; DE3533557A1; FI844562L; FI78231C

Description

1 193015

Inrichting voor het meten van stofwisselingsgrootheden

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het meten van zuurstofverbruik van een patiënt die is aangesloten op een respirator, welke respirator met een inademingsbuis voor het beademen van de patiënt 5 en een uitademingsbuis voor uitademgas is uitgerust, omvattende een mengkamer die met de uitademings-buis is verbonden en een 02-analysator.

Een dergelijke inrichting is bekend uit het Amerikaanse patent US 4.211.239, welke een inrichting beschrijft voor het bepalen van het verbruik van zuurstof, waarbij het systeem een controle-klepsysteem omvat in combinatie met een respirator met hoge stroomsnelheid voor toevoer van een beheerste 10 zuurstof stroom met een groot volume. De inrichting is voorzien van een mengkamer waarin het te analyseren ademgas wordt gevoerd. In de mengkamer wordt een gemengde gasstroom gevormd die uit een constante mengverhouding gas-lucht bestaat. Het toegevoegde gas bestaat uit zuurstof en het ademgas van de patiënt.

Een in de afdeling intensieve verpleging van een ziekenhuis behandelde, kritisch zieke patiënt ontvangt 15 gewoonlijk voeding in parenterale vorm of in vloeibare vorm rechtstreeks in een ader. Aangezien ziekte en verwondingen de stofwisseling en het energieverbruik van een patiënt aanzienlijk kan doen afwijken van standaardverbruik, al naargelang zijn lengte, gewicht, leeftijd en geslacht, zoals normaal wordt toegepast als basis voor het schatten van de voedselbehoefte, is een grote belangstelling ontstaan voor het gebruiken van metingen om de kwantitatieve en de kwalitatieve behoefte aan voeding van een kritisch zieke patiënt te 20 bepalen. Dit is mogelijk door gebruikmaking van indirecte caloriemetrie, waarbij, door het meten van de uitwisseling van ademhalingsgassen, het mogelijk is het energieverbruik te berekenen op basis van zuurstofverbruik in een bepaalde evenwichtstoestand en de kwaliteit van verteerd voedsel vast te stellen op basis van de verhouding tussen de hoeveelheid afgegeven kooldioxide en het zuurstofverbruik.

De meeste patiënten in de afdeling intensieve verpleging zijn verbonden met een respirator voor het 25 handhaven van de ademhaling en aldus moet het meten van de gasuitwisseling plaatsvinden door middel van een inrichting die kan worden verbonden met een respirator en onafhankelijk van het merk en het werkingsprincipe van een respirator.

In termen van meettechniek is een speciaal probleem de stromingsmeting geweest, die behalve het meten van de gasinhoud noodzakelijk is bij het berekenen van het zuurstofverbruik. De nauwkeurigheid en 30 betrouwbaarheid van stromingssensoren zijn aan een streng onderzoek onder klinische omstandigheden onderworpen, in het bijzonder als gevolg van vocht en het vervuilingseffect van uitscheidingen van een patiënt.

Doel van de onderhavige uitvinding is een meetinrichting te verschaffen voor het bewaken van het C02-gehalte, het zuurstofverbruik en het respiratiequotiënt van een patiënt. De inrichting dient verbindbaar 35 te zijn met een respirator zodanig dat deze onafhankelijk is van het type en de werking van de respirator.

De metingen dienen verder onafhankelijk te zijn van stromingsmeting van het ademgas.

Dit doel wordt gerealiseerd doordat de inrichting tevens is ingericht voor het meten van kooldioxide-afgifte en respiratiequotiënt waarvoor de inrichting tevens een C02-analysator omvat en dat de uitgang van de mengkamer is verbonden met een kanaal dat is voorzien van een constante-stromings-ventilator voor het 40 opwekken van een constante stroming van lucht of mengsel door het kanaal, waardoor het uit de mengkamer stromende gas in het kanaal wordt gemengd met een luchtstroming, en dat de genoemde C02-analysator en de 02-analysator op geschikte intervallen, door middel van magneetkleppen, enerzijds met de mengkamer en anderzijds met een plaats in het kanaal, waar het uit de mengkamer stromende gas is gemengd met de luchtstroming, verbindbaar zijn, welke 02-analysator verder verbindbaar is met de 45 inademingsbuis.

Een dergelijke inrichting is koppelbaar met uiteenlopende respiratoren en maakt de onderhoudsgevoelige en relatief onbetrouwbare stromingssensoren overbodig.

Opgemerkt wordt dat een andere inrichting bekend is uit de Nederlandse octrooiaanvrage NL A-7215 741. Het apparaat dient voor het meten van de uitstroom (V, (E)) en/of de concentratie (k,(t)) van de 50 gasvormige bestanddelen van een te meten gas, in het bijzonder de zuurstof en/of de koolmonoxide en de kooldioxide in het gas. Voor de bepaling van de meetwaarden is tevens een continue werkende stromings-meter in de inrichting opgenomen waarmee de gasstroming als functie van de tijd wordt waargenomen. Ook dit apparaat heeft het nadeel van een benodigde stromingsmeter.

Bij een voorkeursuitvoering is de uitgang van de mengkamer in het kanaal stroomafwaarts ten opzichte 55 van de constante-stromings-ventilator geplaatst, welke ventilator de constante-luchtstroom toevoegt aan de mengkamer verlatende gasstroming. Met behulp van deze relatief eenvoudige constructie kan het ademgas uit de mengkamer worden gezogen door de luchtstroom welke langs de uitgang wordt geblazen.

z

In een meer bijzondere voorkeursuitvoering is de uitgang van de mengkamer aan de bodem daarvan gepositioneerd en is het snijpunt van een T-element, dat de uitgang met het kanaal verbindt, onder de uitgang gelegen, zodanig dat het in de mengkamer gecondenseerde water automatisch wordt afgevoerd door de werking van de zwaartekracht en de door de ventilator opgewekte stroming. Het gecondenseerde 5 water zal immers naar beneden lopen zodat het in de uitgang van de mengkamer komt. Aldus zal het verder kunnen worden afgevoerd door middel van deze uitgang.

In een andere voorkeursuitvoering is de uitgang van de mengkamer in het kanaal stroomopwaarts geplaatst ten opzichte van de constante-stromings-ventilator, welke ventilator zodanig wordt bedreven, dat de som van de uit de mengkamer en de in het kanaal stromende lucht constant is. De stroomsnelheid in het 10 apparaat achter de ventilator Is hierdoor constant ondanks de gebruikssituatie van de inrichting. Het voordeel hiervan is dat hiermee een rustige werking van de inrichting kan worden verkregen.

De uitvinding zal verder worden verduidelijkt door een theoretische onderbouwing van de uitvinding beschreven aan de hand van twee niet-limitatieve uitvoeringsbeelden. Hierin toont: 15 figuur 1 een schematische weergave van een inrichting overeenkomstig de uitvinding, en figuur 2 een schematische weergave van een alternatieve inrichting waardoor tevens een andere meetconfiguratie wordt gerealiseerd.

Een schematisch aanzicht van de inrichting is in figuur 1 weergegeven. De inrichting is verbonden met een 20 respirator 1 door het koppelen van een gasbuis 2 met grote diameter met de uitademingsbuis 3 en de bemonsteringsbuis 4 van een gassensor met de inademingsbuis 5 van de respirator 1. Het uitademingsgas dat de inrichting binnentreedt stroomt eerst een mengkamer 6 binnen, die typisch een volume van 5 liter bezit en derhalve een stationaire inhoud aan kooldioxide en zuurstof, gemiddeld overeenkomend met ! ongeveer 10 ademhalingscycli. Gedurende elke uitademingscyclus stroomt een hoeveelheid gas gelijk aan 25 een enkel uitademingsvolume uit de mengkamer, welk gas een kooldioxidegehalte van FEC02 en een zuurstofgehalte van FE02 bezit. Dit gas mengt zich in een T-element 7 met een constante stroom K die wordt opgewekt door een ventilatoreenheid 8, welke stroming typisch een debiet van 20 liter per minuut kan bezitten. Aldus zal het momentane kooldioxidegehalte F*eco2 (t), dat in een buis 9 wordt gemeten, als gevolg van door het trekken van de lucht veroorzaakte verdunning, voldoen aan 30 F* ft) - Fec02 x Ve(^ m ’ EC02 (t) ” VE(t) + K (1) waarin VE (t) het debiet is van een uit de mengkamer op een tijdstip t uitstromend gas. Aldus zal de afgifte kooldioxide VCD2 in het tijdsinterval TQ -> tQ + T zijn: 35 . γΓτ_

Vc02 ~ J J FEC02 X VE (t) dt (2)

To waarin de tijd T zo kort wordt verondersteld, dat het gemiddelde kooldioxidegehalte FEC02 in de mengka-40 mer niet merkbaar gedurende die tijd verandert. Uit vergelijking (1) volgt: K x F*EC02(t) VE (t) = =====—E-co- - (3) ^EC02 “ Ρ*Ε002(*)

Door in de vergelijking (2) de afgifte kooldioxide in het tijdsinterval TQ to + T te substitueren verkrijgt 45 men: to **· T -- w _K r F EC02x F*EC02 (t) ,, VC02-f J z---— Clt (4) J0 FEC02 - F EC02 (t) 50 De afgifte aan kooldioxide kan aldus worden berekend zonder stromingsmeting door het meten van het kooldioxide-gehalte in de mengkamer 6 en de uitvoerbuis 9, in afwisseling met een geschikte frequentie, of door gelijktijdige toepassing van twee kooldioxidedesensoren, hetgeen echter geen praktische oplossing is.

Anderzijds kan het zuurstofverbruik V02 worden bepaald door eveneens het zuurstofgehalte F,02 van het inademingsgas en het zuurstofgehalte FED2 van het gemengde uitademingsgas te meten. Door toepassing 55 van een vooraf bekend gebruik, volgens welk het stikstofverbruik 0 is, zal het respiratiequotiënt RQ een bekende uitkomst zijn.

3 193015 ^ ECQ2 RQ = ^02 =------ (5)

Vco2 ( 1 - F - L°|— \ 5 1 + Vl-F^· FE02A^

Daarna zal het zuurstofverbruik V02 eenvoudig worden verkregen: (0 ''“"rq <6)

Het meten van gasgehaltes op diverse meetpunten wordt intermetterend uitgevoerd door middel van door een microprocessor 16 bestuurde magneetkleppen 10-13. Een typische meetreeks is in de tabel getoond.

15 Een kooldioxidesensor 14 omvat een analysator die is gebaseerd op de infrarood-absorptie van C02 en een zuurstofsensor omvat een snelle paramagnetische zuurstofsensor van het differentiële type, die zo nodig het gebruik mogelijk kan maken van een aanzienlijk snellere meetreeks dan is getoond. De constante-stromingsgenerator omvat een centrifugaal-ventilator en een stromingsweerstand die daarmee als één geheel is uitgevoerd, welke weerstand aanzienlijk groter is dan de stromingsweerstand vanaf het snijpunt 20 van het T-element 7 naar de uitgang, waarbij de stroomsnelheid uit de mengkamer 6 geen noemenswaardige uitwerking heeft op de stroming K.

De meetkamer en de ventilator 8 zijn zodanig ontworpen, dat het water dat condenseert uit het vochtige uitademingsgas uit de mengkamer druppelt en wordt afgevoerd via de afvoerbuis van de inrichting.

Figuur 2 toont een andere meetconfiguratie. In deze uitvoering onderhoudt de ventilator 8 een constante 25 gemengde stroming K, maar in dit geval moet de stroming K sneller zijn dan het topdebiet van de uitademing, die tot 100 liter per minuut kan bedragen aangezien anders de stromingsrichting in de buis 9 kan omdraaien en een zekere hoeveelheid uitademingsgas een meetpunt kan passeren, tenzij de buis 9 voldoende ruim bemeten is. Een ander nadeel is het feit dat het gecondenseerde vocht via de ventilator moet worden afgevoerd. Het kan echter een voordeel zijn dat de kooldioxide-afgifte op basis van een 30 eenvoudiger berekening kan worden verkregen dan in het eerst-beschreven alternatief. In dit geval zal de kooldioxide-afgifte in het tijdinterval TD -> to + T bedragen:

t0 + T

VC02 = f ƒ F*EC02(t)dt (7)

To 35 RQ en V02 worden op dezelfde wijze als boven verkregen. De inrichting is eveneens in staat om het zuurstofverbruik en de kooldioxide-afgifte te meten bij een spontaan ademende patiënt of een onder spanning onderzochte persoon, mits een patiënt is uitgerust met een van keerkleppen voorzien, luchtdicht 40 masker.

Het verdunningsprincipe kan ook worden uitgevoerd door het meten van de verdunning van het de mengkamer verlatende zuurstof wanneer het zich mengt met de constante luchtstroming. Aldus zal het momentane zuurstofgehalte in de buis 9 bedragen:

F^xVE(t) + 0,21xK

45 FE02(t>- VE(t) + K (8)

Oplossing van een momentaan debiet VE (t) uit bovenstaande uitdrukking zal opleveren: K x (F*eo2 (t) -0,21) V= (t) = —-— (9) FE02 ~ F*E02 (f) 50

Het precieze respiratievolume wordt hieruit door integratie verkregen en het is op een bekende wijze aldus mogelijk, het energieverbruik en de kooldioxide-afgifte te berekenen, indien we, behalve het bovenstaande, het kooldioxide-gehalte van het gas in de mengkamer en het verschil tussen zijn zuurstofgehalte en dat van het inademingsgas te kennen.

55 Een meetcyclus op basis van de verdunning van zuurstof is echter in de praktijk moeilijker uit te voeren, aangezien de zuurstof op drie punten moet worden gemeten. Bovendien is het in het geval van een inademingsgas met slechts een iets verhoogde zuurstofconcentratie mogelijk, dat het zuurstofgehalte van

Claims

1193015 4 het uitademingsgas in de mengkamer zo dicht ligt bij dat van de lucht in de kamer, dat het door vergelijking (9) verkregen resultaat zeer onnauwkeurig wordt. Het meetstelsel kan worden geijkt door bijvoorbeeld gebruikmaking van een ijkingsspuit met een capaciteit van 1 liter om in de mengkamer 6 een gas te pompen, waarvan het zuurstof- of kooldioxide-5 gehalte duidelijk verschilt van die van de lucht in de kamer. Een gemakkelijk onder ziekenhuisomstandigheden beschikbaar gas is zuivere zuurstof dat kan worden verwijderd door middel van een stelsel, omvattende het genoemde T-element en keerkleppen in de richting van de spuit en de mengkamer kan worden ingepompt met een typische frequentie van tienmaal per minuut. Aldus kan het programma van de inrichting een constante-stromingsfactor K ijken op basis van formule (9) onder de veronderstelling dat de 10 gassensoren afzonderlijk zijn geijkt met een precisiegas. Meetvolgorde TABEL Cyclus Toestand van de 02-hoeveelheid C02-hoeveelheid Typische duur 15 magneetkleppen I 10 0 1 F|02 Eeco2 10 S II 110 0 E|02— Feo2 E*ec02 30 s III 0111 02naar0 C02naar0 10 s 20 - De meting vindt plaats met een ononderbroken afwisseling van de cyclus I en II. De cyclus lil vindt met intervallen van 30 minuten plaats. 25

1. Inrichting voor het meten van zuurstofverbruik van een patiënt die is aangesloten op een respirator, welke respirator met een inademingsbuis voor het beademen van de patiënt en een uitademingsbuis voor 30 uitademgas is uitgerust, omvattende een mengkamer die met de uitademingsbuis is verbonden en een 02-analysator, met het kenmerk, dat de inrichting tevens is ingericht voor het meten van kooldioxide-afgifte en respiratiequotiënt waarvoor de inrichting tevens een C02-analysator (14) omvat en dat de uitgang van de mengkamer (6) is verbonden met een kanaal (9) dat is voorzien van een 35 constante-stromings-ventilator (8) voor het opwekken van een constante stroming van lucht of mengsel door het kanaal (9), waardoor het uit de mengkamer (6) stromende gas in het kanaal (9) wordt gemengd met een luchtstroming, en dat de genoemde C02-analysator (14) en de 02-analysator (15) op geschikte intervallen, door middel van magneetkleppen (10-13), enerzijds met de mengkamer (6) en anderzijds met een plaats in het kanaal (9), waar het uit de mengkamer (6) stromende gas is gemengd met de 40 luchtstroming, verbindbaar zijn, welke 02-analysator (15) verder verbindbaar is met de inademingbuis (5).

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uitgang van de mengkamer (6) in het kanaal (9) stroomafwaarts ten opzichte van de constante-stromings-ventilator (8) geplaatst, welke ventilator (8) de constante-luchtstroom toevoegt aan de de mengkamer (6) verlatende gasstroming.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de uitgang van de mengkamer (6) aan de bodem daarvan gepositioneerd en dat het snijpunt van een T-element, dat de uitgang met het kanaal (9) verbindt, onder de uitgang gelegen, zodanig dat het in de mengkamer (6) gecondenseerde water automatisch wordt afgevoerd door de werking van de zwaartekracht en de door de ventilator (8) opgewekte stroming.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uitgang van de mengkamer (6) in het kanaal (9) 50 stroomopwaarts is geplaatst ten opzichte van de constante-stromings-ventilator (8), welke ventilator zodanig wordt bedreven, dat de som van de uit de mengkamer (6) en de in het kanaal (9) stromende lucht constant is. Hierbij 2 bladen tekening