SE524086C2 - Mäthuvud för gasanalysator - Google Patents

Description

70 75 20 25 30 524 086 dana analysatorer har funnit bred användning inom speciellt akutsjukvård, medan man inom andra vårdformer som t.ex. in- tensivvård och anestesi varit hänvisad till sidoflödesmätande gasanalysatorer. Vidare har det varit svårt att utveckla tillräckligt små huvudflödesmätande patientgasanalysatorer.

Detta har lett till att analysatorn fått delas upp i en fast del, vanligen monterad i ett bordsinstrument, och en rörlig sensordel placerad nära patientens mun eller trachea. Sådana lösningar har fördyrat analysatorn och. lett till försvårad service samt lett till behov av att samkalibrera de båda delarna.

Gasanalys kan ske enligt olika mätprinciper. Vanligast är dock gasanalys genom icke-dispersiv spektroskopi. Denna mät- princip bygger på det faktum att många gaser absorberar in- fraröd energi vid en för ämnet specifik våglängd. Huvudflö- desmätande gasanalysatorer baserade på icke-dispersiv spekt- roskopi mäter ljusabsorption vid specifika våglängder direkt i patientens andningskrets. En tidigare känd utformning av en sådan gasanalysator beskrivs exempelvis i. WO9l/18279 A1. I denna gasanalysator tillåts en bredbandig infraröd ljusstråle passera genom patientens andningskrets. Ljusstràlen delas se- dan i en stråldelare upp i två strålar vilka registreras av två separata detektorer försedda med optiska bandpassfilter med olika centervåglängd. Den ena detektorn används härvid för att beräkna ljusstrålens intensitet vid analysämnets ab- sorptionsvåglängd medan den andra detektorn används för att beräkna ett mått på ljusstrålens referensintensitet vid en våglängd skild från analysämnets absorptionsvåglängd. Denna typ av gasanalysator lämpar sig väl för analys av enskilda gaser såsom exempelvis koldioxid. Intensitetsförluster i stråldelaren och stråldelarens storlek gör dock denna typ av gasanlysator olämplig för huvudflödesbaserad multigasanalys.

P:\PatmnoflDOCSWOCWOklOSlutfóreläggandejnldoc, 2004-044 3 10 15 20 25 30 524 086 Syrgas uppvisar tyvärr ingen nämnvärd absorption inom det in- fraröda området utan för syrgasanalys används vanligen bräns- leceller eller analysatorer som utnyttjar syrgasens paramag- netiska egenskaper.

De senare är dock mycket stötkänsliga vilket gör dem olämpliga för huvudflödesmätande gasanalys.

Bränsleceller är uppbyggda av en guldkatod och en blyanod om- givna av en elektrolyt skyddad av ett membran genom vilket syrgas diffunderar in i cellen. Strömmen genererad av cellen är då direkt proportionell mot syrgasens partialtryck. Cel- lens responstidi är beroende på membranets utformning och tjocklek samt hur väl gasutbytet tillåts ske närmast membra- net. Vanligt är dock responstider i storleksordningen en till tio sekunder. Så långa responstider har gjort det svårt att använda bränsleceller för andetagsupplöst registrering av syrgas under huvudflödesmätande gasanalys.

Genom exempelvis US-A-5,464,982 är det förut känt ett mäthu- vud för en gasanalysator, vilket mäthuvud innefattar en ljus- sändande IR-emitter på ena sidan av en urtagning och en ljus- mottagande IR-detektor~ pà andra sidan, av 'urtagningen. Från detta mäthuvud leds mätsignaler till en signalutvärderingsan- ordning, som exempelvis är anordnad i en PC eller liknande som innefattar program för att behandla de från nàthuvudet erhållna signalvärdena. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkom- ma en ny anordning som nædger huvudflödesmätande analys av alla de gaser som förekommer inom andningsvård i en sensor som helt och hållet är placerad nära patientens mun eller till olika värdsystem, trachea och som lätt kan anpassas t.ex. persondatorer och övervakningsinstrument, utan att des- P:\Patranor\DOCS\DOCWORK\Slulfïäreliggandeinl.doc, 2004-04-1 3 10 75 20 25 30 524 086 sa behöver vara anordnade med speciell elektronik eller me- kanik anpassade till det aktuella mäthuvudet, och att dessa mäthuvuden fritt kan utbytas mellan olika värdsystem utan speciella kalibreringssystem eller kalibreringsprocedurer.

Ovannämnda ändamål med uppfinningen uppnås med ett mäthuvud enligt uppfinningen, vilket mäthuvud är anordnat i närheten av patientens mun eller trachea för att mäta alla andningsga- ser uppträdande i gasströmmen, och där mäthuvudet även inne- fattar en signalbehandlingsenhet nödvändig för gasanalys av olika gaser och där ljusmottagaren innefattar ett av en mini- atyriserad motor roterbart filterhjul med ett antal optiska bandpassfilter.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare i form av ett icke begränsande utföringsexempel, àskàdliggjort på de bifo- gade ritningsfigurerna, där Fig. 1 schematiskt visar en sprängvy av ett mäthuvud enligt uppfinningen för montering på en adapter genom vilken andningsgaserna till en patient pas- serar, och Fig. 2 visar schematiskt ett blockschema över de i mäthuvudet inbegripna mät- och signalbehandlingskretsarna.

I Fig. 1 visas således ett mäthuvud l för en gasanalysator vilket mäthuvud är avsett att vara monterat på en adapter 2.

Adaptern 2 kan huvudsakligen ses som ett làngsträckt rör av exempelvis ett plastmaterial. I sin ena ände uppvisar adap- tern 2 en anslutning för en slang ledande till patienten, och i sin andra ände uppvisar adaptern en anslutning 3 för en respirator eller liknande. Mellan de båda anslutningarna upp- visar adaptern ett mittparti 4, som är utformat för att kunna upptaga mäthuvudet l. Mittpartiet 4 uppvisar för detta två motstående plana sidor 5, som vardera innefattar ett fönster 6 bildat av en transparent film.

P:\Pa\ranor\DOCS\DOCWORK\Slutfóreliggande.i.nl.doc, 2004-044 3 10 75 20 25 30 524 086 Mäthuvudet 1 uppvisar en central urtagning 7, sträckande sig från ena sidan av mäthuvudet, för att kunna skjutas på över adapterns mittparti 4. För detta är urtagningen försedd med två motstående huvudsakligen plana parallella ytor 8, vända inåt mot urtagningen. I de plana ytorna 8 på mäthuvudet 1 är anordnat en ljussändare 9 resp. en ljusmottagare 10 för att sända resp. mottaga infrarött ljus. De plana ytorna 8 på mät- huvudet 1 och de plana sidorna 5 på adapterns 2 mittparti 4 är inbördes utformade och dimensionerade så att mäthuvudet 1 erhåller en exakt placering när det sätts på adaptern 2, så att ljus utsänt av ljussändaren 9 kan passera rakt genom adapterns mittparti 4 genom dess fönster 6 och nå ljusmotta- garen 10 utan att påverkas av annat än vad som passerar genom det inre av adapterns mittparti 4.

I adapterns 2 mittparti 4 kan vidare för en syrgasmätning av utandningsluften även vara anordnat en bränslecell. För detta ändamål kan då i mittpartiets 4 ena sidovägg, i vilken inget fönster 6 finns, vara anordnat en anslutning 17 i vilken en sådan bränslecell 18 kan anslutas.

En anordning av det ovannämnda slaget och innefattande anord- ningar för att befukta andningsgaserna och förhindra kontami- nering av mätanordningarna är beskriven i sökandens tidigare svenska patentansökningar 0102860-4, 0102861-2 och 0102862-0.

Mäthuvudet 1 som är föremålet för föreliggande uppfinning in- nefattar på ena sidan om den centrala urtagningen 7 en ljus- sändare 9, nämligen en IR-emitter 12 samt ett emitterkort 13.

Detta emitterkort 13 innefattar en mikroprocessor och en A/D- konverterare. IR-emittern 12 är anordnad att kunna utsända en bredbandig IR-strålning som får passera genom det närmast be- Pi\PatmnoÅDOCS\DOCWORK\SlutfïSrelâgga.nde.illl,doc, 2004-04-13 10 75 20 25 30 524 086 lägna fönstret i adaptern 2 och därefter genom gasprovet pas- serande genom adapterns 2 inre för att sedan lämna adaptern genom det motstående fönstret 6 och nå fram till ljusmottaga- ren 10.

Ljusmottagaren. 10 innefattar' ett detektorkort 14, vilket i sin tur innefattar en förförstärkare och en nwtordrivning.

Detektorkortet 14 uppbär vidare en motor 15, på vars roterba- ra utgående axel är nwnterat ett roterbart filterhjul 16.

Detta filterhjul 16 är så beläget i mäthuvudet 1 att det lig- ger närmast det fönster 6 genom vilket den av IR-emittern 12 utsända IR-strålningen lämnar adaptern 2, så att IR-strål- ningen får passera filterhjulet 16 på sin väg mot detektor- kortet 14. Det roterbara filterhjulet 16 är försett med ett antal, till de avsedda analysämnena avpassade, optiska band- passfilter samt ett eller flera bandpassfilter avsedda för bestämning av IR-strålens referensintensitet. Detektorn för den mottagna IR-strålningen är således belägen på detektor- kortet 14, och där är lämpligen även som nämnts ovan anordnat en förförstärkare för de erhållna signalvärdena.

I mäthuvudet finns även en signalbehandlingsenhet 20, som vi- sas i form av ett blockschema i Fig. 2. Denna är uppbyggd av en mikroprocessor med inbyggd analog- till digitalomvandlare 27 och ett kalibreringsminne 31. För att signalbehandlingsen- heten 20 och alla andra nödvändiga funktioner skall kunna rymmas i mäthuvudet 1 är de använda komponenterna starkt mi- niatyriserade och så många funktioner som möjligt implemente- rade i mikroprocessorns mjukvara.

Den digitala signal 40 som lämnar mäthuvudet 1, och via en signalkabel 11 leds till en presentationenhet, innehåller färdigbearbetade gasdata (momentana koncentrationer, in- och P:\Pau'anonDOCS\DOCWORK\Slutíöreläggan/:|c.ird.doc, 2004044 3 10 75 20 25 30 524 086 utandade koncentrationer, andningfrekvens m.fl. diagnostiska data) för direkt presentation på värdsystemets presentionsen- het. Tillsammans næd eai digital ingång 41 för styrning av analysatorn (t.ex. vid kalibrering) och en strömförsörjnings- ledning 42 utgör dessa signaler enda förbindelsen med värd- systemet (benämns sammantaget signalkabeln ll). Via strömför- sörjningsledningen 42 försörjs signalbehandlingsenheten 20 och de andra i mäthuvudet 1 ingående enheterna via en spän- ningsregulator 39 med erforderlig ström. att Inom parentes kan nämnas signalerna 40 och 41 elektriskt anpassas till RS232-nivåer i. drivkretsen .37 resp. nmttagarkretsen 38 för att passa de signalnivåer som allmänt förekommer på de flesta persondatorer och övervakningsinstrument med nwjlighet till asynkron seriekommunikation.

Den i mäthuvudet l anordnade givaren innefattar fyra senso- rer; detektorkortet 14, syrgasgivaren 19, en atmosfärstryck- givare 23 och en systemtemperaturgivare 25. Sensorernas sig- naler anpassas och förstärks i förstärkarstegen 21, 22, 24 resp. 26 för att sedan digitalomvandlas i A/D-omvandlaren 27.

I enheten. 28 demultiplexas signalen från detektorkortet så att momentan ljusintensitet vid filterhjulets olika vågläng- Vidare filtreras i enheten 28 detektor-, der erhålls. syr- gas-, tryck- och temperatursignalerna digitalt för att under- trycka givarnas och förstärkarstegens egenbrus. I enheten 29 kompenseras detektor- och syrgassignalerna för variationer i systemtemperatur och omgivningstryck. I beräkningsenheten 30 bestäms verkliga gaskoncentrationer ur de signalbehandlade (bl.a. som spektral överlappning, givarsignalerna utförs här kompensation för effekter och ur kalib- I be- olinjäriteter etc.) reringsdata som sparats i det ickeflyktiga minnet 31. räkningsenheten 30 bestäms också sekundära parametrar som in- spiratoriska och expiratoriska koncentrationer (extremvärden P:\PatranonDOCSWOCWORlGSlulíörcläggandc.í:1l.d.oc, 2004-04-1 3 70 75 20 25 30 524 086 i de momentant bestämda koncentrationskurvorna) samt patien- tens andningsfrekvens beräknad ur tiden mellan två successiva maxima i den beräknade momentana koldioxidkurvan. Enheten för kommunikation med värdsystemet 32 omvandlar beräknade koncen- trationer och sekundära parametrar till seriell form enligt ett generellt protokoll för överföring till värdsystemet. En- heten 32 omvandlar också seriellt data från värdsystemet och tolkar det som olika styrkommandon till givaren. På så sätt kan värdystemet indirekt kontrollera enheten som innehåller givarens kalibreringsfunktion 33 och styrenheten 34 som akti- verar IR-emitterns drivsteg 36 och filterhjulets hastighets- servo 35.

Den i mäthuvudet 1 anordnade IR-analysatorn är lämpligen av tidsmultiplexad typ. De styrfunktioner som behövs, t.ex. för filterhjulets hastighetsservo 35, är som nämnts ovan lämpli- gen helt implementerade i mjukvara. Likaså är implementering- en av mätfunktionerna, t.ex. enheten för demultiplexning och filtrering av detektorsignalen 28 och enheten för temperatur- och tryckkompensering av detektor- och syrgassignalen 29 helt utförd i mjukvara.

Med den ovannämnda uppbyggnaden av ett mäthuvud har det såle- des varit möjligt att inbegripa alla nödvändiga mät-, utvär- derings- och beräkningsfunktioner i själva mäthuvudet, och via signalkabeln ll leda signaler ut till t.ex. persondatorer för att presenteras, lagras och eventuellt vidarebehandlas.

Något särskilt bänkinstrument eller ytterligare liknande spe- cialelektronik behövs således inte. Mäthuvudet är litet, bil- ligt och energisnàlt, och kan fritt utbytas mellan olika värdsystenl utan. speciella. kalibreringssystenl eller' kalibre- ringsprocedurer.

P:\PatnnoñDOCS\DOCWORK\SlutilSreläggande,inLdoc, 2004-04- l 3

Claims (7)

70 15 20 25 30 524 086 Patentkrav

1. Mäthuvud för analys av andningsgaser till och från en patient ansluten till en respirator, varvid mäthuvudet inne- fattar en urtagning (7) avsedd att placeras över en adapter (2) genom vilken andningsgaserna strömmar, och mäthuvudet (1) innefattar vidare en ljussändare (9) innefattande en IR-emit- ter (12) på ena sidan av urtagningen (7) och en ljusmottagare (10) innefattande en IR-detektor på andra sidan av urtagning- en (7), k ä n n e t e c k n a t av att mäthuvudet (1) är an- ordnat i närheten av patientens mun eller trachea för att mä- av att mät- (20) ta alla andningsgaser uppträdande i gasströmmen, huvudet (1) även innefattar en signalbehandlingsenhet nödvändig för gasanalys av olika gaser och av att ljusmotta- garen (10) (15) terbart filterhjul innefattar ett av en miniatyriserad motor ro- (16) med ett antal optiska bandpassfilter.

2. Mäthuvud enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att signalbehandlingsenheten (20) innefattar en mikroprocessor.

3. Mäthuvud enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att mikroprocessorn är anordnad att mottaga signaler från ljus- mottagaren (10) och är anordnad att utföra beräkningsfunktio- ner baserade på de mottagna signalerna och genom en signalka- bel (l1;41) sända. de bearbetade signalerna vidare till en från mäthuvudet fristående enhet för att presenteras, lagras eller vidarebearbetas.

4. Mäthuvud enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t av att mikroprocessorn innefattar en analog- till digitalom- (27) (31). vandlare och ett kalibreringsminne P:\Patranor\DOCS\DOCWORK\Slutförclâggandejxilxioc, 2004-044 3 10 524 086 10

5. Mäthuvud enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att motorn (15) är mjukvarustyrd.

6. Mäthuvud enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att korrektion av bandpassfiltrens temperaturdrift är nfiukvaru- styrd.

7. Mäthuvud enligt något av de föregående kraven, k ä n n e - t e c k n a t av att i adapterns mittparti (4) är anordnat en anslutning (17) för en bränslecell (18) för mätning av syrgashalten i andningsgaserna. P:\PatranoñDOCS\DOCWORK\Slutfi5reläggandc.inLdoc, 2004044 3