WO1997043952A1 - Verfahren und vorrichtung zum sammeln von volatilen substanzen im expiratorischen atemgas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum sammeln von volatilen substanzen im expiratorischen atemgas Download PDF

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WO1997043952A1
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carbon dioxide
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Wolfgang Müller
Günther Braun
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KLINIKUM DER ALBERT-LUDWIGS-UNIVERSITäT FREIBURG
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for collecting volatile substances of low concentration contained at least in the expiratory breathing gas of a patient.
  • the quantitative, chemical analysis of volatile substances in the breathing gas is of increasing interest for metabolic examinations and for the early diagnosis of diseases.
  • the underlying scientific hypothesis is that as a result of different disease processes in the organism, substances are formed which are excreted in the smallest concentrations with the exhaled gas (expiratory gas). The substances characteristic of a specific disease thus change the composition of the expiratory gas.
  • the quantitative, chemical analysis of these disease-marking substances allows early diagnosis of the underlying disease. For a number of diseases such as Lung cancer, cirrhosis of the liver or intoxication with environmental toxins has already been demonstrated.
  • a fundamental problem in the quantitative, chemical analysis of the disease markers is their low concentration.
  • CONFIRMATION COPY however, it is important to draw either only inspiratory gas or only expiratory gas or inspiratory and expiratory gas synchronously.
  • the breathing phases, inspiration and expiration are usually defined according to mechanical criteria, with the change in direction of the gas flow marking the phase transition.
  • the exhaled air With the exhaled air, the C0 2 from the physiological metabolism is excreted.
  • the beginning of the expiration phase is defined by the reversal of the direction of the gas flow, but the first part of the expired gas volume corresponds to the volume of the dead space. That is the gas volume that does not come from the physiological gas exchange.
  • Exhaled gas which originates from the physiological gas exchange, only follows after the dead space volume has been exhaled.
  • a sampling gas extraction technique based on the mechanical phase division therefore always contains a gas portion that does not originate from the physiological gas exchange (dead space volume).
  • the measurement result is not insignificantly falsified by the proportion of gas within the sample gas originating from the dead space, whereby in particular the very low concentration of the substances to be examined has to be taken into account.
  • sampling gas without pre-concentration is a simple sampling technique that uses standardized breathing gas test sets that do not require a special laboratory and can be used to detect ethanol, hydrogen or 14 C0 2 in breathing gas.
  • Sampling gas with preconcentration is a much more complex process, but it is used in all laboratory tests.
  • the breathed gas can be collected directly in a container. The problem here is that with the container material or a container inner wall coating, the measurement result can distort interferences.
  • the breathing gas sample can also be passed through a concentrator, which is preferably designed as a chemical concentrator (chemical adsorption medium).
  • a concentrator which is preferably designed as a chemical concentrator (chemical adsorption medium).
  • the amount of substances it contains can be determined using chemical analysis methods.
  • a common feature of the known preconcentration methods is that, at best, they allow the analysis of volatile substances from the mixed-expiratory gas sample (dead space plus alveolar space). There is therefore no possibility of differentiating whether the detected substances come from the dead space or from the alveolar space.
  • Sampling gas is particularly difficult for mechanically ventilated intensive care patients, a group of patients who is particularly at risk from underlying or secondary diseases that are not recognized in time. Appropriate early diagnosis could help to save important therapeutically useful time.
  • taking breathing gas samples from ventilated patients is hampered by several factors. These patients cannot be brought to a laboratory. The breathing gas is carried in a breathing tube system without separation of inspiration and expiration gas.
  • the wall material of the breathing tubes stores substances such as disinfectants or inhalation anesthetics, which can interfere significantly with the chemical analysis of the disease-marking substances.
  • the problem is also with mechanical ventilation of the dead space volume when taking a sample gas is the same as for the spontaneously breathing patient. To make matters worse, however, with ventilation, the physiological dead space is supplemented by the dead space of the tube system up to the point where the sample gas is taken.
  • breathing gas is taken directly from the patient and that alveolar gas is branched off from the expiratory breathing gas and the substances to be examined from each alveolar gas sample over several breathing cycles by cumulative adsorption at least until the detection limit is reached to be collected.
  • the collecting device which has a breathing gas guide and a sample gas guide branched from it, provides for carrying out the method that it is designed for the pre-concentration of volatile substances of low concentration in the breathing gas and for this purpose the sample gas guide with a collecting device for in the Substances to be examined containing breathable gas which are branched out from breathing gas are provided that a changeover valve is arranged in front of the sample gas guide, which is connected to a control device for switching from the breathable gas guide to the sample gas guide and for supplying alveolar gas from several breaths to the collecting device for the cumulative preconcentration of the volatile substances and that a sample gas Conveyor device is connected.
  • the carbon dioxide concentration of the expiratory breathing gas is measured and that the breathing gas is branched off after a predeterminable carbon dioxide threshold value has been exceeded.
  • a carbon dioxide sensor connected to a carbon dioxide measuring device for detecting alveolar gas which is in control connection with the control device connected to the changeover valve, can preferably be arranged in the vicinity of the sample gas inlet area of the sample gas guide.
  • an electrical voltage signal which is proportional to the C0 2 concentration before the sample gas supply, can be given to the electronic control unit with which the capnogram (carbon dioxide concentration as a function of time) is analyzed and interpreted can.
  • the rise in the C0 2 signal is defined as a marker for the phase change from inspiration to expiration; the reverse is the Decrease in C0 2 concentration defined as a marker for the phase change from expiration to inspiration.
  • the control unit thus works as a phase discriminator and always delivers a switching pulse to the electrically controllable changeover valve when a phase change is detected.
  • the sample gas withdrawn can be separated exactly according to the metabolic phase division.
  • the respiratory phase separation after the metabolic phase division also gives the greatest possible substance yield with a minimal withdrawal time, i.e. with minimal strain on the patient.
  • expiratory or inspiratory breathing gas samples and, in the case of several sample gas guides, both expiratory and inspiratory breathing gas samples can be taken and examined.
  • breath gas samples it is therefore possible for breath gas samples to be taken automatically and in synchronism with the respiratory phase, both in spontaneously breathing and in mechanically ventilated patients.
  • the substances to be examined can be all volatile substances, but also other substances, for example heavy metals, allergens such as pollen and the like.
  • a measuring cell as part of a carbon dioxide sensor can expediently be inserted into a mouthpiece through which breathing gas flows or a breathing tube system, the measuring cell having a sampling gas sampling point. With this arrangement, the carbon dioxide measurement can be carried out in the main breathing gas flow, the sample gas guide and the changeover valve being able to be arranged directly at the measuring cell and the like.
  • the advantage of this main current measuring method is its high temporal resolution, with which rapid changes in the C0 2 - Concentration in the breathing gas can be detected.
  • a sample gas delivery device is preferably connected to the sample gas guide, which is preferably designed to deliver sample gas with a largely constant flow rate.
  • the constant delivery of the sample gas enables, among other things, simple volume allocation, which is advantageous for an exact evaluation, in particular a concentration determination.
  • a measuring device for measuring the delivered sample gas volume for direct, for example volumetric measurement or for calculating the sample gas volume from the time of one or more flow intervals and the flow rate volume per unit time is provided. In the latter case, the calculation is particularly simple if a constant delivery of the sample gas is provided.
  • a preferred embodiment of the invention provides that at least two sample gas guides are provided, that the valve is designed as a changeover valve for selectively connecting the sample gas sampling point to one of the sample gas guides and that one of the sample gas guides is provided for inspiration gas and the other sample gas guide for expiratory gas. This allows examinations of inhaled gas and exhaled gas samples to be carried out simultaneously in synchronism with the breathing phase.
  • the arrangement of the examination of the expiratory sample gas which may distort ingredients contained in the inhaled ambient air, can practically be hidden by this arrangement. This can the measurement result of the inspiratory sample gas is compared with the measurement result of the expiratory sample gas and the disturbance variable is masked out by compensation.
  • sample gas guides which can be acted upon with inspiration gas or expiratory gas, in particular by means of one or more multi-way valves for predeterminable sequences of breaths.
  • a large number of different investigations can be carried out, it being possible, for example, to provide measuring devices, filters or the like which are differently sensitive or react to different substances in the individual sample gas guides. It can also be used to carry out investigations in several sequences staggered over time and, inter alia, to detect changes in the substance concentration and the like.
  • At least one filter for the reversible storage of substances in particular at least one chemical adsorption filter, is provided in the sample gas guide for the expiratory gas and / or the sample gas guide for the inspiratory gas as a device for concentrating or preconcentrating the substances to be examined .
  • the expiratory and / or inspiratory sample gas is passed over a chemical adsorption medium, on which the substances to be analyzed accumulate through adsorption.
  • the substances to be analyzed accumulate through adsorption.
  • the substances can be separated from the adsorption medium and then sent for analysis.
  • breathing gas samples are taken synchronously with the breathing phase, the concentration of the disease-marking substances can be concentrated over several breathing cycles, which significantly improves their quantitative detection relieved or made possible in part.
  • Such chemical adsorption filters are available as exchangeable filter cartridges and are easy to handle and can be used in a simple manner in the sample gas ducts.
  • a shut-off valve for the branched breathing gas sample is provided near the sampling gas sampling point, which is arranged in particular in the intermediate tube inserted into the breathing gas through which the breathing gas flows or in the breathing tube system, optionally in the measuring cuvette.
  • the manually operated shut-off valve between the measuring cuvette or the intermediate tube and the changeover valve prevents accidental leakage of the breathing tube system in phases in which no sample gas is taken.
  • a modified embodiment of the invention provides that an intermediate pipe with a sample gas sampling point is inserted into a mouthpiece through which breathing gas flows or a breathing hose system, to which a carbon dioxide measuring device, preferably with an integrated pump, is connected via a connecting hose or the like, and that the Connect the carbon dioxide measuring device the changeover valve and the sample gas guide (s).
  • the carbon dioxide sensor belonging to the carbon dioxide measuring device is arranged in the branched bypass.
  • the connection between the ventilation system and the device according to the invention is only in the connecting tube.
  • a device which is usually available in the clinical field and into which the sensor and the feed pump are integrated can be used as the carbon dioxide measuring device.
  • the sample gas-carrying components are made of chemical inert material.
  • the hose system includes both the hose system and the other components connected to it, such as the feed pump, the changeover valve, the sample gas guides and the like.
  • This prevents the sample gas removed from being contaminated with substances that would otherwise have been stored by the wall material of the hose system and all parts that are in direct contact with the sample gas.
  • it is proposed to install the sample gas sampling point as close as possible to the patient's mouth.
  • the measuring cuvette / sampling tube is integrated into a mouthpiece for spontaneously breathing patients; for mechanically ventilated patients, the measuring cuvette / sampling tube is inserted between the Y-piece of the tube system and the endotracheal tube.
  • the control device is expediently designed to evaluate the capnogram formed by the carbon dioxide concentration as a function of time.
  • the time-cyclically changing C0 2 signal supplied by the carbon dioxide measuring device forms the capnogram with an ascending and a descending flank as well as an intermediate curve area, which is referred to as the alveolar plateau.
  • the control device evaluates this capnogram in that switchover threshold values, which are set on the rising and falling edge of the curve, are used to control the switchover valve.
  • switchover threshold values which are set on the rising and falling edge of the curve, are used to control the switchover valve.
  • the changeover threshold lying in the course of the curve is coupled in particular to the carbon dioxide peak value occurring in the curve of the alveolar plateau and is preferably approximately 70% to 95% of this peak value.
  • an absolute or a relative C0 2 concentration based on previously defined values of the C0 2 concentration, can be used as the switching threshold.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram representation of a device for taking sample gas connected to a spontaneously breathing patient
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram representation of a device for sampling gas sampling connected to a mechanically ventilated patient
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of a device for taking sample gas using a C0 2 measuring device operating according to the bypass method
  • Fig. 4 is a diagram with a section of a capnogram
  • a device 1 shown in FIG. 1 is used for taking breathing gas samples synchronously with the breathing phase in spontaneously breathing, awake and cooperative patient 2.
  • the patient his nose is closed with a clamp 3, breathes room air (arrow Pfl), which can also be mixed with test substances of various kinds, for example with radioactively labeled substances, antigens, allergens and the like, through a mouthpiece 4.
  • a measuring cell 5 of a commercial C0 2 main flow meter 6 is used.
  • a sample gas sampling point 19 is located on the cuvette 5 and is connected to an electrically controllable 3/2-way switch valve 7.
  • the two outputs of this changeover valve 7 are connected to two sample gas guides 20, 21, the opposite ends of which are connected and connected to a feed pump 12 via a sum branch 10.
  • the feed pump 12 draws sample gas from the measuring cell 5 to the outside (atmosphere) at a constant flow rate.
  • the sample gas is flushed through one of the two parallel branches 8 or 9 with the sample gas guides 20, 21 and through the common sum branch 10.
  • one or more chemical adsorption filters 11 can be inserted into the sample gas guides 20, 21.
  • the carbon dioxide sensor 22 measuring in the main breathing gas flow is connected to a C0 2 measuring device 6 which supplies an electronic control unit 13 with electrical voltage signals which are proportional to the C0 2 concentration of the breathing gas in the area of the measuring cell 5.
  • the control unit 13 analyzes the capnogram
  • the control unit 13 contains the measurement and display of the sample gas volume delivered over several breaths. Each switching pulse from the control unit switches between two possible positions of the changeover valve. In this way, the switching position of the changeover valve is defined by the current C0 2 concentration over any number of breathing cycles. With C0 2 -free breathing gas, the changeover valve goes, for example, to position '1' and with C0 2 -containing breathing gas to valve position '2'.
  • the two variable outputs of the changeover valve are pneumatically connected in parallel and connected via branches 8 and 9 and the sum branch 10 to the feed pump 12, with which sample gas is delivered at a constant delivery rate through the two output channels of the changeover valve connected in parallel and thus through the two sample gas guides 20, 21 can be.
  • C0 2 -free sample gas is conveyed intermittently, ie over several breathing cycles, via one of the parallel branches, and sample gas containing C0 2 , which comes from the patient's physiological gas exchange, is conveyed intermittently via the second parallel branch.
  • the determination of the sample gas volume takes place either by direct volume measurement in the two parallel branches 8 and 9 or indirectly by time measurement, in particular by cumulative measurement of the time intervals of the two valve positions of the switchover valve. Since the flow rate of the feed pump 12 is constant, the sample gas volume delivered through the parallel branch 8 or 9 results from the product, total time of the switching position of the changeover valve for the branch 8 or 9 times the pump flow.
  • the device 1 a shown in FIG. 2 is used for taking breathing gas samples synchronously with the respiratory phase in mechanically ventilated patients 2.
  • the patient is either ventilated in a controlled manner by a ventilator 23 or his spontaneous breathing is supported by the ventilator.
  • the patient's airways are via the breathing tube system 24 and the endotracheal tube 15 pneumatically connected to the ventilator.
  • the measuring cuvette 5 of the C0 2 main flow meter "B is also inserted between a Y-piece 16 of the tube system and the endotracheal tube 15.
  • a manually operated shut-off valve 14 is connected to the sample gas sampling point of the cuvette.
  • the shut-off valve 14 connects the measuring cuvette 5 to the electrically controllable 3/2-way switch valve 7.
  • the feed pump 12 draws sample gas from the measuring cell 5 outwards (atmosphere) at a constant flow rate.
  • the function of all other components corresponds to the arrangement according to FIG.
  • the changeover valve and the chemical adsorption filter are connected to the measuring cell by an easy-to-use clamp holder.
  • FIG. 3 shows the sample gas sampling device 1b when using a CO 2 measuring device which works on the bypass principle.
  • a mouthpiece 4 or a breathing tube system an intermediate tube 25 with a sample gas sampling point 19 is inserted, which is connected to the bypass C0 2 measuring device via a connecting tube 17.
  • the intermediate tube 25 is inserted into the mouthpiece 4 in the spontaneously breathing patient and in the mechanically ventilated patient instead of the main flow measuring cuvette 5 in the breathing tube system 4 (FIGS. 1 and 2).
  • sample gas is sucked out at a constant flow rate via the connecting hose 17 with the aid of a pump integrated in the bypass carbon dioxide measuring device 26. Due to the integrated pump, a separate feed pump can be dispensed with in this arrangement.
  • the carbon dioxide sensor is also located within the carbon dioxide measuring device 26.
  • the electrically controllable 3/2-way switch valve 7 is directly connected to the sample gas outlet 18 of the secondary flow measuring device 26 connected.
  • the changeover valve 7 is controlled by the electronic control device 13, which receives the C0 2 -proportional electrical voltage signal from the bypass carbon dioxide measuring device 26.
  • the following arrangement with the two sample gas guides 20, 21 in the parallel branches 8 and 9 and the common sum branch 10 and the chemical adsorption filter 11 corresponds to the arrangement according to FIGS. 1 and 2.
  • the sum branch 10 is open to the atmosphere.
  • FIG. 4 shows a section from the capnogram of a mechanically ventilated patient. The section shown comes from the expiration phase. After exhaling the dead space volume, the C0 2 concentration rises steeply and remains elevated for the duration of the alveolar plateau.
  • the gas originating from the physiological gas exchange is marked by the alveolar plateau of the capnogram.
  • the switchover points for controlling the switchover valve are marked in the capnogram as examples of implementation.
  • the switchover point A is the switchover point on the rising edge and B the switchover point on the falling edge.
  • the switchover point A on the rising flank of the capnogram can be at a presettable absolute threshold value, for example 3.5% by volume C0 2 .
  • the switchover point A can also be determined from the carbon dioxide curve of the previous expiration.
  • the switchover point B on a falling flank of the capnogram is at an adjustable and preferably relative value which is based on the maximum value C of the C0 2 concentration in the current alveolar plateau.
  • the C0 2 concentration at point B can, for example, correspond to 80% of the C0 2 concentration at point C.
  • Both switching thresholds for the sampling or switching valve are then automatically found by the device as relative values of the maximum C0 2 concentration: - For example switching to "sampling gas sample” at 80% of the learned or previous C0 2 peak value (rising edge of the Capnogram)
  • FIGS. 5 to 9 show the five analysis techniques possible through the two sample gas guides 20, 21 in the exemplary embodiment, which are also defined by the number and the installation location of the chemical adsorption filters 11 in the two sample gas guides 20, 21 of the branches 8, 9 connected in parallel.
  • the switching valve 7 By switching the switching valve 7, either sample gas is conveyed through the sample gas guide 20 in the branch 8 or through the sample gas guides 21 in the branch 9.
  • the currently measured CO 2 concentration defines the branch through which sample gas is being conveyed.
  • the changeover valve 7 goes into the valve position 'for example! ', in which the sample gas guide 20 is flowed through. If, on the other hand, CO 2 -containing breathing gas is detected, the changeover valve 7 goes into the other valve position '2', in which the sample gas guide 20 is flowed through.
  • FIG. 5 shows an arrangement in which only inspiratory breathing gas is examined.
  • An adsorption filter 11a is located in the inspiration branch 8 and the expiration branch 9 is connected as a bypass.
  • FIG. 6 shows an arrangement in which only expiratory breathing gas is examined.
  • An adsorption filter 11 is located in the expiration branch 9 and the inspiration branch 8 is as Bypass switched.
  • FIG. 7 shows an arrangement in which inspiratory and expiratory breathing gas are examined simultaneously and together.
  • An adsorption filter 11b is located in the common summation branch 10 and inspiratory and expiratory gas are supplied through the branches 8 and 9.
  • FIG. 8 shows an arrangement in which inspiratory and expiratory breathing gas are examined simultaneously and separately.
  • An adsorption filter 11a and 11 each are located in the inspiration branch 8 and in the expiration branch 9.
  • FIG. 9 finally shows an arrangement in which inspiratory and expiratory breathing gas are examined simultaneously and separately.
  • One adsorption filter 11, 11a, 11b each is located in the expiration branch 9, in the inspiration branch 8 and in the common summation branch 10.
  • alveolar gas is preferably detected with the aid of a carbon dioxide measurement.
  • a gas flow sensor connected to the control device 13 is provided in the breathing gas guide for detecting the direction of flow of the breathing gas.
  • the control device then expediently contains an integration unit for integrating the gas volume. So that a direct actuation of the changeover valve and thus a supply of dead space volume to the sample gas duct is avoided when the flow direction is changed, an adjustable control device is provided for time-delayed switching of the valve or dependent on a predeterminable dead space volume after detecting a flow reversal. Pure alveolar gas can also be supplied to the sample gas guide in this way, for example if no carbon dioxide measuring device is available.
  • the following main advantages result: 1. Avoid contamination of the sample gas with stored substances and thus an interference with the chemical analysis (falsification of the analysis results). 2.
  • the sampled gas is separated over several breathing cycles exactly according to the metabolic phase division. 3.
  • the separation according to the metabolic phase division results in the greatest possible substance yield with a minimal withdrawal time, ie with minimal stress for the patient. 4. No additional flow resistance in the patient's airways. 5. Universal applicability.

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) dienen zum Sammeln von zumindest im expiratorischen Atemgas eines Patienten enthaltenen, volatilen Substanzen geringer Konzentration. Die Sammel-Vorrichtung weist eine Atemgasführung und eine davon abzweigende Probengasführung (20, 21) auf und ist zur Vorkonzentration von entnommenen, volatilen Substanzen geringer Konzentration im Atemgas ausgebildet. Die Probengasführung (20, 21) enthält dazu eine Sammeleinrichtung (11) für in den vom Atemgas abgezweigten Atemgasproben enthaltene, zu untersuchende Substanzen. Vor der Probengasführung (20, 21) ist ein Umschaltventil (7) angeordnet, das mit einer Steuereinrichtung (13) zum Umschalten von der Atemgasführung auf die Probengasführung (20, 21) und zum Zuführen von Alveolargas aus mehreren Atemzügen zu der Sammeleinrichtung (11) zur kumulativen Vorkonzentration der volatilen Substanzen verbunden ist. An die Probengasführung (20, 21) ist eine Probengas-Fördereinrichtung (12) angeschlossen.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM SAMMELN VON VOLATILEN SUBSTANZEN IM EXPIRA¬ TORISCHEN ATEMGAS
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sammeln von zumindest im exspiratorischen Atemgas eines Patienten enthaltenen, volatilen Substanzen geringer Konzentration.
Für Stoffwechselunterεuchungen und zur Frühdiagnostik von Erkrankungen gewinnt die quantitative, chemische Analyse von volatilen Substanzen im Atemgas zunehmendes Interesse. Die zugrundeliegende wissenschaftliche Hypothese ist, daß sich als Folge von unterschiedlichen Krankheitsprozessen im Organismus Substanzen bilden, die in kleinsten Konzentrationen mit dem Ausatemgas (Exspirationsgas) ausgeschieden werden. Die für eine bestimmte Erkrankung charakteristischen Substanzen verändern also die Zusammensetzung des Exspirationsgases. Es gibt Hinweise dafür, daßdie quantitative, chemische Analyse dieser krankheits- markierenden Substanzen eine frühzeitige Diagnose der zu¬ grundeliegenden Erkrankung erlaubt. Für eine Reihe von Erkrankungen wie z.B. Lungenkrebs, Leberzirrhose oder Intoxika¬ tion mit Umweltgiften wurde dies auch bereits nachgewiesen. Ein grundsätzliches Problem bei der quantitativen, chemischen Analyse der Krankheitsmarker ist deren geringe Konzentration. Die üblichen Substanzkonzentrationen liegen im Nanomol (nmol) - Bereich und benötigen zu ihrer Analyse aufwendige Labortechniken wie die Gaschromatographie oder die Massenspektrometrie. Diese aufwendigeAnalysetechnik ist einwesentlicherGrunddafür, daß das beschriebene Verfahren der Frühdiagnostik bisher auf spontanatmende und kooperative Patienten beschränkt war. Diese Patienten können zum einen ein entsprechend ausgestattetes Analyselabor aufsuchen und sie können zum andern nach Instruktion durch den Mund exspirieren und damit ihr Exspirationsgas über ein Mundstück der Analyse zuführen.
In der Regel ist man an der Entnahme von Exspirationsgas interessiert. Je nach Fragestellung und Untersuchungsziel kann
BESTATIGUNGSKOPIE es jedoch wichtig sein, entweder nur Inspirationsgas oder nur Exspirationsgas oder Inspirations- und Exspirationsgas synchron zu entnehmen. In jedem Fall besteht aber der Wunsch nach einer Atemphasen-synchronen Entnahme von Atemgasproben. Die Definition der Atemphasen, Inspiration und Exspiration, erfolgt üblicherweise nach mechanischen Kriterien, wobei der Richtungswechsel des Gasflußes den Phasenübergang markiert. Mit der Ausatemluft wird das aus dem physiologischen Stoffwechsel stammende C02 ausgeschieden. Der Beginn der Exspirationsphase ist durch die Richtungsumkehr des Gasflusses definiert, der erste Teil des exspirierten Gasvolumens entspricht jedoch dem Volumen des Totraumes. Das ist dasjenige Gasvolumen, das nicht aus dem physiologischen Gasaustausch stammt. Erst nachdem das Totraumvolumen ausgeatmet ist, folgt Ausatemgas, das aus dem physiologischen Gasaustausch stammt. Eine Probengas-Entnahme¬ technik nach der mechanischen Phaseneinteilung enthält also zwangsläufig immer einen Gasanteil, der nicht aus dem physiologi¬ schen Gasaustausch stammt (Totraumvolumen) . Durch den aus dem Toträum stammenden Gasanteil innerhalb des Probengases wird das Meßergebnis nicht unerheblich verfälscht, wobei insbesondere die sehr geringe Konzentration der zu untersuchenden Substanzen zu berücksichtigen ist.
Je nach Konzentration der zu untersuchenden Substanzen werden zwei verschiedeneVerfahrender Probengasentnahme unterschieden, nämlich die Probengasentnahme ohne Vorkonzentration (bei hohen Substanzkonzentrationen) und die Probengasentnahme mit Vorkonzentration (bei extrem niedriger Substanzkonzentration) . Bei der Probengasentnahme ohne Vorkonzentration handelt es sich um eine einfache Entnahmetechnik, bei der standardisierte Atemgas-Testsets verwendet werden, die kein spezielles Labor erfordern und etwa zum Nachweis von Äthanol, Wasserstoff oder 14C02 im Atemgas einsetzbar sind. Bei der Probengasentnahme mit Vorkonzentration handelt es sich um ein weitaus aufwendigeres Verfahren, das aber bei allen Laboruntersuchungen angewendet wird. Dabei kann das entnommene Atemgas direkt in einem Behälter aufgefangen werden. Problema¬ tisch ist hierbei, daß mit dem Behältermaterial oder einer Behälter-Innenwandbeschichtung das Meßergebnis verfälschende Interferenzen auftreten können. Zur Vorkonzentration der zu analysierenden Substanzen kann die Atemgasprobe auch über einen Konzentrator geleitet werden, der vorzugsweise als chemischer Konzentrator (chemisches Adsorptionsmedium) ausgebildet ist. Nach entsprechender Aufbereitung der Atemgasprobe kann die darin enthaltene Menge an Substanzen mit chemischen Analysemethoden bestimmt werden.
Gemeinsames Merkmal der bekannten Vorkonzentrationsverfahren ist es, daß sie bestenfalls die Analyse volatiler Substanzen aus der gemischt-exspiratorischen Atemgasprobe (Totraum plus Alveolarraum) erlauben. Es besteht somit keine UnterScheidungs¬ möglichkeit, ob die nachgewiesenen Substanzen aus dem Totraum oder aus dem Alveolarraum stammen. Besonders schwierig gestaltet sich die Probengasentnahme bei mechanisch beatmeten Intensivpatienten, einer Patientengruppe, die gerade durch nicht rechtzeitig erkannte Grund- oder Folgeerkrankungen besonders gefährdet ist. Eine entsprechende Frühdiagnostik könnte helfen, wichtige therapeutisch nutzbare Zeit zu gewinnen. Die Entnahme von Atemgasproben wird bei beatmeten Patienten jedoch durch mehrere Faktoren erschwert. Diese Patienten können nicht in ein Labor gebracht werden. Das Atemgas wird in einem Atemschlauchsystem ohne Trennung von Inspirations- und Exspirationsgas geführt. Besonders problematisch ist auch, daß das Wandmaterial der Atemschläuche Substanzen wie etwa Desinfektionsmittel oder Inhalationanästhetika speichert, die mit der chemischen Analyse der krankheitsmarkierenden Substanzen erheblich interferieren können. Weiterhin ist auch bei mechanischer Beatmung die Problematik des Totraumvolumens bei einer Probengas-Entnahme gleich wie beim spontanatmenden Patienten. Erschwerend kommt bei Beatmung allerdings hinzu, daß zum physiologischen Totraum noch der Tötraum des Schlauchsystems bis zum Ort der Probengasentnahme hinzukommt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit weitestgehend unverfälschte Atemgasproben sowohl bei spontanatmenden als auch bei mechanisch beatmeten Patienten entnehmbar und eventuell darin enthaltene, volatile Substanzen geringer Konzentration nachweisbar und für vereinfachte Untersuchungsmethoden mit weniger sensitiven Sensoren aufbereitbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens vorgeschlagen, daß Atemgas direkt von dem Patienten entnommen wird, und daß aus dem exspiratorischen Atemgas Alveolargas abgezweigt und über mehrere Atemzyklen hinweg aus jeder Alveolargas-Probe die zu untersuchende Substanzen durch kumulative Adsorption wenigstens bis zum Erreichen der Nachweisgrenze gesammelt werden.
Die erfindungsgemäße Sammel-Vorrichtung, die eine Atemgasführung und eine davon abgezweigte Probengasführung aufweist, sieht zur Durchführung des Verfahrens vor, daß sie zur Vorkonzentration von entnommenen, volatilen Substanzen geringer Konzentration im Atemgas ausgebildet ist und daß dazu die Probengasführung mit einer Sammeleinrichtung für in den vom Atemgas abgezweigten Atemgasproben enthaltene, zu untersuchende Substanzen versehen ist, daß vor der Probengasführung ein Umschaltventil angeordnet ist, das mit einer Steuereinrichtung zum Umschalten von der Atemgasführung auf die Probengasführung und zum Zuführen von Alveolargas aus mehreren Atemzügen zu der Sammeleinrichtung zur kumulativen Vorkonzentration der volatilen Substanzen verbunden ist und daß an die Probengasführung eine Probengas- Fordereinrichtung angeschlossen ist.
Mit diesen Maßnahmen können Substanzen geringster Konzentration selbst unterhalb der Nachweisgrenze so auf- oder vorkonzentriert werden, daß Untersuchungen an diesen Substanzen nunmehr möglich sind. Da durch das kumulative Vorkonzentrieren über mehrere Atemzuge hinweg die gesammelte Menge an Substanz in weiten Grenzen variabel ist, können anschließend auch weniger komplizierte und damit billigere Auswerteverfahren eingesetzt werden beziehungsweise es ist nun auch möglich, Substanzkonzen- trationen, die im Pikomolbereich liegen, so anzureichern, daß Analysen möglich sind..
Da beim Sammeln der volatilen Substanzen ausschließlich Alveolargas, also nur das tatsächlich aus dem physiologischen Stoffwechsel stammende Ausatemgas ohne Totraumvolumen verwendet wird, stehen somit unverfälschte Atemgasproben zur Verfügung. Entsprechend genaue Auswertungen der gesammelten Substanzen sind dadurch möglich.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Kohlendioxidkonzentration des exspiratorischen Atemgases gemessen wird und daß nach dem Überschreiten eines vorgebbaren Kohlendioxidschwellwertes das Atemgas abgezweigt wird.
Dazu kann als praktikable Ausführungsform vorzugsweise in der Nähe des Probengas-Eintrittsbereiches der Probengasführung ein mit einem Kohlendioxidmeßgerät verbundener Kohlendioxid-Sensor zum Detektieren von Alveolargas angeordnet sein, der mit der an das Umschaltventil angeschlossenen Steuereinrichtung in Steuerverbindung steht.
Mit Hilfe des C02-Messgerates kann ein elektrisches Spannungs¬ signal, das der C02-Konzentration vor der Probengasführung proportional ist, an die elektronische Steuereinheit gegeben werden, mit der das Kapnogramm (Kohlendioxid-Konzentration als Funktion der Zeit) analysiert und interpretiert werden kann. Der Anstieg des C02-Signals wird als Marker für den Phasenwechsel von Inspiration nach Exspiration definiert; umgekehrt wird der Abfall der C02-Konzentration als Marker für den Phasenwechsel von Exspiration nach Inspiration definiert.
Die Steuereinheit arbeitet somit als Phasendiskriminator und gibt immer bei Erkennen eines Phasenwechsels einen Schaltimpuls an das elektrisch ansteuerbare Umschaltventil ab.
Da als Trennkriterium zwischen den beiden Atemphasen, Inspiration und Exspiration, nicht der Richtungswechsel des Gasflusses, sondern der Konzentrationswechsel von Kohlendioxid dient, kann das entnommene Probengas exakt nach der metabolischen Phasenein- teilung getrennt werden.
Die Atemphasen-Trennung nach der metabolischen Phaseneinteilung ergibt auch eine größtmögliche Substanzausbeute bei minimaler Entnahmezeit, d.h. bei minimaler Belastung für den Patienten. Mit dieser Vorrichtung können exakt gesteuert exspiratorische oder inspiratorische und bei mehreren Probengasführungen auch sowohl exspiratorische als auch inspiratorische Atemgasproben entnommen und untersucht werden.
Es ist somit insgesamt eine automatische und Atemphasen-synchrone Entnahme von Atemgasproben sowohl bei spontanatmenden als auch bei mechanisch beatmeten Patienten möglich.
Die zu untersuchenden Substanzen können alle volatilen Substanzen, aber auch andere Substanzen, beispielsweise Schwermetalle, Allergene wie zum Beispiel Blütenpollen und dergleichen sein. Zweckmäßigerweise kann in ein Atemgas-durchströmtes Mundstück oder ein Atemschlauchsystem eine Meßküvette als Teil eines Kohlendioxidsensors eingesetzt sein, wobei die Meßküvette eine Probengasentnahmestelle aufweist. Mit dieser Anordnung kann die Kohlendioxidmessung im Atem- gashauptstrom erfolgen, wobei die Probengasführung und das Umschaltventil direkt bei der Meßküvette und dergleichen angeordnet sein können.
Vorteilhaft bei diesem Hauptstrommeßverfahrens ist dessen hohe zeitliche Auflösung, mit der schnelle Änderungen der C02- Konzentration im Atemgas erfaßt werden können.
Vorzugsweise ist an die Probengasführung eine Probengas- Fördereinrichtung angeschlossen, die vorzugsweise zur Förderung von Probengas mit weitgehend konstanter Flußrate ausgebildet ist.
Die konstante Förderung des Probengases ermöglicht unter anderem eine einfache Volumenzuordnung, die für eine exakte Auswertung, insbesondere eine Konzentrationsbestimmung vorteilhaft ist. Dabei besteht die Möglichkeit, daß eine Meßeinrichtung zumMessen des geförderten ProbengasVolumens zur direkten, zum Beispiel volumetrischen Messung oder zum Berechnen des Probengasvolumens aus der Zeit von einem oder mehreren Durchströmungsintervallen sowie dem Förderstromvolumen pro Zeiteinheit vorgesehen ist. Im letzten Fall ist die Berechnung dann besonders einfach, wenn eine konstante Förderung des Probengases vorgesehen ist. Ohne die vorerwähnte Zuordnung von Probengasvolumen und der gesammelten Menge an volatilen Substanzen ist zwar keine Konzentrationsbestimmung möglich, jedoch ist damit auch schon der Nachweis von bestimmten, volatilen Substanzen möglich und damit Untersuchungen an diesen Substanzen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß wenigstens zwei Probengasführungen vorgesehen sind, daß das Ventil als Umschaltventil zum wahlweisen Verbinden der Probengasentnahmestelle mit einer der Probengasführungen ausgebildet ist und daß vorzugsweise eine der Probengasführungen für Inspirationsgas und die andere Probengasführung für Exspirationsgas vorgesehen ist. Damit lassen sich Atemphasen-synchron gleichzeitig Untersuchungen an Einatemgas- und Ausatemgasproben durchführen.
Besonders vorteilhaft ist hierbei auch, daß durch diese Anordnung die Untersuchung des exspiratorischen Probengases gegebenenfalls verfälschende, in der eingeatmeten Umgebungsluft enthaltene Inhaltstoffe praktisch ausgeblendet werden können. Dazu kann das Meßergebnis des inspiratorischen Probengases mit dem Meßergebnis des exspiratorischen Probengases verglichen und dabei durch Kompensation die Störgröße ausgeblendet werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, daß mehrere, insbesondere mehr als zwei Probengasführungen vorgesehen sind, die insbesondere mittels eines oder mehrerer Mehrwegeventile für vorgebbare Sequenzen von Atemzügen mit Inspirationsgas oder Exspirationsgas beaufschlagbar sind. Mit einer solchen Anordnung lassen sich eine Vielzahl unter¬ schiedlicher Untersuchungen durchführen, wobei zum Beispiel bei den einzelnen Probengasführungen unterschiedlich empfindliche oder auf unterschiedliche Substanzen reagierende Meßein¬ richtungen, Filter oder dergleichen vorgesehen sein können. Auch lassen sich damit Untersuchungen in mehreren, zeitlich gestaffelten Sequenzen durchführen und unter anderem Ver¬ änderungen der Substanzkonzentration und dergleichen nachweisen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Probengasführung für das Exspirationsgas und/oder der Probengasführung für das Inspirationsgas als Einrichtung zur Auf-beziehungsweise Vorkonzentration der zu untersuchenden Substanzen wenigstens ein Filter zur reversiblen Speicherung von Substanzen, insbesondere wenigstens ein chemisches Adsorptionsfilter vorgesehen ist.
Hierbei wird das exspiratorische und/oder inspiratorische Probengas über ein chemisches Adsorptionsmedium geleitet, an welchem sich die zu analysierenden Substanzen durch Adsorption anreichern. Mit speziellen Desorptionsverfahren können die Substanzen vom Adsorptionsmedium getrennt und anschließend der Analyse zugeführt werden. Bei der Atemphasen-synchronen Entnahme von Atemgasproben kann so eine über mehrere Atemzyklen reichende Aufkonzentration der krankheitsmarkierenden Substanzen stattfinden, was deren quantitativen Nachweis erheblich erleichtert oder zum Teil erst ermöglicht.
Solche chemischen Adsorptionsfilter stehen als auswechselbare Filterpatronen zur Verfügung und lassen sich gut handhaben und auf einfache Weise bei den Probengasführungen einsetzen.
Gegebenenfalls ist nahe der Probengasentnahmestelle ein Absperrventil für die abgezweigte Atemgasprobe vorgesehen, das insbesondere bei dem in das Atemgas-durchströmten Mundstück oder in das Atemschlauchsystem eingesetzte Zwischenrohr, gegebenenfalls bei der Meßküvette angeordnet ist.
Insbesondere bei mechanisch beatmeten Patienten kann durch das manuell zu betätigende Absperrventil zwischen Messküvette beziehungsweise Zwischenrohr und Umschaltventil eine unbe¬ absichtigte Leckage des Atemschlauchsystems in Phasen, in denen kein Probengas entnommen wird, vermieden werden.
Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß in ein Atemgas-durchströmtes Mundstück oder ein Atemschlauch¬ system ein Zwischenrohr mit einer Probengasentnahmestelle eingesetzt ist, an die über einen Verbindungsschlauch oder dergleichen ein Kohlendioxidmeßgerät vorzugsweise mit integrier¬ ter Pumpe angeschlossen ist und daß sich an das Kohlen¬ dioxidmeßgerät das Umschaltventil sowie die Probengasführung(en) anschließen. Der zum Kohlendioxidmeßgerät gehörende Kohlendioxidsensor ist hierbei im abgezweigten Nebenstrom angeordnet. Die Verbindung zwischen Beatmungsanlage und der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht dabei nur in dem Verbindungsschlauch. Als Kohlendioxidmeßgerät kann ein im klinischen Bereich üblicherweise vorhandenes Gerät verwendet werden, in das der Sensor und die Förderpumpe integriert sind.
Insbesondere bei dem Nebenstrommeßverfahren ist es besonders wichtig, daß die Probengas führenden Komponenten aus chemisch inertem Material bestehen.
Dies umfaßt sowohl das Schlauchsystem als auch die weiteren, damit verbundenen Komponenten, wie die Förderpumpe, das Umschaltventil, die Probengasführungen und dergleichen. Dadurch wird verhindert, daß das entnommene Probengas mit Substanzen, die sonst durch das Wandmaterial des Schlauchsystems und alle in direktem Kontakt mit dem Probengas stehenden Teile gespeichert wurden, kontaminiert werden. Um die Gefahr der Kontamination weiter zu verringern, wird vorgeschlagen, die Probengasentnahmestelle möglichst nahe am Mund des Patienten zu installieren. Dazu wird bei spontanatmenden Patienten die Messküvette/Entnahmerohr in ein Mundstück integriert, bei mechanisch beatmeten Patienten wird die Messküvette/Entnahmerohr zwischen Y-Stück des Schlauchsystems und Endotrachealtubus eingefügt.
Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung zur Auswertung des durch die Kohlendioxidkonzentration als Funktion der Zeit gebildeten Kapnogramms ausgebildet. Das vomKohlendioxidmeßgerät gelieferte, atemzyklischwechselnde C02-Signal bildet in seinem zeitlichen Verlauf das Kapnogramm mit einer aufsteigenden und einer abfallenden Flanke sowie einem dazwischen liegenden Kurvenbereich, der als Alveolarplateau bezeichnet wird. Die Steuereinrichtung wertet dieses Kapnogramm aus, indem auf der aufsteigenden und der abfallenden Kurvenflanke einstellbar festgelegte Umschaltschwellwerte zum Ansteuern des Um- schaltventiles dienen. Dabei besteht die Möglichkeit, daß der im abfallenden Kurvenver- lauf liegende Umschaltschwellwert insbesondere an den im Kurvenverlauf des Alveolarplateaus auftretenden Kohlendioxid- Spitzenwert gekoppelt ist und vorzugsweise etwa 70% bis 95% dieses Spitzenwertes beträgt. Für die Detektion der ansteigenden und der abfallenden Flanke des Kapnogramms kann eine absolute oder eine relative C02- Konzentration, bezogen auf vorangegangene definierte Werte der C02-Konzentration als Schaltschwelle verwendet werden.
Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt :
Fig. 1 eine schematische Blockbild-Darstellung einer mit einem spontanatmenden Patienten verbundenen Vor¬ richtung zur Probengas-Entnahme,
Fig. 2 eine schematische Blockbild-Darstellung einer mit einem mechanisch beatmeten Patienten verbundenen Vorrichtung zur Probengas-Entnahme,
Fig. 3 eine schematische Blockbild-Darstellung einer Vorrichtung zur Probengas-Entnahme unter Verwendung eines nach dem Nebenstromverfahren arbeitenden C02- Messgerätes,
Fig. 4 ein Diagramm mit einem Ausschnitt aus einem Kapnogramm und
Fig. 5 bis
Fig. 9 schematische Blockbild-Darstellungen mit unter¬ schiedlichen Kombinationen der Anordnung von che- mischen Adsorptionsfiltern
Eine in Figur 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Atemphasen- synchronen Entnahme von Atemgasproben beim spontanatmenden, wachen und kooperativen Patienten 2. Der Patient, dessen Nase mit einer Klemme 3 verschlossen ist, atmet Raumluft (Pfeil Pfl) , die auch mit Testsubstanzen der unterschiedlichsten Art, zum Beispiel mit radioaktiv markierten Substanzen, Antigenen, Allergenen und dergleichen versetzt sein kann, über ein Mundstück 4. In das vom Atemgas-Hauptstrom durchströmte Mundstück ist als Teil eines Kohlendioxidsensors 22 eine Messküvette 5 eines kommerziellen C02-Hauptstrommeßgerätes 6 eingesetzt. An der Küvette 5 befindet sich eine Probengasentnahmestelle 19, die mit einem elektrisch ansteuerbares 3/2-Wege-Umschaltventil 7 verbunden ist. Die beiden Ausgänge dieses Umschaltventiles 7 sind an zwei Probengasführungen 20, 21 angeschlossen, deren gegenüberliegende Enden verbunden und über einen Summenzweig 10 an eine Förderpumpe 12 angeschlossen sind. Die Förderpumpe 12 zieht mit konstanter Flußrate Probengas aus der Meßküvette 5 nach außen (Atmosphäre) ab. Je nach Schalt¬ stellung des Umschaltventils 7 wird das Probengas durch einen der beiden parallelen Zweige 8 oder 9 mit den Probengasführungen 20, 21 und durch den gemeinsamen Summenzweig 10 gespült. Je nach der gewünschten Atemgas-Untersuchung können ein oder mehrere chemische Adsorptionsfilter 11 in die Probengasführungen 20, 21 eingesetzt werden.
Der im Atemgas-Hauptstrom messende Kohlendioxidsensor 22 ist mit einem C02-Meßgerät 6 verbunden, das an eine elektronische Steuereinheit 13 elektrische SpannungsSignale liefert, die der C02-Konzentration des Atemgases im Bereich der Meßküvette 5 proportional sind. Die Steuereinheit 13 analysiert das Kapnogramm
(C02-Konzentration als Funktion der Zeit) und gibt bei ansteigender und abfallender Flanke jeweils einen Umschaltimpuls an das Umschaltventil 7, worauf dieses seine Schaltposition verändert. Das Umschalten bei ansteigender und bei abfallender Flanke des Kapnogramms erfolgt bei einem einstellbaren absoluten oder relativen Schwellwert der C02-Konzentration. Die Steuer¬ einheit 13 beinhaltet die Messung und Anzeige des über mehrere Atemzüge hinweg geförderten ProbengasVolumens. Durch jeden Schaltimpuls der Steuereinheit wird zwischen zwei möglichen Positionen des Umschaltventils gewechselt. Auf diese Weise ist die Schaltposition des Umschaltventils über beliebig viele Atemzyklen hinweg durch die momentane C02-Konzentration definiert. Bei C02-freiem Atemgas geht das Umschaltventil beispielsweise in die Position '1' und bei C02-haltigem Atemgas in die Ventilposition '2'.
Die beiden variablen Ausgänge des Umschaltventils sind pneumatisch parallel geschaltet und über die Zweige 8 und 9 sowie den Summenzweig 10 mit der Förderpumpe 12 verbunden, mit der Probengas mit konstanter Förderrate durch die beiden parallelgeschalteten Ausgangskanäle des Umschaltventils und damit durch die beiden Probengasführungen 20,21 gefördert werden kann. Über einen der parallelen Zweige wird intermittierend, d.h. über mehrere Atemzyklen hinweg, C02-freies Probengas gefördert, über den zweiten parallelen Zweig wird intermittierend C02- haltiges Probengas gefördert, welches aus dem physiologischen Gasaustausch des Patienten stammt. Die gegebenenfalls nach Inspiration und Exspiration getrennte Bestimmung des Probengasvolumens erfolgt entweder durch direkte Volumenmessung in den beiden parallelen Zweigen 8 und 9 oder indirekt durch Zeitmessung, insbesondere durch kumulative Messung der Zeitintervalle der beiden Ventilpositionen des Umschaltventi¬ les. Da die Flußrate der Förderpumpe 12 konstant ist, ergibt sich das durch den Parallelzweig 8 oder 9 geförderte Proben¬ gasvolumen aus dem Produkt, Gesamtzeit der Schaltposition des Umschaltventiles für den Zweig 8 oder 9 mal Pumpenfluß.
Die in Figur 2 gezeigte Vorrichtung la dient zur Atemphasen- synchronen Entnahme von Atemgasproben bei mechanisch beatmeten Patienten 2. Der Patient wird durch ein Beatmungsgerät 23 entweder kontrolliert beatmet oder seine Spontanatmung wird durch das Beatmungsgerät unterstützt. Die Atemwege des Patienten sind über das Atemschlauchsystem 24 und den endotrachealen Tubus 15 pneumatisch mit dem Beatmungsgerät verbunden. Zwischen einem Y-Stück 16 des Schlauchsystems und dem endotrachealen Tubus 15 ist auch hier die Messküvette 5 des C02-Hauptstrommeßgerätes "B eingesetzt. An der Probengasentnahmestelle der Küvette ist ein manuell zu betätigendes Absperrventil 14 angeschlossen. Das Absperrventil 14 verbindet die Meßküvette 5 mit dem elektrisch ansteuerbaren 3/2-Wege-Umschaltventil 7. Bei geöffnetem Absperrventil 14 zieht die Förderpumpe 12 mit konstanter Flußrate Probengas aus der Meßküvette 5 nach außen (Atmosphäre) ab. Die Funktion aller übrigen Komponenten entspricht der Anordnung gemäß Figur 1.
Bei der Anwendung der Probengasentnahme-Einrichtung bei mechanisch beatmeten Patienten werden Umschaltventil und die chemischen Adsorptionsfilter durch eine einfach zu handhabende Klemmhalterung mit der Meßküvette verbunden.
Figur 3 zeigt die Probengasentnahme-Vorrichtung lb bei Verwendung eines C02-Messgerätes, das nach dem Nebenstromprinzip arbeitet. In ein Mundstück 4 oder ein Atemschlauchsystem ist hier ein Zwischenrohr 25 mit einer Probengasentnahmestelle 19 eingesetzt, die über einen Verbindungsschlauch 17 mit dem Nebenstrom-C02- Messgerät verbunden ist. Das Zwischenrohr 25 wird beim spontanatmenden Patienten in das Mundstück 4 und beim mechanisch beatmeten Patienten anstelle der Hauptstrom-Messküvette 5 in das Atemschlauchsystem 4 (Figuren 1 und 2) eingesetzt. Durch eine seitliche Bohrung als Probengasentnahmestelle 19 in dem Zwischerohr 25 wird mit Hilfe einer im Nebenstrom- Kohlendioxidmeßgerät 26 integrierten Pumpe Probengas über den Verbindungsschlauch 17 mit konstanter Flußrate abgesaugt. Durch die integrierte Pumpe kann bei dieser Anordnung eine separate Förderpumpe entfallen.
Auch der Kohlendioxidsensor befindet sich innerhalb des Kohlendioxidmeßgerätes 26.
Das elektrisch ansteuerbare 3/2-Wege-Umschaltventil 7 ist direkt mit dem Probengasauslaß 18 des Nebenstrom-Meßgerätes 26 verbunden. Das Umschaltventil 7 wird von der elektronischen Steuereinrichtung 13 angesteuert, welches das C02-proportionale elektrische Spannungssignal vom Nebenstrom-Kohlendioxidmeßgerät 26 empfängt. Die nachfolgende Anordnung mit den beiden Probengasführungen 20,21 in den parallelen Zweigen 8 und 9 und dem gemeinsamen Summenzweig 10 und dem chemischen Adsorptions¬ filter 11 entspricht der Anordnung gemäß Figur 1 und 2. Der Summenzweig 10 ist nach Atmosphäre hin offen. Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Kapnogramm eines mechanisch beatmeten Patienten. Der gezeigte Ausschnitt stammt aus der Exspirationsphase. Nach Ausatmung des Totraumvolumens steigt die C02-Konzentration steil an und bleibt für die Dauer des Alveolarplateaus erhöht. Das aus dem physiologischen Gasaustausch stammende Gas ist durch das Alveolarplateau des Kapnogramms markiert. Im Kapnogramm sind als Realisierungsbei- spiele die Umschaltpunkte zur Ansteuerung des Umschaltventils markiert.
A ist der Umschaltpunkt bei ansteigender Flanke und B der Umschaltpunkt bei abfallender Flanke. Der Umschaltpunkt A bei ansteigender Flanke des Kapnogramms kann bei einem voreinstell¬ baren absoluten Schwellwert, z.B. 3.5 Vol-% C02, liegen. Der Umschaltpunkt A kann aber auch aus der Kohlendioxidkurve der vorausgegangenen Exspiration ermittelt werden. Der Umschaltpunkt B bei abfallender Flanke des Kapnogramms liegt bei einem einstellbaren und vorzugsweise relativen Wert, der auf den Maximalwert C der C02-Konzentration im momentanen Alveolarplateau bezogen ist. Die C02-Konzentration im Punkt B kann beispielsweise 80 % der C02-Konzentration im Punkt C entsprechen. Da gerade bei mechanischer Beatmung die erreichten C02- Konzentrationen des Alveolargases sehr stark variieren können, da sie vom eingestellten Beatmungsmuster (Atemzugvolumen und Atemfrequenz) abhängen, kann eine Lernphase von zum Beispiel zehn Atemzügen vorgesehen sein. In dieser Lernphase lernt die Steuereinheit die maximale exspiratorische C02-Konzentration.
Beide Umschaltschwellen für das Entnahme- oder Umschaltventil werden dann als Relativwerte der maximalen C02-Konzentration automatisch vom Gerät gefunden: - zum Beispiel Umschalten auf "Entnahme-Gasprobe" bei 80% vom gelernten beziehungsweise vorangegangenen C02-Spitzen- wert (ansteigende Flanke des Kapnogramms)
- zum Beispiel Umschalten auf "Nicht-Entnahme-Gasprobe" bei 90% vom vorangegangenen C02-Spitzenwert (abfallende Flanke des Kapnogramms) .
Die Figuren 5 bis 9 zeigen die durch die im Ausführungsbeispiel zwei Probengasführungen 20,21 möglichen fünf Analysetechniken, die auch durch die Anzahl sowie den Einbauort der chemischen Adsorptionsfilter 11 in die beiden Probengasführungen 20,21 der parallelgeschalteten Zweige 8,9 definiert sind. Durch Umschalten des Umschaltventils 7 wird entweder Probengas durch die Probengasführung 20 in dem Zweig 8 oder durch die Probengasführungen 21 in dem Zweig 9 gefördert. Durch welchen Zweig gerade Probengas gefördert wird, wird von der momentan gemessenen C02-Konzentration definiert.
Wird C02-freies Atemgas detektiert, geht das Umschaltventil 7 beispielsweise in die Ventilposition ' ! ' , in der die Probengasführung 20 durchströmt wird. Wird dagegen C02-haltiges Atemgas detektiert, geht das Umschaltventil 7 in die andere Ventilposition '2', in der die Probengasführung 20 durchströmt wird.
Figur 5 zeigt eine Anordnung, bei der nur inspiratorisches Atemgas untersucht wird. Ein Adsorptionsfilter 11a befindet sich im Inspirationszweig 8 und der Exspirationszweig 9 ist als Bypass geschaltet.
Figur 6 zeigt eine Anordnung, bei der nur exspiratorisches Atemgas untersucht wird. Ein Adsorptionsfilter 11 befindet sich im Exspirationszweig 9 und der Inspirationszweig 8 ist als Bypass geschaltet.
Figur 7 zeigt eine Anordnung, bei der inspiratorisches und exspiratorisches Atemgas simultan und zusammen untersucht werden. Ein Adsorptionsfilter 11b befindet sich im gemeinsamen Summenzweig 10 und Inspirations- und Exspirationsgas werden durch die Zweige 8 und 9 zugeführt.
Figur 8 zeigt eine Anordnung, bei der inspiratorisches und exspiratorisches Atemgas simultan und getrennt untersucht werden. Je ein Adsorptionsfilter 11a und 11 befinden sich im In- spirationszweig 8 und im Exspirationszweig 9.
Figur 9 zeigt schließlich eine Anordnung, bei der inspiratori¬ sches und exspiratorisches Atemgas simultan zusammen und getrennt untersucht werden. Je ein Adsorptionsfilter 11, 11a, 11b befindet sich im Exspirationszweig 9, im Inspirationszweig 8 und im gemeinsamen Summenzweig 10.
Bevorzugt erfolgt das Detektieren von Alveolargas, wie bereits vorbeschrieben, mit Hilfe einer Kohlendioxidmessung. In bestimmten Fällen besteht aber auch die Möglichkeit, daß in der Atemgasführung ein mit der Steuereinrichtung 13 verbundener Gasfluß-Sensor zum Erfassen der Strömungsrichtung des Atemgases vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung beinhaltet dann zweck¬ mäßigerweise eine Integrationseinheit zur Aufintegration des Gasvolumens. Damit bei erfolgtem Strömungsrichtungswechsel ein direktes Ansteuern des Umschaltventiles und damit ein Zuführen von Totraumvolumen zu der Probengasführung vermieden wird, ist eine einstellbare Steuervorrichtung zur zeitverzögerten oder von einem vorgebbaren Totraumvolumen abhängige Umschaltung des Ventils nach dem Erfassen einer Strömungsumkehr vorgesehen. Auch damit kann reines Alveolargas der Probengasführung zugeführt werden, beispielsweise, wenn kein Kohlendioxidmeßgerät zur Verfügung steht.
Kurz zusammengefaßt ergeben sich im wesentlichen nachfolgende Vorteile: 1. Vermeidung der Kontamination des Probengases mit gespei- cherten Substanzen und damit eine Interferenz mit der chemischen Analyse (Verfälschung der Analyseresultate) . 2. Entnommenes Probengas wird über mehrere Atemzyklen hinweg exakt nach der metabolischen Phaseneinteilung getrennt. 3. Die Trennung nach der metabolischen Phaseneinteilung ergibt eine größtmögliche Substanzausbeute bei minimaler Entnahme¬ zeit, d.h. bei minimaler Belastung für den Patienten. 4. Keine zusätzlichen Strömungswiderstände in den Atemwegen des Patienten. 5. Universelle Einsetzbarkeit.
6. Alle denkbaren Untersuchungskombinationen für Inspirations¬ und Exspirationsgas. 7. Hohe zeitliche Auflösung der Änderungen der C02-Konzen- tration im Atemgas .

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Sammeln von zumindest im exspiratorischen Atemgas eines Patienten enthaltenen, volatilen Substanzen geringerKonzentration, dadurchgekennzeichnet, daßAtemgas direkt von dem Patienten entnommen wird und daß aus dem exspiratorischen Atemgas Alveolargas abgezweigt und über mehrere Atemzyklen hinweg aus jeder Alveolargas-Probe die zu untersuchenden Substanzen durch kumulative Adsorption wenigstens bis zum Erreichen der Nachweisgrenze gesammelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlendioxidkonzentration des exspiratorischen Atemgases gemessen wird und daß nach dem Überschreiten eines vorgebbaren Kohlendioxidschwellwertes das Atemgas abgezweigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Lernphase die Kohlendioxidkonzentration des exspiratorischen Atemgases über mehrere Atemzüge gemessen wird und daß dann die Schwellwerte zum Sperren oder Abzweigen von Alveolargas als Relativwerte der zuvor gemessenen Kohlendioxid-Spitzenwerte festgelegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abzweigen von Alveolargas, die Strömungsrichtung des Atemgases gemessen und das exspiratorische Atemgas nach dem Ausatmen eines vorbestimmbaren Totraumvolumens, abgezweigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das abgezweigte Alveolargas mit weitgehend konstanter Flußrate gefördert wird und daß vorzugsweise das Volumen des abgezweigten Alveolargases aus der Zeit von einem oder mehreren Durchströmungs- intervallen sowie dem Förderstromvolumen pro Zeiteinheit berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des abgezweigten, geförderten Alveolargases direkt beispielsweise volumetrisch gemessen wird.
7. Vorrichtung zum Sammeln von zumindest im exspiratorischen Atemgas eines Patienten enthaltenen, volatilen Substanzen geringer Konzentration, mit einer Atemgasführung und einer davon abzweigenden Probengasführung, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelvorrichtung zur Vorkonzen¬ tration von entnommenen, volatilen Substanzen geringer Konzentration im Atemgas ausgebildet ist und daß dazu die Probengasführung (20,21) mit einer Sammeleinrichtung für in den vom Atemgas abgezweigten Atemgasproben enthaltene, zu untersuchende Substanzen versehen ist, daß vor der Probengasführung ein Umschaltventil (7) angeordnet ist, das mit einer Steuereinrichtung (13) zum Umschalten von der Atemgasführung auf die Probengasführung und zum Zuführen von Alveolargas aus mehreren Atemzügen zu der
Sammeleinrichtung zur kumulativen Vorkonzentration der volatilen Substanzen verbunden ist und daß an die
Probengasführung (20,21) eine Probengas-Fördereinrichtung
(12) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise in der Nähe des Probengas-Eintrittsbereiches der Probengasführung (20,21) ein mit einem Kohlen¬ dioxidmeßgerät (6) verbundener Kohlendioxid-Sensor (22) zum Detektieren von Alveolargas angeordnet ist, der mit der an das Umschaltventil angeschlossenen Steuereinrichtung (13) in Steuerverbindung steht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Atemgasführung ein mit der Steuereinrichtung (13) verbundener Gasfluß-Sensor zum Erfassen der Strömungs¬ richtung des Atemgases vorgesehen ist, daß die Steuerein¬ richtung vorzugsweise eine Integrationseinheit zur AufIntegration des Gasvolumens beinhaltet und daß eine einstellbare Steuervorrichtung zur zeitverzögerten oder von einem vorgebbaren Totraumvolumen abhängigen Umschaltung des Ventils nach dem Erfassen einer Strömungsumkehr vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Erfassen des durch die Sammeleinrichtung geförderten Probengasvolumens vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung zum Messen des geförderten Probengasvolumens vorgesehen ist und daß diese Einrichtung zur direkten, zum Beispiel volumetrischen Messung oder zum Berechnen des Probengasvolumens aus der Zeit von einem oder mehreren Durchströmungsintervallen sowie dem Förderstromvolumen pro Zeiteinheit ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an die Probengasführung (20,21) eine Probengas-Fördereinrichtung (12) angeschlossen ist, die vorzugsweise zur Förderung von Probengas mit weitgehend konstanter Flußrate ausgebildet ist. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Atemgas-durchströmtes Mundstück
(4) oder ein Atemschlauchsystem (24) eine Meßküvette (5) als Teil eines Kohlendioxidsensors (22) eingesetzt ist und daß die Meßküvette (5) eine Probengasentnahmestelle (19) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Probengasführungen (20,21) vorgesehen sind, daß das Ventil als Umschaltventil (7) zum wahlweisen Verbinden der Probengasentnahmestelle (19) mit einer der Probengasführungen (20,21) ausgebildet ist und daß vorzugsweise eine der Probengasführungen (20) für Inspirationsgas und die andere Probengasführung (21) für Exspirationsgas vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (7) als Mehr¬ wegeventil, insbesondere als 3/2-Mehrwegeventil ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, insbesondere mehr als zwei Probengasführungen vorgesehen sind, die insbesondere mittels eines oder mehrerer Mehrwegeventile für vorgebbare Sequenzen von Atemzügen mit Inspirationsgas oder Ex¬ spirationsgas beaufschlagbar sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Probengasführungen (20,21) an ihren der Probengasentnahmestelle (19) beziehungsweise dem Umschaltventil (7) abgewandten Enden miteinander verbunden und vorzugsweise dort gemeinsam an die insbesondere durch eine Pumpe (12) gebildete Fördereinrichtung angeschlossen sind .
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Probengasführung (21) für das Exspirationsgas und/oder der Probengasführung (20) für das Inspirationsgas als Einrichtung zur Auf-beziehungsweise Vorkonzentration der zu untersuchenden Substanzen wenigstens ein Filter zur reversiblen Speicherung von Substanzen, insbesondere wenigstens ein chemisches Adsorptionsfilter (11,11a) vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ξummenzweig (10) der Probengasführungen (21,20) für Exspirations- und In- spirationsgas wenigstens ein Filter zur reversiblen Speicherung von Substanzen, insbesondere wenigstens ein Adsorptionsfilter (11b) als Einrichtung zur Auf-beziehungs¬ weise Vorkonzentration der volatilen Substanzen vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Atemgas-durchströmtes Mundstück
(4) oder ein Atemschlauchsystem (24) ein Zwischenrohr (25) mit einer Probengasentnahmestelle (19) eingesetzt ist, an die über einen Verbindungsschlauch (17) oder dergleichen ein Kohlendioxidmeßgerät (26) , vorzugsweise mit integrierter Pumpe angeschlossen ist und daß sich an das Kohlen¬ dioxidmeßgerät das Umschaltventil (7) sowie die Proben¬ gasführung(en) (20,21) anschließen.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise nahe der Probengasentnahme¬ stelle (19) ein Absperrventil (14) für die abgezweigte Atemgasprobe vorgesehen ist, das insbesondere bei dem in das Atemgas-durchströmte Mundstück (4) oder in das Atemschlauchsystem (24) eingesetzte Zwischenrohr (25), gegebenenfalls bei der Meßküvette (5) angeordnet ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltschwellwerte der Kohlen¬ dioxidkonzentration bei der Steuereinrichtung (13) zur Umschaltung des Umschaltventiles (7) einstellbar sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zum getrennten Messen des geförderten, inspiratorischen Probengasvolumens und des exspiratorischen Probengasvolumens ausgebildet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Probengas führenden Komponenten aus chemisch inertem Material bestehen.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltzeit des Umschaltventiles gleich oder weniger als 25 ms beträgt.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Phasendis- kriminator zur Erkennung des Phasenwechsels zwischen den beiden Atemphasen aufweist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zur Auswertung des durch die Kohlendioxidkonzentration als Funktion der Zeit gebildeten Kapnogramms ausgebildet ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umschaltschwellwerte für das Umschalten des Ventiles innerhalb des aufsteigenden und des abfallenden Kurvenverlaufes des Kapnogramms befinden und daß zumindest der im abfallenden Kurvenverlauf liegende Umschaltschwellwert insbesondere an den im Kurvenverlauf auftretenden Kohlendioxid-Spitzenwert gekoppelt ist und vorzugsweise etwa 70% bis 95% dieses Spitzenwertes beträgt.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Probengasentnahmestelle (19) nahe am Mund des Patienten (2) angeordnet ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler zum Zählen der Atemzyklen und gegebenenfalls eine Einrichtung zum Vergleichen der durchgeführtenmit einervorgegebenenAnzahl vonAtemzyklen vorgesehen ist.
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