WO2002095397A1 - Verfahren zur messung des 13co2/12co2-verhältnisses in der atemluft intubierter probanden - Google Patents
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Definitions
- the aim of the invention is to remedy this deficiency.
- the essence of the method according to the invention is to separate the carbon dioxide exhaled by the test person by cooling, by sorption or by a combination of cooling and sorption from the exhaled air and then to evaporate, to desublimate or to desorb and to add a gas, the composition of which roughly corresponds to that of normal breathing air.
- this gas should not contain any carbon dioxide before metering in the carbon dioxide exhaled by the test subject and should correspond to the composition of the atmospheric air with regard to the main components.
- the gas After metering in the carbon dioxide exhaled by the test person, the gas should have a carbon dioxide content corresponding to the breathing air (i.e. about 2 to 5% by volume), so that NDIR devices calibrated in the usual way can be used to carry out 13 C breath tests.
- the separation of the carbon dioxide from the breathing air is to be effected by cooling, then Peltier elements, refrigerants or small refrigeration machines can be used, as is expressed in claims 2, 3, 4, 5 and 6. Liquid air or liquid nitrogen is particularly suitable as a refrigerant.
- the separation of the carbon dioxide from the breathing air of intubated patients can also be effected by absorption by means of a liquid. If sodium hydroxide solution or the aqueous solution of another strong base is used for this purpose, the carbon dioxide is released again by adding an equivalent amount or an excess of a strong acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid.
- FIGS. 1, 2 and 3 Pipe filled with Mg (ClO 4 ) 2 for drying the aspirated ambient air
- the apparatus shown in FIGS. 1, 2 and 3 in different operating states consists of the shut-off devices 1, 2 and 3, a heat exchanger 4 for cooling to 9 * r the temperature of the liquid nitrogen or for heating to room temperature, an NDIR measuring device 5, a tube 6 filled with Mg (ClO) 2 for drying the breathing air, a tube 7 filled with soda lime for removing the carbon dioxide from the sucked-in ambient air and a tube filled with Mg (ClO) 2 for drying the sucked-in ambient air.
- a heat exchanger 4 for cooling to 9 * r the temperature of the liquid nitrogen or for heating to room temperature
- an NDIR measuring device 5 a tube 6 filled with Mg (ClO) 2 for drying the breathing air
- a tube 7 filled with soda lime for removing the carbon dioxide from the sucked-in ambient air
- Fig. I shows the normal operating state: The air exhaled by the subject is discharged from the shut-off device l into the environment. The heat exchanger 4 is neither cooled nor heated. The measuring device 5 is or is being prepared for the measurement.
- Fig. 2 shows the operating state in which the breath of the subject over the
- IO shut-off device 1 and the tube 6 filled with Mg (ClO) 2 is fed to the heat exchanger 4 cooled with liquid nitrogen and then leaves the apparatus via the shut-off device 3.
- all of the carbon dioxide is extracted from the air by sublimation.
- 3 shows the operating state in which ambient air is supplied to the heat exchanger 4 via the? -75? Blocking element 2, the tube 7 filled with soda lime and the tube 8 charged with Mg (ClO) 2 .
- the heat exchanger 4 is heated to ambient temperature so that the carbon dioxide previously frozen out of the test person's breathing air mixes with the air flow and reaches the NDIR device via the shut-off device 3, in which the 13 CO 2 / I2 CO 2 -
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des 13CO2/12CO2-Verhältnisses in der Atemluft intubierter Probanden mittels der nichtdispersiven Infrarotspektroskopie. Das Wesen des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, das ausgeatmete Kohlendioxid durch Kühlung und/oder durch Sorption aus der Atemluft abzuscheiden und anschliessend zu verdampfen, zu desublimieren bzw. zu desorbieren und einem Gas beizumischen, dessen Zusammensetzung etwa derjenigen normaler Atemluft entspricht. Bei geeigneter Wahl des Mischungsverhältnisses der beiden Gase resultieren Gase, deren stoffliche Zusammensetzung derjenigen normaler Atemluft entspricht, wie sie auch bei der Kalibrierung von Geräten zur nichtdispersiven Infrarotspektroskopie zur Anwendung kommen. Das wichtigste Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Durchführung von 13C-Atemtests zur Kontrolle des Stoffwechsels von Patienten auf Intensivstationen, ohne dass die Messgenauigkeit durch die hohen Sauerstoffgehalte der den Patienten zugeführten Luft beeinträchtigt wird.
Description
Beschreibung
Verfahren zur Messung des 13CO2/12CO2-Verhältnisses in der Atemluft intubierter
Probanden
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen S Patienten auf Intensivstationen werden zum Zwecke der Entlastung ihres Blutkreislaufs häufig mit einem Gas beatmet, dessen Sauerstoffgehalt gegenüber dem der atmosphärischen Luft beträchtlich angereichert ist. Ein orotrachealer Tubus führt dem Patienten reinen Sauerstoff oder ein Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch mit einem Sauerstoff-Gehalt von etwa 80 Vol.-% oder mehr Sauerstoff zu. Andererseits besteht ein to großes Interesse daran, den Stoffwechsel-Zustand gerade solcher Patienten laufend zu kontrollieren, um umgehend eingreifen zu können, wenn dieser Zustand kritische Parameter erreicht. Hierfür bieten sich 13C-Atemtests an, bei denen den Probanden 13C- markierte chemische Verbindungen verabreicht werden. In bestimmten Zeitabständen nach deren Aufnahme wird gemessen, wie schnell diese Stoffe im Organismus des
-75- Patienten abgebaut und als 13C-markiertes Kohlendioxid mit der Atemluft ausgeschieden werden. Diese Geschwindigkeit kann zur Beurteilung des klinischen Zustande des Patienten, insbesondere hinsichtlich der Leistungsfähigkeit seiner Leber, seiner Bauchspeicheldrüse oder seines Magen-Darm Trakts, herangezogen werden. Solche 13C-Atemtests haben seit der Mitte der 80-er Jahre des vorigen Jahrhunderts
2o Einzug gehalten in die medizinische Forschung und in die klinische Diagnostik. Die Messung des 13CO2/1 CO2-Verhältnisses in der Atemluft geschieht entweder massenspektrometrisch oder mittels der nichtdispersiven Inirarotspektrometrie (NDIR- Spektrometrie), wobei die letztere, im Vergleich zur Massenspektrometrie viel einfachere und weniger kostspielige Variante gerade bei der Untersuchung der Atemluft S~ intubierter Patienten auf eine Schwierigkeit stößt: Die bei Messungen im Bereich des Atmosphärendrucks schon merkliche Druckverbreiterung der Hyperfeinstruktur der Absorptionsspektren führt zu einer zunehmenden Überlappung der Absorptionsbanden des 13CO2 und des 12CO2 mit steigendem Sauerstoffgehalt; Es steigt die Querempfindlichkeit und es sinkt die Messgenauigkeit also mit zunehmendem
3v Sauerstoffgehalt. Die Folge davon ist, dass die Messung des 13CO2/I2CO2- Verhältnisses
ERSATZBLATT
in der Atemluft intubierter Probanden mittels NDIR-Spektrometrie gestört wird durch den gegenüber der Zusammensetzung der Luft erhöhten Sauerstoffgehalt der Atemluft. Bisher umgeht man diese Störung, indem man die Atemluft der intubierten Probanden mit Stickstoff verdünnt, bis der Sauerstoffgehalt auf den der normalen Atemluft S" gesunken ist. Freilich rrimmt man dabei in Kauf, dass die Messsignale für 13CO2 und 12CO2 und damit die Messgenauigkeit um den Faktor 4 bis 5 verringert werden.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Es ist das Ziel der Erfindung, diesen Mangel zu beheben. Das Wesen des io erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das vom Probanden ausgeatmete Kohlendioxid durch Kühlung, durch Sorption oder durch eine Kombination von Kühlung und Sorption aus der ausgeatmeten Luft abzuscheiden und anschließend zu verdampfen, zu desublimieren bzw. zu desorbieren und einem Gas beizumischen, dessen Zusammensetzung etwa derjenigen normaler Atemluft entspricht. Im Interesse ς einer hohen Messgenauigkeit sollte dieses Gas vor dem Zudosieren des vom Probanden ausgeatmeten Kohlendioxids kein Kohlendioxid enthalten und im Hinblick auf die Hauptbestandteile der Zusammensetzung der atmosphärischen Luft entsprechen. Nach dem Zudosieren des vom Probanden ausgeatmeten Kohlendioxids sollte das Gas einen der Atemluft entsprechenden Kohlendioxidgehalt (also etwa 2 bis 5 Vol-%) aufweisen, O damit in üblicher Weise geeichte NDIR-Geräte für die Ausführung von 13C-Atemtests verwendet werden können.
Wenn die Abscheidung des Kohlendioxids aus der Atemluft durch Kühlung bewirkt werden soll, dann können Peltierelemente, Kältemittel oder kleine Kältemaschinen eingesetzt werden, wie das in den Ansprüchen 2, 3, 4, 5 und 6 zum Ausdruck gebracht s wird. Als Kältemittel ist flüssige Luft bzw. flüssiger Stickstoff besonders geeignet. Wie in den Ansprüchen 7 und 8 erwähnt, kann die Abscheidung des Kohlendioxids aus der Atemluft intubierter Patienten auch durch Absorption mittels einer Flüssigkeit bewirkt werden. Wenn hierfür Natronlauge oder die wässrige Lösung einer anderen starken Base verwendet wird, so erfolgt die Wiederfreisetzung des Kohlendioxids durch o Zusatz einer äquivalenten Menge bzw. eines Überschusses einer starken Säure wie Salzsäure oder Schwefelsäure.
ERSATZBLATT
Wie im Anspruch 9 herausgestellt wird, ist es besonders vorteilhaft, die zur Absorption des Kohlendioxids verwendete Flüssigkeit im Gegenstrom zur Atemluft des Probanden zu führen, weil dann eine weitergehende Abtrennung des Kohlendioxids gelingt und so
(,s eine Verfälschung des zu messenden 13CO2/12CO2- Verhältnisses vermieden wird. Der hierfür erforderliche Stoff- und Isotopenaustausch zwischen flüssiger und fester Phase kann durch Einbauten bzw. Füllkörper in der Gegenstromanordnung intensiviert werden. Vorteile bietet auch die Anwendung von Adsorbentien bei der Abscheidung des
7c Kohlendioxids aus der Atemluft intubierter Probanden, wie das in den Ansprüchen 10, 11 und 12 zum Ausdruck gebracht wird. In den Ansprüchen 11 und 12 werden die besonderen Vorteile einer Kombination von Adsorption und Kühlung bei der Abscheidung des Kohlendioxids hervorgehoben. In vielen Krankenhäusern und größeren Arztpraxen wird Sauerstoff nicht aus 5" Druckflaschen bereitgestellt, sondern entweder größeren, mit flüssigem Sauerstoff beschickten Tanks entnommen oder an Ort und Stelle in einer Luftverflüssigungsanlage mit anschließender Tieftemperaturdestillation erzeugt. Es hegt nahe, in diesen Fällen die von solchen Aggregaten bereitgestellte Kälte für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu nutzen, wie das im Anspruch 13 zum Ausdruck
So kommt.
Ausführungsheispiel
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren unter Benutzung der Fig. 1, 2 und 3 näher erläutert werden. Darin bedeuten: #£" 1, 2 und 3 • Absperrorgane
4 Wärmeaustauscher
5 NDIR-Messgerät
6 mit Mg(ClO4)2 gefülltes Rohr zur Trocknung der Atemluft
7 mit Natronkalk gefülltes Rohr zur Entfernung des Kohlendioxids σ aus der angesaugten Umgebungsluft
8 mit Mg(ClO4)2 gefülltes Rohr zur Trocknung der angesaugten Umgebungsluft
Die in den Fig. 1, 2 und 3 in verschiedenen Betriebszuständen dargestellte Apparatur besteht aus den Absperrorganen 1, 2 und 3, einem Wärmeaustauscher 4 zur Kühlung auf 9*r die Temperatur des flüssigen Stickstoffs bzw. zum Aufheizen auf Raumtemperatur, einem NDIR-Messgerät 5, einem mit Mg(ClO )2 gefüllten Röhrchen 6 zur Trocknung der Atemluft, einem mit Natronkalk gefüllten Röhrchen 7 zur Entfernung des Kohlendioxids aus der angesaugten Umgebungsluft und einem mit Mg(ClO )2 gefüllten Röhrchen zur Trocknung der angesaugten Umgebungsluft. Diese Bauteile sind durch
100 Rohrleitungen miteinander verbunden, die in Fig. I, 2 und 3 durch ausgezogene Linien dargestellt sind. Wenn in einer solchen Rohrleitung Atemluft des Probanden, CO2-freie Umgebungsluft oder ein Gemisch aus CO2-freier Umgebungsluft und durch Desublimation im Wärmeaustauscher 4 entstehendem CO2 strömt, so ist dies in Fig. I, 2 und 3 durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet, wobei die Pfeile in Strömungsrichtung
-7cλS" weisen.
Fig. I zeigt den normalen Betriebszustand: Die vom Probanden ausgeatmete Luft wird von dem Absperrorgan l in die Umgebung abgeleitet. Der Wärmeaustauscher 4 wird weder gekühlt noch beheizt. Das Messgerät 5 ist oder wird auf die Messung vorbereitet. Fig. 2 zeigt den Betriebszustand, in dem die Atemluft des Probanden über das
I O Absperrorgan 1 und das mit Mg(ClO )2 gefüllte Röhrchen 6 dem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Wärmeaustauscher 4 zugeführt wird und anschließend die Apparatur über das Absperrorgan 3 verläßt. In dieser Phase wird der Atemluft das gesamte Kohlendioxid durch Sublimation entzogen. Fig. 3 zeigt den Betriebszustand, in welchem dem Wärmeaustauscher 4 über das ?-75Αbsperrorgan 2, das mit Natronkalk gefüllte Röhrchen 7 und das mit Mg(ClO )2 beschickte Röhrchen 8 Umgebungsluft zugeführt wird. In dieser Phase wird der Wärmeaustauscher 4 auf Umgebungstemperatur erwärmt, so dass sich das vorher aus der Atemluft des Probanden ausgefrorene Kohlendioxid dem Luftstrom beimischt und über das Absperrorgan 3 in das NDIR-Gerät gelangt, in welchem das 13CO2/I2CO2-
-t20 Verhältnis gemessen wird. In diesem Betriebszustand werden Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten Umgebungsluft und dem Wärmeaustauscher 4 zugeführter Wärmestrom so aufeinander abgestimmt, dass in der Küvette bzw. in den Küvetten des NDIR-Geräts eine der normalen Atemluft ähnliche Gaszusammensetzung resultiert, wie sie auch beim Kalibrieren des Geräts herrscht.
≤ Hierzu ein Blatt mir drei Zeichnungen
ERSATZBLATT
Claims
1. Verfahren zur Messung von 13CO2/12CO2- Verhältnissen in Atemgasen intubierter, mit Atemgasen mit gegenüber der atmosphärischen Luft erhöhtem Sauerstoffgehalt versorgter Probanden mittels der nichtdispersiven Infrarotspektroskopie, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Atemluft enthaltene Kohlendioxid durch Kühlung,
5" durch Sorption oder durch eine Kombination von Kühlung und Sorption aus der ausgeatmeten Luft abgeschieden und anschließend verdampft, desublimiert bzw. desorbiert und einem Gas beigemischt wird, dessen Zusammensetzung etwa derjenigen normaler Atemluft entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des -l Kohlendioxids aus der Atemluft durch Kühlung mittels Peltierelementen bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Kohlendioxids aus der Atemluft durch Kühlung mittels eines Kältemittels bewirkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel flüssige Luft oder flüssiger Stickstoffs ist.
-7-5"
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft durch Kühlung mittels einer Kältemaschine bewirkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine eine
Stirlmg-Gaskältemaschine ist. 2v
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des
Kohlendioxids aus der Atemluft durch Absorption mittels einer Flüssigkeit bewirkt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Natronlauge ist und' die anschließende Wiederfreisetzung des Kohlendioxids durch
25" Zusatz einer starken Säure bewirkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit der emporströmenden Atemluft entgegenfließt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Kohlendioxids aus der Atemluft durch Adsorption an einer Festkörperoberfläche
3o bewirkt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Kohlendioxids aus der Atemluft durch eine Kombination von Kühlung und Adsorption an einer Festkörperoberfläche bewirkt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel " Aluminiumoxid ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 4, 5, 6, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung Aggregate benutzt werden, die in vielen Krankenhäusern und Arztpraxen zur Erzeugung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft bzw. zur Aufbewahrung von flüssigem Sauerstoff ohnehin vorhanden sind.
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