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Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Atemgasen zu einem Gasanalysegerät
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr der Atemgase zu
einem Gasanalysegerät in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Ausatemstromes.
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Für die moderne Lungenfunktionsdiagnostik ist die fortlaufende Analyse
der Atemgase von ausschlaggebender Bedeutung. Obwohl man in den Massenspektrographen
Geräte zur Verfügung hat, welche dank ihrer kleinen Anzeigeverzögerung eine praktisch
augenblickliche Analyse der Atemgase ermöglichen, scheiden sie wegen ihres hohen
Preises für viele Untersuchungsstellen aus. Die Einstellzeit der für die Praxis
tragbaren Geräte beträgt meist mehrere Sekunden, wodurch man gezwungen ist, auf
die kontinuierliche Analyse zu verzichten und sich auf die Analyse der zu gewissen
Atemphasen gehörenden Gasproben zu beschränken, die dann fortlaufend aufgezeichnet
werden.
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Um die Atemgase in der gewünschten Atemphase automatisch zu gewinnen,
steuerte man bisher durch atmungsbedingte Druckdifferenzen mechanische oder elektrische
Systeme, die in den gewünschten Atemphasen, praktisch stets in der Ausatmungsphase,
einen Teil der Atemgase dem Analysiergerät zuführen.
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Die Steuerung durch atmungsbedingte Druckdifferenzen ist mit verschiedenen
Unzulänglichkeiten verbunden. Der zeitliche Verlauf der Druckkurven bietet keine
scharfen Referenzpunkte, ist von der Atemmittellage abhängig, und seine Abnahme
setzt eine nicht vernachlässigbare künstliche Erhöhung des Atemwiderstandes voraus,
was unphysiologische Verhältnisse zu Folge hat.
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Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vermeidet diese
Nachteile. Sie ist gekennzeichnet durch eine in einer Leitung für den Atemstrom
angeordnete Geschwindigkeitsmeßblende, deren Druckleitungen mit einem elektromechanischen
Wandler verbunden sind, welcher die zwischen den beiden Ableitungen vorhandene Druckdifferenz
in ein elektrisches Signal umsetzt, dessen Spannung eine Funktion der Geschwindigkeit
und Richtung des Gasstromes in der Leitung ist, einen Verstärker für dieses Signal,
ein Ventil in einer von der Atemstromleitung zum Analysengerät führenden Leitung,
welches von dem Signal so gesteuert wird, daß es nur während der Ausatemperiode
offen ist, und eine Pumpe in der letztgenannten Leitung, die von einem Rotameter
gesteuert ist.
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Weitere in den nachfolgenden Ansprüchen enthalteile erfindungswesentliche
Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Beispiels einer Vorrichtung
gemäß Erfindung hervor.
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F i g. 1 zeigt eine Einrichtung zur Gewinnung von zur Analyse bestimmter
Atemluft; Fig.2 zeigt ein Pneumotachogramm.
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In F i g. 1 ist mit 1 das Atemrohr eines Pneumotachometers bezeichnet,
wie es sich zur Gewinnung einer Kurve eignet, die die Geschwindigkeit des Atemluftstromes
z. B. in Abhängigkeit von der Zeit anzeigt. Das Rohr 1 besitzt eine Geschwindigkeitsmeßblende
2, die einen vorgegebenen, geringen Widerstand für die durch das Rohr 1 strömenden
Gase darstellt. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Druckdifferenz an den
beiden Seiten der Blende 2 ein Maß für die Geschwindigkeit des Gasstromes, beispielsweise
in Einheiten von Litern pro Sekunde ist. An die beiden Seiten der Blende 2 ist nun
je eine Druckleitung 3 bzw. 4 angeschlossen. Die freien Enden der Leitung sind an
ein Differentialdruckmanometer angeschlossen. Dieses Differentialdruckmanometer
enthält eine Membrankapsel 5, die beispielsweise aus zwei wenigstens zum Teil metallischen,
gegeneinander isolierten Schalen 5 a und 5 b besteht.
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Die Kammer, die von den beiden Schalen 5a und Sb gebildet wird, wird
durch eine metallische Membran 6 in zwei Hälften geteilt. Die Membran 6 ist von
den beiden Schalen isoliert. Die Druckleitungen 3
und 4 sind nun
mit je einer der beiden Kammerhälften verbunden, so daß sich die Membran bei einer
Strömung in dem Rohr 1 ausbiegt. Atmet der Patient beispielsweise aus, strömt das
Atemgas in der Darstellung von oben nach unten durch das Atemrohr, wie dies durch
den Pfeil 8 veranschaulicht ist.
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Zufolge der durch die Blende 2 hervorgerufenen Stauwirkung in dem
Rohr 1 ist der Druck in der Leitung 3 größer als in der Leitung 4, so daß sich die
Membran nach unten verschiebt bzw. wölbt. Eine Folge hiervon ist, daß sich die Kapazität
zwischen der Membran 6 und der Schale 5b vergrößert, während sich die Kapazität
zwischen der Membran 6 und der Schale 5a verringert. Diese Kapazitätsänderung, die
eine Funktion der Geschwindigkeit des Gasstromes in dem Rohr 1 ist, wird nun zur
Gewinnung eines entsprechenden elektrischen Signals herangezogen.
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Die beiden Schalen 5 a und 5b sind an eine hochfrequente Spannungsquelle
9 angeschlossen. Mit dieser Spannungsquelle sind weiterhin zwei in Serie liegende
Kondensatoren 10a und 10 b gleicher Kapazität angeschlossen. Es entsteht somit eine
Brückenschaltung aus vier Kapazitäten, die paarweise gleich sind, wenn durch das
Rohr 1 kein Gas strömt. Strömt nun ein Gas durch das Rohr 1, tritt die beschriebene
Kapazitätsänderung auf, so daß zwischen der Membran 6 und dem Mittelpunkt 11 zwischen
den beiden Kondensatoren 10 a und 10 b eine Spannung entsteht, die eine Funktion
der Geschwindigkeit des Gasstromes in dem Rohr 1 ist.
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Dieses Signal wird nun in dem Gleichrichter 12 gleichgerichtet und
in dem Verstärker 13 verstärkt und stellt das Pneumotachogramm dar. Bei einer normalen
Atmung hat das Pneumotachrogramm etwa das in Fig.2 gezeigte Aussehen (Kurve K),
wobei die positiven Halbwellen (schraffiert) der Ausatmung und die negativen Halbwellen
der Einatmung zugeordnet seien.
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Das das Atemrohr 1 bei der Einatmung verlassende Gas gelangt zu einer
Trocknungsvorrichtung 16, einer Pumpe 17 und einem Ventil 15. Die Aufgabe dieses
Ventils besteht darin, den Atemgasstrom nur in der Phase der Ausatmung in der Pfeilrichtung
durchzulassen, hingegen bei der Einatmung zu unterbrechen. Zu diesem Zweck wird
das Ventil 15 von dem Signal des Pneumotachogramms gesteuert. Es kann dabei angenommen
werden, daß das elektrisch zu betätigende Ventil 15 bei der Übermittlung einer positiven
Spannung öffnet, hingegen bei Fehlen einer Spannung oder bei Übermittlung einer
negativen Spannung geschlossen bleibt. Weiterhin ist es möglich, ein übliches Ventil
zu verwenden und mit dem Ausgang des Verstärkers über einen entsprechend gepolten
Gleichrichter zu verbinden, so daß nur positive Signale eine Öffnung des Ventils
15 bewirken. Es ist ohne weiteres zu ersehen, daß bei der bisher beschriebenen Einrichtung
das Ventil 15 immer während der Phase des Ausatmens geöffnet und in der Phase des
Einatmens geschlossen ist.
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Bei vielen Untersuchungen soll nicht das gesamte ausgeatmete Gasgemisch
untersucht werden, sondern nur das Gas, welches beispielsweise am Ende der Ausatmungsphase
erscheint. Um dies zu erreichen, ist zwischen den Ausgang des Verstärkers und das
Ventil 14 ein Verzögerungsglied 14 eingeschaltet, dessen Verzögerung vorzugsweise
eingestellt werden kann. Es entsteht somit beispielsweise die Kurve, die
in Fig.
2 mit k' bezeichnet ist. Das Ventil 15 wird nun durch das Verzögerungsglied geöffnet
und durch den nächstfolgenden Nulldurchgang der Ausgangskurve k geschlossen, wie
dies durch die Leitung 14' angedeutet ist. Das Ventil 15 bleibt nun in den Zeiten
t' geöffnet, die in F i g. 2 durch dicke Linien angedeutet sind. Selbstverständlich
kann auch in die Leitung 14' noch ein Verzögerungsglied eingeschaltet werden, so
daß nicht nur der Beginn, sondern auch das Ende der Öffnungszeiten des Ventils 15
einstellbar ist. Als Bezugspunkt dient in jedem Fall der Nulldurchgang des Pneumotachogramms.
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Das das Ventil 15 verlassende Gas gelangt nun zu einem Rotameter
18, welches die Pumpe 17 beispielsweise über eine Leitung 18 a steuert. Da das Gas
in der das Ventil 15 enthaltenden Leitung intermittierend strömt, ist ein Speicher
19 vorgesehen, den das Gas über die Leitung 22, die zu dem Analysengerät 21 führt,
praktisch in kontinuierlichem Strom verläßt. Mit dem Speicher 19 kann weiterhin
eine Ausgleichsleitung 20 vorgesehen sein, die gewährleistet, daß in dem Speicher
19 Überdrücke praktisch nicht auftreten können.
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In dem Analysengerät 21 kann nun ein Gasstrom verarbeitet werden,
der praktisch kontinuierlich zufließt und der nur einem geringen Zeitintervall der
Ausatemphase entnommen sein kann.