DE2552149A1

DE2552149A1 - Gasanalysator

Info

Publication number: DE2552149A1
Application number: DE19752552149
Authority: DE
Inventors: Robert Bruce Frazer
Original assignee: Searle Cardio Pulmonary Systems Inc
Current assignee: Thoratec LLC
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-20
Publication date: 1976-08-12
Also published as: JPS5528023B2; GB1498207A; FR2292974A1; JPS5178288A; DE2552149B2; FR2292974B1; DK143004B; US3951607A; DE2552149C3; DK143004C; DK538975A; CA1048610A; SE7513421L

Description

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Searle Cardio-Pulmonary Systems, Inc., Emeryville, Calif. /USA

Gasanalysator

Die Erfindung betrifft einen Gasanalysator, insbesondere zur Verwendung bei Lungenuntersuchungen.

In der Medizin besteht ein zunehmender Bedarf für eine einfache/
tragbare, genaue und zuverlässige Einrichtung, mit der sich ein
Gas oder mehrere Gasbestandteile in der Ausatmungsluft des Patienten bestimmen lassen und mit der relativ geringe Mengen von physiologischen Gasen in einem mit dem Patienten verbundenen Atmungsrohr gemessen werden können. In manchen Fällen ist es dabei ratsam, ein spezielles einzelnes Gas als Mittel zu verwenden, um die Reaktion
eines solchen Mechanismus auf die anderen vorhandenen Gase zu verstärken oder zu triggern, doch benötigt vorzugsweise die Anordnung kein besonderes Träger- oder Triggergas, um eine geeignete Anzeige zu erhalten.

Gewöhnlich muß das Vorhandensein von einer mäßigen Anzahl unterschiedlicher Gase, die vom Patienten in das Atmungsrohr ausgestoßen

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werden, bestimmt werden. Die gewöhnliche Anzahl an interessierenden Gase ist fünf oder sechs, obwohl, wenn erwünscht, auch mehr oder weniger Gase untersucht werden können.

Zur Durchführung dieser Untersuchungen soll durch die Erfindung ein Gasanalysator geschaffen werden, der ausreichend leicht und einfach ist, um transportiert werden zu können und eine ausreichende Genauigkeit und Unkompliziertheit aufweist, damit er über eine längere Zeitdauer unter verschiedenen Anwendungs- und Einsatzbedingungen betrieben werden kann.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorsehen eines mit dem Patienten in Verbindung stehenden Atmungsrohrs,einerzylindrische Analysierkammer aus Isoliermaterial mit elektrisch leitenden Enden und einem im wesentlichen gleichförmigen Innendurchmesser zwischen den Enden, einer Einrichtung einschließlich einer Leitung mit kleinem Durchmesser relativ zum Durchmesser der Analysierkammer, die sich axial durch ein Ende erstreckt und die Kammer mit dem Rohr verbindet, einer Einrichtung mit einem Kanal von kleinem Durchmesser relativ zum Durchmesser der Analysierkammer, der sich axial durch das andere Ende erstreckt und die Kammer mit einer Unterdruckquelle verbindet, so daß Gase vom Rohr durch die Kammer gesogen werden, einerEinrichtung,um an die Enden der Kammer eine Spannungsdifferenz anzulegen und eine Strahlung vom Gas in der Kammer zu erzeugen; einerVielzahl von Strahlungsmeßeinrichtungen, die um die Kammer angeordnet sind; zwischen der Kammer und wenigstens einigen der Meßeinrichtungen angeordnete Strahlungsfilter, wobei jeder Strahlungsfilter für ein bestimmtes Gas der Vielzahl von in der Kammer befindlichen Gasen ausgelegt ist; und einer Einrichtung, die die Reaktion jeder Meßeinrichtung anzeigt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis wiedergegeben.

Der erfindungsgemäße Gasanalysator schafft schnell eine zuverlässige Anzeige von einem oder mehreren unterschiedlichen Gasen von

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physiologischem Interesse in der Ausatmungsluft des Patienten. Der Gasanalysator kann mit oder ohne einem anregenden Gas verwendet werden. Beim Gasanalysator sind die verschiedenen Abmessungen und Dimensionscharakteristika sowie die bevorzugten Betriebswerte so gewählt, daß ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit eine rasche Ansprechzeit vorliegt. Damit ist insgesamt ein verbesserter Gasanalysator geschaffen worden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung unter Hinweis auf weitere mit der Erfindung erzielte Vorteile näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäß aufgebauten Gasanalysators mit dessen mechanischen und elektronischen Teilen,

Fig. 2 einen nicht maßstabsgerechten Horizontalschnitt längs der Schnittlinie 2-2 nach Fig. 3 durch den erfindungsgemäß aufgebauten Gasanalysator,und

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 nach Fig. 2.

Gfoschon der Gasanalysator nach der Erfindung in einer Vielzahl von unterschiedlichen Arten je nach Ausmaß und Art der Verwendung der Vorrichtung angeordnet werden kann, wurde der Analysator erfolgreich in der dargestellten Form praktisch ausgebildet. In dieser Form wird die Vorrichtung mit einem Atmungsrohr 6 verwendet, das an einem Ende, nämlich dem in Fig. 1 gezeigten linken Ende, mit dem gewöhnlichen Anschlußstück zur Aufnahme der Atems des Patienten verbunden ist. Beim Ausatmen erfolgt der Strömungsweg durch das Atmungsrohr 6 in Richtung des Pfeiles 7 zu einer Auslaßstelle 8.

Zur geeigneten Probeentnahme des Atems ist das Atmungsrohr 6 mit einem Einlaßrohr 9 verbunden, welches letzteres über ein manuell gesteuertes Ventil 11 zu einer Leitung 12 mit besonderer Konfiguration und Abmessung führt. Die Teile in Fig. 1 stehen in einem geeigneten maßstäblichen Zusammenhang. Bei einem Beispiel für den

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beschriebenen Einsatz besitzt die Leitung 12 vorzugsweise einen Innendurchmesser D₁ von 1,5 mm, plus oder minus 0,5 mm. Bei dieser Größe der Einlaßleitung 12 reichen Menge und Geschwindigkeit der Strömung aus, um eine adäquate Ansprechzeit zu erhalten, und eine zweckmäßige Gasmenge unter den anderen nachfolgend genannten Bedingungen weiterzuleiten.

Die Einlaßleitung 12 erstreckt sich in eine Analysierkammer 16. Bei dieser handelt es sich um eine spezielle Vorrichtung mit einem massiven Kopfstück 17 oder einer massiven Abdeckung,die vorzugsweise aus Aluminium oder dergleichen besteht. Das Kopfstück 17 ist mit einem Schutzstück 15 (Fig. 3) aus Graphit oder Molybdän versehen, welches von einer Verlängerung der Einlaßleitung 12 durchdrungen wird, um eine Verbindung mit dem Inneren der Kammer herzustellen. Die Wand 18 der Kammer hat eine grundsätzlich kreiszylindrische Konfiguration und besteht aus Glas. Die Wand ist an einem Ende dicht mit dem Kopfstück 17 verbunden und an ihrem anderen Ende in ein unteres Kopfstück 19 eingesetzt und darin gut abgedichtet. Auch dieses Kopfstück 19 besteht aus Aluminium und ist mit einem Schutzstück 20 (Fig. 3) aus Molybdän oder Graphit versehen. Durch das Kopfstück 19 und das Schutzstück 20 erstreckt sich eine Öffnung 21, die mit einem Auslaßkanal 22 in Verbindung steht, der zu einer Unterdruckquelle, wie beispielsweise einer nicht gezeigten Vakuumpumpe,führt. Es ist wichtig, daß der Innendurchmesser D₂ der Kammer etwa bei einem ausgewählten Wert liegt und dieser beträgt gewöhnlich 10 bis 30 mm,vorzugsweise etwa 20 mm. Zur Durchführung des größenmäßigen Zusammenhangs beträgt der Innendurchmesser D^des Ausgangskanals 22 gewöhnlich etwa 3,2 mm bis 6,4 mm. Dabei sollte keine übermäßige Behinderung der Gasströmung vorliegen, obwohl der Fluß aus der inneren Kammer mit D2 auf eine gesteuerte Geschwindigkeit beschränkt ist.

Die Kammer 16 ist eine Analysierkammer, da das Kopfstück 17 und das Schutzstück 15 wie eine Kathode in einem elektrischen Schaltkreis wirken und durch einen Leiter 23 an eine Erdverbindung 24 angeschlossen sind. Dagegen wirken das untere Kopfstück 19 und

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das Schutzstück 20 wie eine zugehörige Anode, die durch eine Anodenschraube 25 und einen Leiter 26 mit einer Quelle 27 elektromotorischer Kraft angeschlossen ist . Vorzugsweise liegt hier eine positive Spannung von etwa 600 V gegenüber der Erdung 24 an. Wenn dieser Hauptteil des Mechanismus am Patienten und an die Vakuumpumpe angeschlossen, das Ventil 11 bis zu einem gewählten Betrag geöffnet und die Kammer weiter elektrisch verbunden wird, wird das durch die Kammer strömende Gas einer Glimmentladung unterworfen. Die verschiedenen Charakteristika der Entladung hängen von dem in der Kammer vorhandenen Gas oder Gasen ab. Die Entladung erwärmt die Kathode 17, die jedoch relativ massiv ist undeine beträchtliche Oberfläche aufweist, so daß ein wesentlicher Teil der zugeführten Wärme abgeleitet wird.

Bei dieser Vorrichtung wird das Ventil 11 vorzugsweise auf eine Durchströmungsgeschwindigkeit von etwa 10 cm /min. als Höchstwert eingestellt. Die Strömungsgeschwindigkeit kann auf etwa 5 cm /min. verringert werden, jedoch bedingt dies eine sehr langsame Ansprechzeit. Die Strömungsgeschwindigkeit kann auf etwa 15 cm /min. erhöht werden, wobei dann jedoch die Ansprechempfindlichkeit in nennenswerter Weise nicht-linear wird.

Um die Kammer und in gleichem Abstand von deren vertikaler Achse sind verschiedene Meßeinrichtungen 31 (Fig. 2 und 3) angeordnet. Jede Meßeinrichtung ruht auf einer Platte 32, die ein Teil des Rahmenaufbaus der Vorrichtung bildet. Die Platte 32 ist vorzugsweise durch Schrauben 33 befestigt, die sich durch Abstandselemente 34 zur Grundplatte 36 des Rahmens erstrecken. Die Meßeinrichtungen 31 werden von einem auf der Grundplatte 36 ruhenden Rahmengehäuse 37 umgeben und durch dieses geschützt. Eine entfernbare Kappe besitzt einen Ringflansch 35, der durch entsprechende Schrauben 39 an einer Platte 38 befestigt ist, die wiederum von der Kathode 17 durch Schrauben 40 gehalten wird.

Jede Meßeinrichtung 31, im vorliegenden Beispiel sind sieben Meßeinrichtungen vorhanden, enthält eine Photoelektronenvervielfacher-

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röhre 41 gewöhnlicher Art mit einem Basisteil 42, das von einer Fassung 43 an der Platte 32 aufgenommen ist. Jede Röhre 41 ist an einem geeigneten Schaltkreis (Fig. 1) angeschlossen. Der Schaltkreis enthält eine elektrische Leitung 44, die an die Erde 24 angeschlossen ist. Eine Quelle 46 mit negativer Spannung ist über eine Leitung 47 mit der Röhre verbunden. Ein Leiter 48 erstreckt sich von der Photovervielfacherröhre 41 durch einen Verstärker 49 mit einer daran angeschlossenen geeigneten Einstelleinrichtung 51, um eine versetzte Ausgangsspannung vom Verstärker auszuschalten. Der Verstärker versorgt eine Ausgangsmeßeinrichtung 52,die über einen Leiter 50 an die Erde 24 angeschlossen ist.

Jede Photovervielfacherröhre wird von einem strahlungsundurchlässigen Schild 54 umgeben ,das gleitbar auf dem Basisteil 42 angeordnet ist. An einer Stelle in der Seitenwand des Schildes befindet sich eine Öffnung 55 oder ein Loch mit einem Durchmesser von 6,4 mm,die es ermöglicht, daß eine Strahlung, die durch die Wand 18 der Analysierkammer 16 geht, auf einen Filter 56 fällt. Jeder Filter ist speziell und besonders ausgelegt, damit nur das Spektrum eines bestimmten Gases hindurchgehen kann. Auf diese Weise sind die Spektren von sieben verschiedenen Gasen einzeln in einer Analysiereinheit erfaßbar .

Der Filter 56 ist genau in bezug auf die Analysierkammer und die Photovervielfacherröhre 41 mittels axialer Bewegung und Drehung des Schildes 54 ausgerichtet. Das bedeutet, daß sich das Schild manuell drehen, heben und senken läßt, bis die Abstrahlung von der Kammer durch den Filter genau auf die ansonsten eingekapselte Photovervielfacherröhre gerichtet ist. Die Strahlung aus der Kammer wird gleichzeitig an die sieben Empfänger geleitet, wobei jeder Empfänger seinen eigenen angedeuteten Schaltkreis, wie beschrieben, aufweist. Jede Röhre 41 kann in Reihe an die Meßeinrichtung 52 angeschlossen werden, um eine Ablesung des Ausgangs aufgrund jedes einzelnen bis zu sieben verschiedenen zu messenden Gasen vorzunehmen. Auch kann eine kontinuierliche Überwachung von jedem der sieben Gase gleichzeitig durch eineaußerhalb befindliche Anzeige- oder Aufzeichnungs-

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_ 7 einrichtung vorgenommen werden.

Bei einer Vorrichtung der beschriebenen Art beträgt die Verzögerungszeit zum Anzeigen der Meßergebnisse etwa 50 bis 100 Millisekunden, so daß die Vorrichtung ohne weiteres dazu verwendet werden kann, um eine kontinuierliche "on line" Ablesung zu schaffen.

In manchen Fällen und tatsächlich bei früherem Arbeiten mit dem Analysator wurde die Einheit gewöhnlich mit einem Heliumgasstrom durch die Analysierkammer getrieben. Das Heliumgas diente als Anreger für das andere Gas oder die anderen vorhandenen Gase. Durch eine geeignete Einrichtung wurde der Wert für das Heliumgas von dem Verbundergebnis abgezogen, um einen Wert für jedes spezielle andere Gas, das betrachtet wurde, zu erhalten. Dies schaffte eine einfache und genaue Ermittlungseinrichtung für irgendein Gas der Vielzahl von Anästhesietests und physiologischen Gasen. Die früher,e Technik basierte auf der Verwendung eines Trägergases, wie Helium und hing weitgehend von der Verwendung von angeregten metastabilen Heliumatomen als Anregungsmittel für die anderen Gase ab. Demgegenüber wurde kürzlich festgestellt, daß durch einen Aufbau der Meßeinrichtung, wie sie im wesentlichen hier gezeigt ist, und die die angedeuteten und beschriebenen Abmessungen und Beziehungen aufweist, Helium oder ein anderes Trägergas nicht mehr notwendig ist . Es ist nicht mehr erforderlich, metastabiles Helium oder vergleichbare Ionen zur Anregung vorzusehen. Einzelne Gase alleine oder miteinander vermischt, können getrennt gemessen werden. Helium selbst kann anstelle seiner bloßen Verwendung als Träger oder Anreger auch als ein Gas für eine physiologische Untersuchung oder Messung dienen.

Bei Langzeitbetrieb wurde festgestellt, daß manchmal Schwierigkei- ' ten aufgrund von Elektrodenzerstäubung und Ablagerung von Metalloxyden in der Analysierkammer auftreten. Die Oxydation wurde wesentlich durch Verwendung von Molybdän als ausgesetztes Metall für die .Anode und die Kathode oder in Form der Schutzstücke 15 und 20 verringert, die die Anode und Kathode vergrößern. Molybdän ist vorteil-

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haft, da Molybdänoxid unter den Bedingungen des Kammerbetriebes in Gasform vorliegt und mit dem zu analysierenden Gas oder den Gasen ohne Ablagerung herausgeführt werden kann. Das ansonsten gegenwärtige elektrische Zerstäuben wird beträchtlich durch die Verwendung der zylindrischen Glas- oder Keramikisolation zum Beispiel bei 57 und 58 innerhalb der äußeren Glaswand 18 reduziert. Die Isolation erstreckt sich von den Enden bis zu einem ringförmigen Spalt im Bereich der Öffnungen 55. Die von der Kathode 15 zerstäubten Partikel beaufschlagen die Glas- oder Keramikisolation, während die äußere Glaswand 18 rein bleibt. Die Isolatoren sind relativ dick in Radialrichtung zum Axialspalt, so daß sie auf die Strahlung aus dem Auslaß einen wesentlichen Kollimationseffekt ausüben. Die Strahlung ist gegenüber Streustrahlen abgeschirmt und wird weiter dadurch gebündelt, daß sie durch die relativ kleinen öffnungen 59 in einem dünnen leichten Schild 61 aus undurchlässigem Material gelangen, das die Glaswand 18 umgibt.

Beim Betrieb der Anordnung steht das Atmungsrohr 6 wie beschrieben mit dem Patienten in Verbindung, ist der elektrische Schaltkreis beaufschlagt und wird die Meßeinrichtung 52 nacheinander oder wie gewünscht mit irgendeiner der verschiedenen Meßvorrichtungen 41 verbunden, um eine spektrografische Ablesung der einzelnen Gase vorzunehmen. Bei diesen kann es sich beispielsweise um Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Helium, Acetylen, Stickstoffoxydol, Stickstoffoxid, Schwefeldioxid und gewisse Anästhesiegase handeln.

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Claims

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- 9 Patentansprüche

M./ Gasanalysator, insbesondere zur Verwendung bei Lungenuntersuchungen, gekennzeichnet durch ein mit dem Patienten in Verbindung stehendes Atmungsrohr (6), eine zylindrische Änalysierkammer aus Isoliermaterial mit elektrisch leitenden Enden und einem im wesentlichen gleichförmigen Innaidurchmesser zwischen den Enden, einer Einrichtung (9, 11, 12) einschließlich einer Leitung (12) mit kleinem Durchmesser relativ zum Durchmesser der Analysierkammer, die sich axial durch ein Ende (16) erstreckt, und die Kammer mit dem Rohr (6) verbindet, einer Einrichtung (21,22) mit einem Kanal (22) von kleinem Durchmesser relativ zum Durchmesser der Analysierkammer,der sich axial durch das andere Ende (19) erstreckt und die Kammer mit einer Unterdruckquelle verbindet, so daß Gase vom Rohr (6) durch die Kammer gesogen werden, eine Einrichtung,um an die Enden (16, 19) der Kammer eine Spannungsdifferenz anzulegen und eine Strahlung vom Gas in der Kammer zu erzeugen; eine Vielzahl von Strahlungsmeßeinrichtungen (31) , die um die Kammer angeordnet sind; zwischen der Kammer und wenigstens einigen der Meßeinrichtungen angeordnete Strahlungsfilter (56), wobei jeder Strahlungsfilter (56) für ein bestimmtes Gas der Vielzahl von in der Kammer befindlichen Gasen ausgelegt ist; und einer Einrichtung (52), die die Reaktion jeder Meßeinrichtung (31) anzeigt.
2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer einen Innendurchmesser zwischen 10 bis 30 mm , die Leitung (12) einen Innendurchmesser von etwa 1,5 mm und der Kanal (22) einen Innendurchmesser von 3,2 bis 6,4 mm aufweist.
3. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer von einem strahlungsundurchlässigen Schild (61) umgeben ist, welches eine Strahlungsöffnung (59) aufweist, um die Strahlung von der Kammer zu einem der Filter (56) hindurchzulassen.
4. Gasanalysator nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -

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zeichnet, daß das Schild (61) gleitbar auf der Kammer angeordnet ist.
5. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen einer Spannung eine axial perforierte Kathode und eine axial perforierte Anode umfaßt, die zwischen der Leitung (12) bzw. dem Kanal (22) angeordnet sind.

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