DE4409589A1 - Vorrichtung zur Messung von Atemgasparametern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Atemgas­ parametern mit einem Atemrohr, Ultraschallsensoren und einer in einem separaten Gehäuse angeordneten Vorverstärkerelektronik.

Üblicherweise werden heute vor allem in der Intensivpflege und der Anästhesie, aber auch in der allgemeinen medizinischen Diagnostik, diskrete Sensoren zur Messung der Strömung und der Zusammensetzung von Atemgasen und anderer Größen, wie beispiels­ weise des Druckes, verwendet. Die Atemgasströmung wird nach un­ terschiedlichen Prinzipien, zum Beispiel mittels Pneumotacho­ graphie oder mittels der Anemometrie am Tubus oder im Beatmungs­ gerät erfaßt. Die Gaskonzentrationen des Atemgases werden davon unabhängig vorwiegend im Neben- und teilweise Hauptstrom nach unterschiedlichen Prinzipien, zum Beispiel mittels Infrarotspek­ troskopie, Paramagnetismus oder Massenspektrometrie bestimmt. Der Atemwegsdruck wird wiederum separat am Mund oder im Beat­ mungsgerät gemessen. Durch die unterschiedlichen Meßanordnungen entstehen zeitliche Verzögerungen zwischen den einzelnen Meßsi­ gnalen. Meistens werden die Signale nicht direkt am Mund gemes­ sen, sondern an anderen Orten, wodurch eine zeitliche Zuordnung zur Atmung des Patienten erschwert wird. Bei der Gasbestimmung im Nebenstrom treten zudem Transienten auf, die zu Fehlern in der Meßgenauigkeit führen. Außerdem sind die Verfahren häufig in Kombination aufwendig und teuer.

Diese Meßvorrichtungen werden im Krankenhauseinsatz täglich bei einer Vielzahl von Patienten eingesetzt. Hierbei besteht die Ge­ fahr von gefährlichen Kreuzinfektionen zwischen den Patienten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Messung von Atemgasparametern nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs an die Hand zu geben, bei dem die Atemgasparameter gleichzeitig er­ faßt werden können.

Diese Aufgabe wurde ausgehend von einer gattungsgemäßen Meßvor­ richtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Demnach sind bei einer Meßvorrichtung für Atemgasparameter mit einem Atemrohr, Ultraschallsensoren und ei­ ner in einem separaten Gehäuse angeordneten Vorverstärkerelek­ tronik die Ultraschallsensoren in dem Atemrohr fest integriert, so daß sie mit diesem ein einstückiges Teil bilden. Dabei können die Ultraschallsensoren in entsprechende Ansätze des Atemrohr eingegossen sein. Das Atemrohr bildet mit den integrierten Ultra­ schallsensoren ein austauschbares Teil zur einmaligen Verwen­ dung, das vor dem Mund des Patienten an einer Maske oder einem Tubus aufsteckbar ist. Das Atemrohr kann für besondere Anwendun­ gen auch gassterilisiert und wiederverwendet werden.

Im Atemrohr kann zusätzlich ein Drucksensor einstückig inte­ griert, vorzugsweise eingegossen, sein.

Das entsprechende Elektronikmodul ist dann so auszulegen, daß der aufgenommene Druckwert ebenfalls verarbeitet wird.

Im Atemrohr kann weiterhin zusätzlich eine Infrarotlichtquelle und gegenüberliegend ein optischer Sensor fest integriert sein. Mittels dieser Sensorik lassen sich nach dem Infrarotabsorptions­ verfahren CO₂, N₂O und andere Anästhesiegase bestimmen. Die In­ frarotlichtquelle kann auch neben dem optischen Sensor angeord­ net sein, wenn die dem Sensor gegenüberliegende Wand des Atem­ rohrs verspiegelt und so ausgeformt ist, daß das von der Licht­ quelle ausgesandte Licht dort reflektiert wird und vom Aufnehmer empfangen werden kann. Bei dieser Ausführungsform kann auch der optische Sensor im Elektronikgehäuse fest installiert werden. Das ermöglicht eine besondere kompakte Bauform.

Das Atemrohr kann vorteilhaft aus einem lichtdurchlässigen Mate­ rial, vorzugsweise einem lichtdurchlässigen, medizinischen Poly­ mer, gefertigt sein. In diesem Fall kann die Lichtquelle und der optische Sensor in die Wandung des Atemrohres eingegossen sein, da die Strahlung durch die Wandung durchtreten kann. Sowohl die Lichtquelle wie auch der Sensor werden ebenfalls mit der Elektro­ nik verbunden, so daß sie einerseits mit Strom versorgt werden können, und daß andererseits die Signale zur Weiterverarbeitung abgegeben werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Infrarotlichtquelle und der zugehörige optische Sensor derart neben dem Ultraschall­ sensor quer zum Verlauf des Atemrohres eingebaut sind, daß sich die Verbindungslinien zwischen den Ultraschallsensoren und zwischen der Infrarotlichtquelle und dem zugehörigen optischen Sensor kreuzen. Hierdurch ist eine besonders kompakte Bauweise mit geringem Totraum ermöglicht.

Die Infrarotlichtquelle und der zugehörige optische Sensor können auch über einen aufsteckbaren Halter auf das Atemrohr auf­ setzbar und mit diesem verbindbar sein. Dadurch können die Infra­ rotlichtquelle und der zugehörige optische Sensor mehrfach ein­ gesetzt werden, wenn das Atemrohr ausgetauscht wird. Weder die Infrarotlichtquelle noch der optische Sensor kommen mit dem durch das Atemrohr strömenden Atemgas in Berührung.

Im Elektronikgehäuse kann eine Lichtquelle installiert sein, die geeignetes Licht aussendet, welches die Wandung des Atemrohres durchdringt und auf der Innenseite des Atemrohres auf einen dort aufgetragenen, geeigneten, fluoreszierenden Farbstoff auftrifft. Neben der Lichtquelle kann im Elektronikgehäuse ein optischer Aufnehmer angeordnet sein, der nach dem Lumineszenz- bzw. Flu­ oreszenz-Prinzip die Sauerstoffkonzentration bestimmt. Dabei kann die Wandung des Atemrohres in geeigneter Weise ausgeformt werden, um eine verbesserte Lichtleitung zu gewährleisten.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse für die Vorverstärkerelektronik an das Atemrohr anflanschbar, wobei die Übertragung der Stromversorgung und der Signale von dem Elek­ tronikgehäuse zu den im Atemrohr integrierten Sensoren und um­ gekehrt mittels einer kodierten Steckerplatte erfolgt. Das an­ geflanschte Elektronikgehäuse kommt mit dem Atemstrom des Patien­ ten nicht in Berührung und kann daher wiederverwendet werden. Im Gehäuse für die Vorverstärkerelektronik können weitere An­ schlüsse für Datenleitungen vorhanden sein, beispielsweise für die Daten, die aus einem separat angeschlossenen O₂-Analysator stammen. Beim Vorhandensein eines O₂-Analysators mit Signalaus­ gang kann das Signal der O₂-Konzentration der Elektronik des Atemrohres zugeführt werden. Über Molmasse und O₂-Konzentration läßt sich dann die CO₂-Konzentration genau bestimmen.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Vorverstärker­ elektronik auch unmittelbar in den Boden des Atemrohres einge­ gossen sein.

Schließlich kann das Atemrohr insgesamt so dimensioniert werden, daß es an die bei Kleinkindern verwendeten Anschlüsse von Maske und Beatmungstubus paßt. Somit kann das Atemrohr auch in der Pädiatrie und Neonatologie eingesetzt werden.

Die Erfindung besteht also aus einem Atemrohr zum einmaligen Ge­ brauch oder nach Gassterilisation mehrmaligen Gebrauch, das di­ rekt vor dem Mund des Patienten an einer Maske oder am Tubus auf­ gesteckt wird. Das Atemrohr ermöglicht die Messung der Strömung der Atemgase und der Molmasse, einer oder mehrerer Gaskonzentra­ tionen und des proximalen Atemwegsdruckes. Die Atmung oder Beat­ mung des Patienten wird durch die Meßanordnung nicht behindert oder gestört, da die Messung im freien Rohrquerschnitt erfolgt. Teile der Sensorik, vor allem die Ultraschallsensoren und der Druckwandler, sind direkt in das Atemrohr miteinbezogen. Andere Teile der Sensorik, die als optische Aufnehmer ausgebildet sind, sind ebenfalls in das Atemrohr einbezogen oder werden an diese angeflanscht.

Aus den mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessenen Primär­ parametern können abgeleitete Größen, wie beispielsweise die Sauerstoffaufnahme, die CO₂-Abgabe, der respiratorische Quo­ tient, das Atemzugvolumen, das Atemminutenvolumen, die Atemar­ beit und andere errechnet werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Schnittdarstellungen eines Atemrohres gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Meßvorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einem Atemrohr 12, aus einem lichtdurchlässigen, medizinischen Polymer. Am Atem­ rohr 12 sind Normanschlüsse 16 und 18 angeformt, die einerseits ein einfaches Anstecken an einer Maske oder an einem Tubus und andererseits ein einfaches Anstecken an eine Schlauchverbindung ermöglichen. Das Atemrohr 12 ist auf ein Gehäuse 14 aufsteckbar, das eine Vorverstärkerelektronik (hier nicht dargestellt) bein­ haltet. Beim Aufstecken des Atemrohres 12 auf das Gehäuse der Vorverstärkerelektronik 14 werden über eine kodierte Stecker­ platte notwendige Stromversorgungsleitungen und Meßdatenleitun­ gen miteinander verbunden.

Wie insbesondere aus der Fig. 1 ersichtlich, sind schräg zur Mittelachse des Atemrohres und sich gegenüberliegend rohrförmige Ansätze 20 am Atemrohr 12 angeformt, die die Meßstrecke für an den Enden der rohrförmigen Anformungen 20 angeordnete Ultra­ schallsensoren 22 bilden. Die Ultraschallsensoren 22 sind somit in das Atemrohr 12 eingegossen. Sie werden mit diesem zusammen ausgetauscht. Ebenfalls rohrförmige Anformungen 24, die schräg zur Mittelachse des Atemrohres 12 und sich gegenüberliegend an­ geordnet sind, bilden die Meßstrecke für eine Infrarotlicht­ quelle 26 und einen zugehörigen optische Sensor 28. Die Meß­ strecken der Ultraschallsensoren 22 und der Infrarotlichtquelle 26 sowie des optischen Sensors 28 kreuzen sich, wie in Fig. 1 dargestellt. Durch diese Anordnung der Sensoren ist eine beson­ ders kompakte Bauweise möglich.

In der Wandung des Atemrohres 12 ist zusätzlich ein Druckwandler 30 integriert. Weiterhin ist im Gehäuse eine Lichtquelle 32 ange­ ordnet. Gegenüberliegend zu der Lichtquelle 32 ist eine fluores­ zierende Schicht in hier nicht dargestellter Art und Weise innen im Atemrohr aufgebracht.

Die mittels dieser Meßvorrichtung aufgenommenen Signale werden gleichzeitig und ohne zeitlichen Verzug im Hauptstrom erfaßt. Dies ermöglicht eine besonders einfache atemsynchrone Auswertung von Ventilation und Gasaustausch des Patienten. Insbesondere lassen sich Atemvolumina, Atemfrequenz, Sauerstoffaufnahme, CO₂-Abgabe sowie die Konzentrationen von Anästhesiegasen be­ stimmen. Weiterhin kann mittels Auswaschverfahren die funktio­ nelle Reservekapazität FRC des Patienten ermittelt werden. Die gewonnenen Meßwerte und die abgeleiteten Rechenwerte sind von großer Genauigkeit und bei weit geringerem technischem Aufwand als bei den bisher genannten Meßvorrichtungen. Der Totraum, der bei den vorgenannten Messungen eine wichtige Rolle spielt, ist minimiert.

Die Vorrichtung wird nach der Benutzung durch einen Patienten entsorgt, so daß die gefährliche Kreuzinfektion zwischen den Patienten wirksam verhindert werden kann. Für besondere Anwen­ dungen läßt sich das Atemrohr auch gassterilisieren.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Messung von Atemgasparametern mit einem Atem­ rohr, Ultraschallsensoren und einer in einem separaten Ge­ häuse angeordneten Vorverstärkerelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsensoren in dem Atemrohr fest integriert sind, so daß sie mit diesem ein einstückiges Teil bilden, und daß zumindest das Atemrohr mit den integrierten Ultra­ schallsensoren als austauschbares Teil zur einmaligen Verwen­ dung ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Atemrohr zusätzlich ein Drucksensor einstückig integriert, vorzugsweise eingegossen, ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Atemrohr zusätzlich eine Infrarotlicht­ quelle und gegenüberliegend ein optischer Sensor fest inte­ griert sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Atemrohr aus einem lichtdurchlässigen Mate­ rial, vorzugsweise einem lichtdurchlässigen, medizinischen Polymer, gefertigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Infrarotlichtquelle und der optische Sen­ sor in die Wandung des Atemrohres eingegossen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Infrarotlichtquelle und der zugehörige op­ tische Sensor derart neben den Ultraschallsensoren quer zum Verlauf des Atemrohres eingebaut sind, daß sich die Verbin­ dungslinien zwischen den Ultraschallsensoren und zwischen der Infrarotlichtquelle und dem zugehörigen optischen Sensor kreuzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, Anspruch 4 oder Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Infrarotlichtquelle und der zugehörige optische Sensor über einen aufsteckbaren Halter auf das Atemrohr aufbringbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotlichtquelle und der zugehöri­ ge optische Sensor nebeneinander angeordnet sind, daß die dem Sensor gegenüberliegende Wand des Atemrohrs verspiegelt und so ausgeformt ist, daß das von der Lichtquelle ausge­ sandte Licht reflektiert wird und vom Sensor empfangen wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Elektronikgehäuse eine Lichtquelle instal­ liert ist, die geeignetes Licht derart aussendet, daß dieses die Wandung des Atemrohres durchdringt und auf der Innenseite des Atemrohres auf einen dort aufgetragenen, geeigneten fluoreszierenden Farbstoff auftrifft, daß neben der Licht­ quelle im Elektronikgehäuse ein optischer Aufnehmer angeord­ net ist, der nach dem Lumineszenz- bzw. Fluoreszenz-Prinzip die Sauerstoffkonzentration bestimmt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse für die Vorverstärkerelektronik an das Atemrohr anflanschbar ist, wobei die Übertragung der Stromversorgung und der Signale von dem Elektronikgehäuse zu den im Atemrohr integrierten Sensoren und umgekehrt mittels einer kodierten Steckerplatte erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Gehäuse für die Vorverstärkerelektronik wei­ tere Anschlüsse für Datenleitungen vorhanden sind, beispiels­ weise für die Daten, die aus einem separat angeschlossenen O₂-Analysator stammen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorverstärkerelektronik unmit­ telbar in den Boden des Atemrohres eingegossen ist.