DE2723939C2

DE2723939C2 - Vorrichtung zur Atemgasanalyse

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Publication number: DE2723939C2
Application number: DE19772723939
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Dr.rer.nat. 8520 Erlangen Albrecht; Gerhard Prof. Dr.-Ing. 7080 Aalen Müller; Max Prof. Dr.-Ing. 8520 Erlangen Schaldach
Original assignee: Individual
Current assignee: ALBRECHT, HANS-JOERG, DR.RER.NAT., 8520 ERLANGEN,
Priority date: 1977-05-24
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DE2723939A1

Description

Die Erfindung betrifft e;ne Vorrichtung zur Atemgasanalyse gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs I bzw. 5. In der medizinischen Diagnostik besteht das Bedürfnis, insbesondere bei der Überwachung von Patienten in der Intensivpflege oder während einer Operation durch möglichst umfiiigreiche Informationen Aufschluß über den aktuellen Zustand des Patienten zu gewinnen. Die dazu erforderlichen Meßgrößen sollen einfach zugänglich und der notwendige Analyseaufwand gering sein. Die Atemgaszusammensetzung und dabei insbesondere die Sauerstoffaufnahme und die Kohlendioxidabgabe stellen Bilanzgrößen des gesamten Gas- und Energiestoffwechsels dar und eignen sich deshalb besonders sowohl sowohl zur Beurteilung eines allgemeinen Krankheitsbildes als auch zur Überwachung des augenblicklichen Zustands eines Patienten. Die Bestimmung der einzelnen Anteile des Atemgases kann der Ermittlung kardiovasculärer und pulmonaler Parameter sowie zur gezielten Messung der Anteile von Narkosegasen im Atemgasgemisch des Patienten benutzt werden.

Wollte man bisher Aufschluß über die Atemgaszusammensetzung eines Patienten gewinnen, so war es erforderlich, die einzelnen Anteile getrennt nachzuweisen. Der Aufwand an verschiedenen Analysegeräten, die für die Ermittlung eines jeden Anteils getrennt vorzusehen waren und für sich bedient und überwacht werden mußten, stand der Einführung von Vorrichtungen zur simultanen Atemgasanalyse auf breiter Basis im klinischen Bereich entgegen.

Zwar gestattet die auch vereinzelt in Kliniken eingesetzte Massenspektroskopie die simultane Durch-

führung einer Ater.i=n?anaiyae mit einem Meßsystem, der apparative Aufwand eines massenspektrometrischen Gasanalysegerätes steht jedoch ebenfalls einer breiten Anwendung entgegen. Ein Überblick über bisher übliche Verfahren wird in einem Aufsatz von U. Smidt, G. v. Nieding und H. Löttgen in der Zeitschrift Biomedizinische Technik 21,1976,3.102 ίΐ. gegebeis.

Die Raman-Spektroskopie ermöglicht als schwingungsspektroskopisches Analyseverfahren unter Ausnutzung der Molekülschwingungen als spezifische Eigenschaft, du: Zusammensetzung von Mischungen, die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Substanzen und die Molekülstruktur zu ermitteln und kommt daher grundsätzlich auch für eine Anwendung im klinischen Bereich in Betracht Raman-spektroskopische Untersuchungsmethoden wurden bisher vorwiegend zur Untersuchung von Molekülstrukturen, Flüssigkeiten und Festkörpern benutzt Wegen der sehr geringen Wirkungsquerschnitte war die Anwendung auf die Gasphase nur in begrenztem Umfang möglich. Erst durch die Verwendung von Lichtquellen hoher Intensität zur Streuanregung, hochempfind'ichen Photoempfängern zur direkten photoelektrischen Registrierung des Streulichts und einer Vielzahl von meist rechnergestützten Signalverarbeitungstechniken wurde tine breitere Anwendung auch zur Untersuchung von Gasen möglich. Ausführlich wird darüber berichtet in: Lapp, M.; Penney, C M. »Laser Raman Gas Diagnostics«, Plenum Press, New York/London, 1974. Raman-spektroskopische Gasanalysen sind danach zur Fernmessung von Schadstoffkonzentrationen in der Luft, zui Bestimmung von Temperaturprofilen, sowie des Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre bekanntgeworden. Hinzu kommt eine Anwendung zur Prozeßüberwachung anhand der Konzentrationen gasförmiger Produkte bei chemischen Reaktionen.

Insbesondere hinsichtlich der erzielbaren Nachweisempfindlichkeiten und einer zu fordernden einfachen Anwendbarkeit im klinischen Bereich weisen die bisher bekannten Vorrichtungen erhebliche Nachteile auf. *o

Aus der US-PS 37 04 951 ist eine Vorrichtung nach dem Prinzip der Laser-Raman-Spektroskopie mit einer Multipaß-Anordnung bekannt, bei der ein Laserstrahl derart in eine Anordnung von einander zugewandten Hohlspiegeln einfällt, daß er zwischen den Hohlspiegeln mehrfach reflektiert wird, wobei jedoch der Nachteil besteht, daß die Auswertung ledip'ich mittels eines einzigen Detektors erfolgt, so daß der Simultannachweis mehrerer Gase nicht möglich ist. Die Anordnung ist weiterhin für Gase nur eingeschränkt verwendbar (Spalte 8. Zeile 43 bis 55). Durch die Polarisationseigenschaften der verwendeten Laser-Strahlung und der durch die gewählte Strahlengeometrie hervorgerufenen anisotropen Intensitätsverteilung ist ein empfindlicher Nachweis der Raman-Strahlung insbesondere nicht richtungsunabhängi; möglich.

Aus der Entgegenhaltung US-PS 38 07 862 ist eine Vorrichtung zur Gasanalyse bekannt, bei der ebenfalls nur eine einzige Raman-Linie ausgewertet werden kann.

Aus der DE-OS 21 30 331 ist ein Verfahren und eine «> Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen durch optische Extinktionsmessung bekannt, Eine derartige Anordnung ist jedoch wegen der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche und der im Vergleich zu der auftretenden Störstrahlung sehr geringen Intensität der Raman-Strahlung nicht verwendbar.

Aus der US-P3 .^7 23 007 ist ein Verfahr™ zur Fernmessung von Gaskonzentrationen mit einem Hochleistungspulslaser und einem Spiegelteleskop bekannt, bei dem ein Gitterpolychromator verwendet wird. Dieses System benötigt wegei: des gewählten Strahlenganges eine Laser-Leistung in der Größenordnung von 10 kW und ist daher für eine weite Verbreitung ungeeignet Außerdem steht auch die Verwendung eines aufwendigen Gitterspektiometers einer kostengünstigen Herstellbarkeit entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Atemgasanalysevorrichtung kompakter Bauform zu schaffen, die es ermöglicht, kontinuierlich verschiedene Gasanteile simultan nachzuweisen, und dabei so empfindlich ist, daß reproduzierbare Messungen auch unter klinischen Bedingungen erzielbar sind. Darüber hinaus soll die Vorrichtung einfach bedienbar und kostengünstig herstellbar sein, so daß auch unter diesem Gesichtspunkt eine breite Anwendungsmöglichkeit gewährleistet ist.

Die Erfindung besteht aus zwei voneinander unabhängigen Lösungen dieser Aufgabe, welche in den Patentansprüchen 1 und 5 angegeben sind.

Bei der in Anspruch 1 angegeben.;; Vorrichtung sind die Meßdetektoren in einer zwischen de.* Hohlspiegeln gelegenen senkrecht zur Strahlenrichtung ausgerichteten äquatorialen Ebene angeordnet in der aurrh die besondere Strahlführung eine für die Messung geeignete gleichmäßige räumliche Streulichtverteilung erzielt wird. Während bei dieser Anordnung die maximale Zahl der erfaßbaren Substanzen bei ungefähr sechs liegt, läßt sich diese bei der in Anspruch 5 angegebenen Anordnung so weit vergrößern, daß sie nahezu allen Anforderungen gerecht wird.

Im Gegensatz zu der bisher nebeneinander verwendeten Vielzahl verschiedener klinisch-chemischer Testverfahren unterschiedlicher Spezifität und Genauigkeit, werden bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen diese Analysen zu einem einzigen Meßvorgang zusammengefaßt der eine hohe analytische Genauigkeit gewährleistet. Dadurch, daß eine Anzahl von in einem homogenen Verfahren gewonnener Meßaaten «iirekt einer Computerauswertung zugänglich ist, wird dem behandelnden Arzt eine wesentliche Hilfe für die Erstellung einer schnellen Diagnose gegeben. Da die kontinuierliche Messung mit einer großen zeitlichen Auflösung erfolgt, sind Meßwertschwankungen sofort erkennbar, so daß eine — insbesondere in der Intensivpflege erforderliche — schnelle Therapieentscheidung möglich ist. Der kontinuierlichen Messung der Atemgase kommt bei einer Diagnose besondere Bedeutung zu.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprücbsn gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und werden nachfolgend näher besch: .eben. Es zeigt

F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Raman-spek;roskopischen Atemgasanalysevorrichtung in schematischer Darstellung,

F i g. 2 die Geometrie des Strahlenverlaufs bei dem Ausführungsbeisp/elgemäß Fig. 1.

F i g. 2a den Aufbau eines gasspezifischen Detektors bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2,

Fig.2b eine Zusammenstellung der Streu'iditkomponenten für die 90°-Streugeometrie und verschiedene Polarisationsrichtungen des Laserlichts,

Fig. 2c eine Darstellung des Verlaufs der Raman-Intensität in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Laserlichts ohne iKurvc A) und mit Srramhlrr

(Kurve B),

Fig. 3a. b und 4 den Aufbau einer weiteren erfindungsgemäßen Raman-spektroskopisehen Atem· gasanalysevorrichtung.

In Fig. I ist der prinzipielle Aufbau eines Ausfiih rungsbeispiels einer Riiman-spektroskopischen Aterngasanalysevorrichtung gemäß Anspruch 1 schematisch dargestellt. Als Anregungslichtquelle 1 dient ein Argon-Laser, der zur Streuanregung die blaue Ar*- Laserlinie mit einer Wellenlänge von 0 = 488 nm abgibt. Die zu analysierende Atemluft 2 wird in Pfeilrichtung in eine Durchflußküvette 3 eingeleitet. Die DurchfltiBkiivette weist eine aus zwei Hohlspiegeln 4 und 5 bestehende Multipaß-Anordnung auf, die weiter unten näher beschrieben werden wird. Die Durchflußküvette wird durch eine Heizspirale 6 auf 40 bis 5O⁰C aufgeheizt und ist eine streulichtarme Ausführung ohne Brewster-Fenster.

Das aus der Küvette austretende Streulicht wird

UUIH! LIIIl. IVUIIIUIIKIUVfll tun <.·*«.· ■ ■ ■ * ». · · *. · «. tiZi ! ! ΐ"Γ'ΐ /, die aus einem breitbandigen und einem gasspezifischen Filter besteht, spektral zerlegt und gelangen zu einem Photomultiplier 8, der eine gasspezifische Impulsrate pro Zeiteinheit erzeugt. Diese Impulse werden einer Auswertungseinheit 9 zugeführt, die einen Zähler enthält, der die innerhalb der Torzeiten / auftretenden Impulse festhält. Das Ausgangssignal des Zählers gelangt über einen Digital-Analog-Wandler — als analoges Ausgangssignal zum Ausgang der Auswertungseinheit 9, an den eine Schreibvorrichtung 10 angeschlossen ist, welche die gasspezifische Impulsrate

— und damit den Verlauf von Atemgaskonzentrationen

— in Abhängigkeit von der Zeit registriert. Für die Simultanregistrierung mehrerer Atemgasanteile ist der Photomultilier 8 mehrach vorzusehen, während die Auswertungseinheit 9 und die Schreibvorrichtung 10 entsprechend mehrkanalog ausgeführt werden.

In Fig. 2 ist die Geometrie des Strahlenverlaufs der Multipaß-Anordnung getrennt dargestellt. Sechs gasspezifische Detektoren D\ bis Dk sind in einer Detektorebene 11 angeordnet. Der Aufbau eines der gasspezifischen Detektoren ist in Fig. 2a vergrößert wiedergegeben. Dieser entspricht im wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten. Es ist wiederum die Kombination zweier Interferenzfilter 7 vorgesehen, die zwischen einer Sammeloptik 12 und einer Abbildungslinse 13 angeordnet ist. welche die Streustrahlung bündelt. Als Meßwandler zur Umwandlung der empfangenen Strahlung in elektrische Impulse dient wiederum ein Photomultiplier 8. Ein unpolarisierter Laserstrahl 14 gelangt durch einen durchbrochenen bzw. nicht verspiegelten Bleich 15 durch den Hohlspiegel 5 hindurch, durchquert die Meßküvette und wird von dem anderen Hohlspiegel 4 reflektiert Der nicht polarisierte Laserstrahl wird dadurch erzeugt, daß entweder ein Laser verwendet wird, der nicht mit Brewster-Fenstem abgeschlossen ist, oder aber ein zusätzlicher Depolarisator hinzugefügt wird. Eine weitere Möglichkeit, den Laserstrahl zu depolarisieren, besteht darin, die Spiegel der Multipaß-Einrichtung mit einer optisch aktiven Substanz zu beschichten. Durch die dargestellte Multipaß-Einrichtung entsteht durch die häufigen Reflexionen in der Äquatorialebene, die der Detektorebene entspricht, ein Gemisch vieler Polarisationsrichtungen, deren Streulichtanteile von den Detektoren D₁ bis IX erfaßt werden.

Die Hohlspiegel 4 und 5 können sphärisch oder elliptisch geschliffen sein, wobei zur Verringerung der Reflexionsverliisic bei einer bevorzugten Ausführungsforni eine Verspiegelung mittels dielektrischer Vielfachschichten vorgesehen ist. Zur Veränderung der Anzahl der Reflexionen ist der gegenseitige Abstand der Hohlspiegel 4 und 5 veränderlich. Durch den Einsatz der Multipaß-Anordnung läßt sich eine Steigerung der Intensität mit spärischen Spiegeln im Bereich von 10 bis 20 und mit elliptischen Spiegeln in der Praxis bis ungefähr 100 erreichen. Ein Spektralapparat mit der in F i g. 2 dargestellten Naehweisgeometrie für eine simultane Registrierung mehrerer Gasanteile ermöglicht diese Steigerung bei besonders einfachem konstruktiven Aufbau. Auf der normalen Fläche zur Ausbrcitungsrichtung der Laserstrahlung in der Gaskü-

is vette bzw. der »Äquatorialcbene« der Streuanordnung sind sechs Detektoren vorgesehen. Zur Erläuterung der Vorteile der Verwendung unpolarisierter Laser-Strahlung sollen die folgenden Überlegungen dienen:

Das Streulicht setzt sich aus einer isotropen und einer anisotropen KornⁿO^n(>"l'' 7u«mmpn Dip sirh allffemcin ergebende Intensitätsverteiiung läßt sich mit Hilfe des Depolarisationsgrades bzw. der Spur -5'² und der Anisotropie — γ'² des Raman-Tensors und des Winkels in der Beobachtungsebene beschreiben. Die Streu- und Nachweisgeometrie für die bekannte Verwendung polarisierten Laserlichts ist in F i g. 2b dargestellt. Dabei gilt für Polarisationsrichtungen L, oder L,: Registrierung von zwei Streulichtkomponenten /, und /, bzw. /, und I₁ C¹It Hilfe der entsprechenden Analysatorstellungen A_h Bei Gasen und verdünnten Lösungen wird das Streuverhalten durch λ'² und 90°-Streuanordnung fz-Richtung)

beschrieben:

L/.

/>~3y'²; Λ-3/²;

/_v~45(5'² Λ ~ 3 γ'².

Bei einer Polarisation da Laserstrahlung in Richtung L, und einer Beobachtungsrichtung unter einem Winkel Φ zur y-Achsegilt:

Λ + Iy = IfP)- 6 y'² + sin-¹* (45 S'² + y'²).

Da der Winkel θ den Winkel zwischen der Polarisationsrichtuüg und der Beobachtungsrichtung darstellt, läßt sich diese Winkelabhängigkeit der

Streuintensität durch Ändern sowohl der Beobachtungsrichtung als auch der Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung ermitteln. Kurve A in F i g. 2c zeigt den Verlauf der Raman-Intensität / als Funktion des Winkels θ = Φ + 90° bei einer Beobachtung in z-Richtung, die großen Schwankungen unterworfen ist. Dabei wird durch den endlichen Raumwinkel der Sammeloptik die Intensitätsverteilung über diesen Raurr..;inkel gemittelt. Dieser Nachteil der unterschiedlichen Intensitätsverteilung der sich bei einer 360°-Nachweisgeometrie störend bemerkbar machen würde, wird durch die Verwendung von unpolarisierter Anregungsstrahlung vermieden, die sich entweder durch den Einsatz eines Lasers mit unpolarisierter Strahlung oder, wie zum Beispiel bei der Verwendung eines Ar⁺-Lasers, durch einen zusätzlichen — in der Zeichnung nicht dargestellten — Scrambler erzielen läßt Als Scrambler ist ein Keildepolarisator geeignet Durch den Scrambler bzw. die Verwendung unpolarisierten Laserlichts werden die Intensitätsunterschiede in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung sehr stark eingeebnet Kurve B in F i g. 2c veranschaulicht die Wirkung des Scamblers auf die Streulichtintensität Dabei wurde der Scambler so justiert, daß für eine Polarisation in Richtung Ly und eine

Beobachtung in /-Richtung (Ψ = 9(Γ) die Intensität auf die Hälfte zurückgeht. Die Orientierung des Scamblcrs blieb unverändert, während die Polarisationsrichtung um den Winkel B = O bis 720" gedreht wurde. Im allgemeinen Fall. d. h. ohne den zusätzlichen Einfluß der ~> Raman-Streuung auf die Winkeiverteilung, erfordert eine optimale Depolarisation einen konstanten Winkel zwischen der Depolarisatororientierung und der Polarisatiot,'äinrichtung. Zum Vergleich mit der Kurve B wurde deshalb die Intensitätsverteilung bei einer in kombinierten Drehung von Scrambler und Polarisationsrichtung aufgenommen, der Differe.iiwinkel beträgt konstant 45°. Die Drehung des Scramblers führt zu einer Rotation der beiden austrittsbündel um eine gemeinsame Achse in der Multipaß-Anordnung. Durch π den rechteckigen Querschnitt der Blenden in der Durchflußküvette, die weiter unten noch näher erläutert werden, werden in bestimmten Winkelbereichen einige der Reflexionen ausgeblendet. Dies erklärt die Intensi-

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bis 200°. Durch eine Berücksichtigung der Strahldivergenz bei der Justierung der MultipaD-Anordnung und durch eine geeignete Form der Streulichtblenden läßt sich mit einem derariigen Scrambler eine hinreichende Depolarisation des Laserlichts erreichen. Da lit ist eine >> wesentliche Voraussetzung für die Verwendung der hier dargestellten Nachweisgeometrie mit 360" Anordnung der Detektoren gegeben. D?r Vorteil dieser Nachweisgeometrie liegt im technisch besonders einfachen Aufbau. Bei der Verwendung von sechs Nachweiskanälen entspricht der pro Kanal nutzbare Raumwinkel etwa dem .iner A: I-Optik, so daß die Verwendung einer derartigen Optik bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine optimale Ausnutzung der Strahlung sichergestellt. Die Intensitätsverluste durch v, die Interferenzfilter sind mit denjenigen anderer Spektralapparate vergleichbar.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Multipaß-Geometrie sind die beiden Spiegel konzentrisch angeordnet. Dabei liegen die Reflexionspunkte äquidistant auf der von der Eintrittsöffnung aus verfügbaren restlichen Spiegelfläche. Für einen vorgegebenen Durchmesser der Spiegel und einen gegebenen Bereich der durch die Sammeloptik nutzbaren Detektorfläche ergibt sich dann ein optimaler Abstand der beiden Spiegel, wenn eine Häufung der Streustrahlung für den genannten Bereich der Detektorfläche auftritt.

Die im Vorangehenden dargestellte Gasanalysevorrichtung mit in einer Ebene angeordneten Detektoren weist in einer für die klinische Anwendung besonders günstigen Konfiguration Filter und Detektoren für den simultanen Nachweis von O₂, N₂, CO₂, N₂O, CO sowie ein Narkosemittel, wie z. B. Halothan oder Ethrane auf. Mit dieser Auswahl wird einerseits der vorhandene Streulichtbereich durch das Vorhandensein von sechs Detektoren optimal ausgenutzt und zum anderen die Möglichkeit für den Nachweis von sechs für die Beurteilung des Gas- und Energiestoffwechsels besonders wichtigen Gasanteilen gegeben.

In den Fig.3a, b und 4 ist der Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Raman-spektroskopischen Atemgasanalysevorrichtung gemäß Anspruch 5 dargestellt In Fig.3a tritt der Laserstrahl 14 ebenfalls im die durch die Hohlspiegel 4 und 5 gebildete Multipaß-Anordnung ein, um zwischen den Spiegeln vielfach reflektiert zu werden. Einstellbare Blenden 16. die in ihrer Anordnung dem Strahlengang angepaßt sind, können angeordnet sein, um die Rayleigh-Komponeinte des Streulichts und eine auftretende Fluoreszcnzstrahlung um einen Faktor IO gegenüber vergleichbaren Küvetlen mit ßrewster-Fenstern /u unterdrücken. In Fig. 3b ist die selbe Anordnung um 90° gedreht dargestellt. Die Blenden 16 sind in ihrer Anordnung diesem räumlichen Verlauf angepaßt. Die .Sammeloptik 2 eines Detektors ist so angeordnet, daß sie einen möglichst großen Streulichtbercich durch die Fenster 22 hindurch erfaßt. Diese Erfassung einer größeren Streufläche reduziert den Einfluß mechanischer Schwankungen und Instabilitäten auf die registrierte Intensität. Für die Simiiltananalyse mehrerer Gasanteile ist die in Fig. 4 dargestellte Filteranordnung vorgesehen, welche im nächsten Absatz beschrieben ist. Eine Gaszuleitung 17 dient dem Zuführen von Atemgas. Die Durchflußküvette 3 einschließlich der Gaszuleitung 17 werden mit Folienheizelementen 18 bis 21 auf einer Temperatur gehalten, die höher ist als die Körpertemperatur. Damit wird eine Kondensation des Wasser-

Küvettenwänden verhindert und sichergestellt, daß keine Undefinierte Verringerung des registrierten COi-Gehaltes auftreten kann. Die Küvette ist als offene Küvette ohne Brewster-Fenster ausgebildet, um eine vollständige Atmung durch die Küvette zu ermöglichen. Das Gesamtvolumen der Meßanordnung beträgt ca. 30 cm³. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Heizelemente für die Meßküvette und die Gaszuleitung gleichzeitig für die Sterilisation der Meßanordnung bei der klinischen Anwendung benutzbar, wodurch eine weitere Vereinfachung erzielt werden konnte.

In Fig.4 ist die Filteranordnung für den Simultannachweis mehrerer Atemgaskomponenten dargestellt. Während bei dem im Vorhergehenden dargestellten Ausführungsbeispiel jeder erfaßte Streulichtanteil nach dem Durchlaufen der Sammeloptik nur einem einzigen Detektor zugeführt wird, erfolgt hier eine Aufspaltung des erfaßten Streulichts in mehrere gasspezifische Anteile, die verschiedenen Detektoren nacheinander zugeführt werden. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn die Zahl der zu ermittelnden Gasanteile größer ist als die Zahl der Detektoren, die um die Küvette herum im Streulichtbereich räumlich angeordnet werden kann. Auch in dem Fall, daß polarisierte Laserstrahlung verwendet werden soll, die. wie dargestellt, zu einer winkelabhängigen Streuintensität führt, oder einer Streuanordnung, die nur in einem bestimmten Raumwinkel für die Erfassung von Streulicht zugänglich ist, bildet die dargestellte Anordnung mit parallelen, gasspezifischen Registrierkanälen, die allein mögliche Lösung.

Bei der in Fig.4 dargestellten Anordnung fällt das Streulicht durch eine Sammellinse 22 auf ein erstes Filter 23, das als Interferenzfilter ausgebildet ist. Die gasspezifische Raman-Strahlung (hier für O₂) wird ausgefiltert, während das Restlicht zurückgeworfen wird und auf einen Hohlspiegel 24 gelangt, von dem es zu einem entsprechenden Filter 25 gelangt, durch das der für CO₂ spezifische Lichtanteil ausgefilteri wird. Über einen weiteren Hohlspiegel 26 gelangt das Licht zu einem Filter 27, das auf den für N₂ charakteristischen Anteil ausgewählt ist. Die gasspezifischen Streulichtkomponenten gelangen zu getrennten Detektoren, wobei die Auswertung analog zu dem im Vorangehenden dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt. In F i g. 4 ist in der schematischen Darstellung lediglich "die Möglichkeit der Abtrennung dreier gasspezifischer

Komponenten dargestellt. Es ist ersichtlich, daß sich an das Filter 27 noch weitere Filter/Hohlspiegel-Paare anschließen können, so daß der Nachweis ei" y Viel/.o! ' von Anteilen der analysierenden Gasmischung möglich ist.

Im Gegensatz zur Möglichkeit der Durchstimmung des Transmissionsbereichs der Interferenzfilter durch eine Änderung des Einfallswinkels oder der Filtertemperatur führen die dargestellten Lösungen, die unter Verwendung von Filtern für einen festfrequenten Transmissionsbereich funktionieren, zu einer technisch einfachen und betriebssicheren Ausführung.

Bei der dargestellten Anordnung für die parallele spektrale Trennung verschiedener Streulichtanteile mittels aufeinander folgender Analyse des vom vorangehenden Filter reflektierten Restlichts ist für die Trennung von einfallendem und austretendem Licht eine schiefe Inzidenz erforderlich. Bei den Interferenzfiltern weicht die spektrale Lage der Durchlaßbereiche gegenüber denjenigen für senkrechte Inziden (θ = 0°) ab. Die Weiieniänge des Durchiaßbereicns für abweichende Winkel läßt sich nach der Formel

~^sin* ^Θ

berechnen.

Die durch die räumliche Trennung des eingestrahlten vom reflektierten Licht erforderliche Abweichung vom Inzidenzwinkel 0 = 0° bedingt eine Verringerung der durchgelassenen Intensität. Durch einen bei ca. 40% liegenden Transmissionsgrad enthält das reflektierte Licht noch Frequenzanteile des Durchlaßbereichs, so daß eine nochmalige Auswertung des Restlichts zu einer Erhöhung der zur Auswertung zur Verfugung stehenden Intensität führt. Ein in Fig.4 dargestellter Hohlspiegel 28 reflektiert das vom letzteren Filter 27 zurückfallende Restlicht, das senkrecht einfällt, in der Weise, daß Einfalls- und Ausfailsrichtung zusammenfallen und das Licht alle Filter noch einmal — in umgekehrter Reihenfolge - pa.iiert. Die durch die zweimalige Analyse des reflektierten Lichts bewirkte Steigerung der durchgelassenen Intensität ist so groß, daß der jeweilige effektive Transmissionsgrad für alle Filter etwa demjenigen eines einzelnen Filters mit senkrechter Inzidenz entspricht.

Durch die Verwendung von Hohlspiegel 24 u id 26 wird jeweils das Streuzentrum auf die einzelnen Filter abgebildet. Durch diese Anordnung wird ebenfalls e.„e Steigerung der Effektivität, beispielsweise im Vergleich zu der Benutzung von Planspiegeln erreicht.

Die im Vuiuiigcnciiucii beschriebenen. cTiinuüngSge-

mäßen Atemgasanalysevorrichtungen weisen durch ihre besondere geometrische Anordnung eine gesteigerte Nachweisempfindlichkeit in Verbindung mit einer technisch optimierten Bauform auf. die es ermöglichen, ein derartiges Gerät im klinischen Bereich zur Atemgasanalyse einzusetzen, um dort im Zusammenwirken mit einer automatischen Auswertungseinrichtung, die gewünschten Nachweise mit der erforderlichen Zuverlässigkeit und Genauigkeit zu erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Atemgasanalyse nach dem Prinzip der Laser-Raman-Spektroskopie mit einer Multipaß-Anordnting bei der ein Laserstrahl derart in eine Anordnung von einander zugewandten Hohlspiegeln einfällt, daß er zwischen den Hohlspiegeln mehrfach reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zur gleichzeitigen Feststellung mehrerer Gasanteile bei der Atemgasanalyse für jeden Gasanteil ein getrennter, gasspezifischer Detektor (Di bis /^vorgesehen ist,

b) für den Einfall des Laserlichts durch den is Hohlspiegel (4, 5) hindurch dieser in dem betreffenden Bereich (15) durchbohrt bzw. unverspiegelt gelassen ist, wobei der Laserstrahl derart ausgerichtet ist, daß die Reflexionspunkte äquidistant auf der vor der Eintri isöffnung aus verfügbaren restlichen .Spiegdoberfläche angeordnet sind.

c) die Detektoren in einer senkrecht zur optischen Achse der Hohlspiegel (4,5) gerichteten Ebene angeordnet sind und die Ramanstrahlung in einem Bereich zwischen den Hohlspiegeln erfassen, in dem der Querschnitt des entstehenden Laserstrahlenbündels ein Minimum ist, sowie

d) die Detektoren jeweils ein Interferenzfilter (7) enthalten, welches aus einem breitbandigen und einem ?asspezifischen Filter zusammengesetzt ist.

2. Vorrichtung nad. Anspt uch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Küwtre (3) ohne Brewster-Fen· tier vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Depolarisation des Laserlichts die Hohlspiegel (4,5) mit einer optisch aktiven Substanz beschichtet sind. *o

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (D\ bis Dt,} mit einer Sammeloptik (12) versehen ist. deren Lichtstärke jeweils gleich der brennweite (f) : 1 ist.

5. Vorrichtung zur Atemgasanalyse nach dem Prinzip der Laser-Raman-Spektroskopie mit einer Multipaß-Anordnung. bei der ein Laserstrahl derart in eine Anordnung von einander zugewandten Hohlspiegeln einfällt, daß er zwischen den Hohlspie· geln mehrfach reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

t) zur gleichzeitigen Feststellung mehrerer Gasanieile bei der Atemgasanalyse für jeden Gasanteil ein getrennter Detektor (D\ bis D*) vorgesehen ist.

b) die Raman Strahlung von einer Sammeloptik (22) nacheinander zu verschiedenen Filtern (23, 25, 27) gelangt, die jeweils einem Detektor zugeordnet sind, wobei die Strahlung jeweils in μ schiefer In/iden/ auf ein Filter auftrifft und die gasspezifische Komponente zu dem jenseits des Filters angeordneten Detektor und die Reststrahlung zum nachfolgenden Filter gelangt, das im Bereich des austretenden Lichts angeordnet ist und

c) die aus dem letzten Filter (27) austretend? Reststrahlung durch einen Hohlspiegel (28) in sich selbst so zurückgeworfen wird, daß sie nacheinander auf die Filter (23, 25, 27) in umgekehrter Reihenfolge erneut auftrifft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aufeinander folgenden Filtern jeweils ein zusätzlicher Hohlspiegel (24, 26) zur Bündelung des auf das nachfolgende Filter (25, 27) auftreffenden Lichts angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren mit gasspezifischen Filtern (7; 23, 25, 27) zum Nachweis jeweils eines Raman-Strahlungsanteils für die Gase O₂, N₂, CO₂, N₂O, CO und/oder eines Narkosegases versehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Störstrahlung zwischen den Hohlspiegeln (4, 5) der Multipaß-Anordnung Blenden (16) vorgesehen sind, deren Durchlaßöffnungen dem Verlauf der Nutzstrahlung angepaßt sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel mit dielektrischen Vielfachschichten beschichtet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (3) und/oder deren Gaszuleitunj?en mit Heizmitteln versehen shxi.

11. Vorrichtung nach Anspruch 12. dadurch gekennzeichnet, daß die Heizmittel aus Folienheizelementen. Heizpatronen und/oder Heizwicklungen bestehen.