DE3533557C2

DE3533557C2 - Meßvorrichtung zur Überwachung des CO¶2¶-Gehalts, des Sauerstoffverbrauchs und des Respirationsquotienten eines Patienten

Info

Publication number: DE3533557C2
Application number: DE3533557A
Authority: DE
Inventors: Pekka Merilaeinen
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 1984-11-21
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2005-09-21
Also published as: FI844562A0; DE3533557A1; SE8505495L; NL8503202A; CA1242529A; SE8505495D0; JPS61128981A; FI78231B; FI78231C; SE463343B; JPH0628652B2; NL193015B; NL193015C; FI844562L; US4856531A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Überwachung des CO₂-Gehalts, des Sauerstoffverbrauchs und des Respira tionsquotienten eines Patienten und wird insbesondere in der klinischen Behandlung angewendet.

Respiratoren dienen der Beatmung von Patienten sowie der Überwachung deren Atmung durch Messung der für den Gasaustausch wesentlichen Werte, wie des CO₂-Gehalts und des Sauerstoffverbrauchs.

Aus der US 42 11 239 ist eine Vorrichtung zur Überwachung und Regelung des Sauerstoffverbrauchs angeschlossener Patienten bekannt, bestehend aus einem Sauerstoffanalysator und einer Mischkammer, in welche das Ausatmungsgas des Patienten über einen Gassammelschlauch eingeleitet wird. In der Mischkammer wird eine Misch gasströmung gebildet, die aus einer konstanten Gas-Luft- Mischung besteht, wobei das beigemischte Gas aus Sauer stoff und dem Ausatmungsgas des Patienten besteht. Aus dem Sauerstoffgehalt wird der Sauerstoffverbrauch des Patienten ermittelt und im Respirationskreislauf entspre chend ersetzt, während das Kohlendioxid entfernt wird.

Aus der US 42 33 842 ist desweiteren eine Meß vorrichtung bekannt, die mit zwei Mischkammern ausgerüstet ist und die keine konstanten Volumenströme aufweist. Die Gasströme werden über zwei Regler geregelt und ihrerseits gemessen.

Strömungsmessungen geben Aufschluß über die Feuchtigkeit und den Verschmutzungsgrad des Ausatmungsgases des Patien ten. Meßtechnisch stellen diese Strömungsmessungen deshalb ein Problem dar, da diese Meßergebnisse zusätzlich zu den Gasgehaltsmessungen bei der Ermittlung des Sauerstoff verbrauchs und des Kohlendioxidgehalts gewonnen werden müssen. An die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Strömungssensoren werden daher bei Untersuchungen unter klinischen Bedingungen hohe Anforderungen gestellt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zur Überwachung des CO₂-Gehalts, des Sauer stoffverbrauchs und des Respirationsquotienten eines Patienten anzugeben, die mit einem Respirator verbunden werden kann und die unabhängig von der Bauart und Funk tionsweise des Respirators eingesetzt werden kann. Die Messungen sollen ferner unabhängig von Strömungsmessungen der Respirationsgase erfolgen.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Danach wird das Ausatmungsgas des Patienten vom Respirator in eine Mischkammer geleitet, die über einen boden seitigen Ausgang verfügt, verbunden mit einem T-förmigen Element. Das aus der Mischkammer ausströmende Gas wird über das T-förmige Auslaßmittel mit einem konstanten Luftstrom vermischt und einem Auslaßrohr zugeleitet. An vier Meßpunkten wird der Gasgehalt gemessen:
der CO₂-Gehalt im Auslaßrohr sowie in der Mischkammer und der Sauerstoffgehalt im Inhalationsrohr sowie ebenfalls in der Mischkammer. Aus den gewonnenen Meßergebnissen wird der CO₂-Gehalt sowie der Sauerstoffverbrauch unmittelbar ermittelt. Dies gestattet die Überwachung und Messung des CO₂-Gehalts und des Sauerstoffverbrauchs in einer Weise, die keine direkten Messungen der Strömungen des Respirationsgases erfordert.

Die Unteransprüche haben Ausführungsarten der Erfindung zum Gegenstand.

Die Erfindung soll an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Abbildungen zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung des Überwachungsgerätes,

Fig. 2 schematische Darstellung einer modifizierten Form des Geräts.

Eine erste Ausführungsform des Gerätes ist in Fig. 1 dar gestellt. Das Gerät ist mit einem Respirator 1 durch Kopp lung mittels eines Gasschlauches 2 an das Ausatmungsrohr (3) eines Respirators verbunden und die Probeleitung 4 ei nes Gassensors mit dem Inhalationsrohr 5. Das Ausatmungsgas, das in diese Vorrichtung eintritt, strömt zunächst in eine Mischkammer 6, die ein typisches Volumen von 5 l hat, und demgemäß korrespondiert ein ste tiger Kohlendioxid- und Sauerstoffgehalt im Durchschnitt mit ca. 10 Respirationszyklen.

Während jedes Ausatmungszyklusses strömt die Gasmenge, die gleich ist einem einzelnen Respirationsvolumen, aus der Mischkammer, wobei das Gas einen Kohlendioxidgehalt von und einen Sauerstoffgehalt von hat. Dieses Gas mischt sich in einem T-förmigen Element 7 mit einer kon stanten Strömung K, die durch ein Gebläse 8 erzeugt wird, das typisch 20 l pro Minute liefern kann. Demgemäß wird der augenblickliche Kohlendioxidgehalt F*_ECO2 (t), gemes sen in einem Kanal 9 als Ergebnis einer Verdün nung verursacht durch den Luftzug, wie folgt sein:

worin V_E (t) die Strömungsrate eines Gases ist, das zu einem Moment t aus der Mischkammer strömt. Demgemäß ist der Ausgang des Kohlendioxid _CO2 im Zeitintervall t_o → t_o + T wie folgt:

worin die Zeit T für so kurz angenommen wird, daß sich der durchschnittliche Kohlendioxidgehalt in der Misch kammer nicht bemerkenswert während dieser Zeit ändert.

Aus der Gleichung (1) folgt

Durch Aufnahme dieses Ausdruckes in Gleichung (2) wird der Kohlendioxidausgang im Zeitintervall t_o → t_o + T wie folgt erhalten:

Der Kohlendioxidausgang kann demgemäß ohne Strömungsmes sung berechnet werden und zwar durch Messung des Kohlen dioxidgehaltes in der Mischkammer 6 und im Kanal 9 durch Umschalten mit einer geeigneten Frequenz oder durch gleich zeitige Benutzung von zwei Kohlendioxidsensoren, was je doch keine praktikable Lösung darstellt.

Andererseits kann der Sauerstoffverbrauch _O2 bestimmt werden durch Messung sowohl des Sauerstoffgehaltes F_IO2 des Inhalationsgases und des Sauerstoffgehaltes des gemischten Ausatmungsgases. Da der Stickstoffverbrauch O ist, ist der Respirationsquotient Q ein bekanntes Resul tat.

Gemäß dem ergibt sich der Sauerstoffverbrauch V_O2 einfach wie folgt:

Die Messung der Gasgehalte an verschiedenen Meßpunkten wird abwechselnd durch Magnetventile 10 bis 13 bewirkt, die von einem Mikroprozessor 16 gesteuert werden. Eine typische Meßfolge ist in der Tabelle 1 verdeutlicht.

Ein Kohlendioxidsensor 14 umfaßt einen Analysator, basie rend auf der Infrarotabsorption von CO₂ und ein Sauerstoff sensor enthält einen hochgeschwindigkeitsdiffentialpara magnetischen Sauerstoffsensor, der, falls notwendig, die Benutzung einer Meßsequenz erlaubt, die schneller ist als dargestellt. Der konstante Strömungsgenerator besteht aus einem Zentrifugalgebläse und aus einem integrierten Strö mungswiderstand, wobei der Widerstand beträchtlich höher ist als der Strömungswiderstand, der sich durch das T- Element 7 zum Auslaß ergibt, wobei die Strömungsrate, die aus der Mischkammer austritt, keine wesentliche Auswir kung bzw. keinen wesentlichen Einfluß auf die Strömung K hat.

Die Mischkammer 6 und das Gebläse 8 sind derart ausgebil det, daß das Kondenswasser des feuchten Ausatmungsgases aus der Mischkammer austreten kann und das Gerät durch den Kanal 9 des Gerätes verläßt.

Fig. 2 zeigt eine andere Meßanordnung. Bei dieser Ausfüh rungsform hält ein Gebläse 8 die gemischte Strömung K kon stant, in diesem Falle muß aber die Strömung K höher sein als die größte Ausatmungsströmung, die bis zu 100 l pro Minute betragen kann weil sich andererseits die Strö mungsrichtung im Kanal 9 umkehren und etwas Ausatmungsgas hinter den Meßpunkt fließen kann. Ein anderer Nachteil ist die Tatsache, daß die kondensierte Flüssigkeit durch das Gebläse austreten muß. Es würde jedoch ein Vorteil sein, daß der Kohlendioxidausgang durch eine einfachere Berech nung als die zuerst beschriebene Alternative erhalten wer den könnte. In diesem Falle wird der Kohlendioxidausgang im Zeitintervall t_o → t_o + T wie folgt sein:

RQ und _O2 werden in der gleichen Weise, wie oben be schrieben, erhalten. Das Gerät ist auch in der Lage, den Sauerstoffverbrauch und den Kohlendioxidausgang zu mes sen bei einem spontan atmenden Patienten oder einer un ter Streß untersuchten Person, vorausgesetzt, daß ein Pa tient mit einer luftdichten Maske mit einem Einwegventil ausgerüstet ist.

Das "Verdünnungsprinzip" kann auch durch Messung der Ver dünnung des Sauerstoffes bewirkt werden, der aus der Misch kammer kommt, wenn er sich mit einer konstanten Luftströ mung mischt. Demgemäß wird der augenblickliche Sauerstoff gehalt im Kanal 9 wie folgt sein:

Die Auflösung einer augenblicklichen Strömung V_E(t) aus der obigen Gleichung führt zu:

Das minütliche Volumen der Respiration wird aus obiger Gleichung durch Integration erhalten, und in vorbekannter Weise ist es demgemäß möglich, weiter den Sauerstoffver brauch und den Kohlendioxidausgang zu berechnen, falls man, in Ergänzung zu obigem, den Kohlendioxidgehalt des Gases in der Mischkammer 6 und die Differenz zwischen sei nem Sauerstoffgehalt und der des Inhalationsgases kennt. Eine Meßfolge, basierend auf der Verdünnung von Sauer stoff ist jedoch in der Praxis schwieriger zu verwirkli chen, weil Sauerstoff an drei Punkten gemessen werden muß. Zusätzlich ist es im Falle eines Inhalationsgases mit nur schwach angehobener Sauerstoffkonzentration möglich, daß der Sauerstoffgehalt des Mischkammerexhalationsgases so dicht zu dem der Raumluft liegt, daß das sich aus der Gleichung (9) ergebende Resultat höchst ungenau wird.

Das Meßsystem kann geeicht werden, bspw. durch Verwendung einer Eichspritze mit einer Kapazität von einem Liter, die in die Mischkammer 6 ein Gas pumpt, dessen Sauerstoff- oder Kohlendioxidgehalt sich klar zur Raumluft unterscheidet. Ein Gas, das leicht in Krankenhäusern verfügbar ist, ist reiner Sauerstoff, kann abgezogen werden mit Elementen ei nes Systems, das das besagte T-Element und ein Einwegven til in der Spritze enthält und in die Mischkammer gepumpt wird mit einer typischen Frequenz von 10 × in einer Minu te. Demgemäß kann das Programm des Gerätes einen konstan ten Strömungsfaktor K auf Basis der Gleichung (9) kalibrie ren, vorausgesetzt, daß die Gassensoren separat mit einem Präzisionsgas kalibriert worden sind.

Tabelle I

Die Messung wird bewirkt mit kontinuierlicher Veränderung der Zyklen I und II. Der Zyklus III in 30 min-Intervallen durchgeführt.

Claims

1. Meßvorrichtung zur Überwachung des CO₂-Gehalts, des Sauerstoffverbrauchs und des Respirationsquotienten eines Patienten, bestehend aus einem Respirator (1), dem ein Inhalationsrohr (5) zur Beatmung des Patienten und ein Ausatmungsrohr (3) für das Ausatmungsgas zugeordnet sind, bestehend ferner aus einer Mischkammer (6), die mit dem Ausatmungsrohr (3) verbunden ist sowie CO₂- und O₂- Analysatoren (14, 15), dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (6) über ein T-förmiges Element oder ein entsprechendes dreischenkliges Abzweigrohr (7) als Auslaß für das Gas aus der Mischkammer (6) verfügt, an dem einerseits ein Kanal (9) und andererseits ein Gebläse (8) zur Erzeugung einer bekannten, konstanten Strömung angeordnet sind, wobei sich im T-förmigen Element (7) Gas aus der Mischkammer (6) und Luft miteinander vermischen, und daß die Meßvorrichtung einen ersten Sensor zum Messen des CO₂-Gehalts des Gases im Kanal (9) aufweist, einen zweiten Sensor zum Messen des CO₂-Gehalts des Ausatmungsgases in der Mischkammer (6), einen dritten Sensor zum Messen des Sauerstoffgehalts des Ausatmungsgases in der Mischkammer (6), einen vierten Sensor zum Messen des Sauerstoffgehalts des Gases im Inhalationsrohr (5) und einen Mikroprozessor (16), der den CO₂-Gehalt und den Sauerstoffverbrauch und den Respirationsquotienten des Patienten aus diesen Meßdaten errechnet.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Mischkammer (6) im Bodenbereich angeordnet ist und daß das T-förmige Element (7) unterhalb des Auslasses angeordnet ist, dessen zwei weitere Öffnungen einerseits dem Kanal (9) und andererseits dem Gebläse (8) zugeordnet sind, derart, daß das Kondenswasser in der Mischkammer (6) automatisch unter Schwerkraftwirkung und unter dem Einfluß der Strömung, welche vom Gebläse (8) erzeugt wird, abfließt.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Mischkammer (6) zum Kanal (9) stromabwärts zum Strömungsgebläse (8) angeordnet ist, welches die konstante Strömungsluft in den Gasstrom fließen läßt, der aus der Mischkammer (6) kommt.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Mischkammer (6) zum Kanal (9) stromaufwärts zum Strömungsgebläse (8) angeordnet ist, wobei das Gebläse (8) in Bezug auf die Mischkammer (6) das Gas ansaugt, sowie auch die Luftströmung im Kanal (9), derart, daß die Gesamtsumme dieser Strömungen konstant ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem CO₂-Analysator (14) abwechselnd schaltbare Magnet ventile (12, 13) und dem O₂-Analysator (15) abwechselnd schaltbare Magnetventile (10, 11) vorgeschaltet sind, wobei alle Magnetventile (10 bis 13) eingangsseitig mit der Mischkammer (6) verbunden sind, während der O₂-Analysator (15) ferner über das Magnetventil (10) mit dem Inhalationsrohr (5) und der CO₂-Analysator (14) über das Magnetventil (13) mit dem Kanal (9) verbindbar ist.