DE2913208A1 - Vorrichtung zum messen der sauerstoffaufnahme u.dgl. - Google Patents

Vorrichtung zum messen der sauerstoffaufnahme u.dgl.

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    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath

Description

PATENTANMELDUNG
PRIORITÄTs 6. April 1978
¥. St. Ä.
Serial No. 894 189
BEZEICHNUNG; Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffaufnähme
und dgl.
ANMELDERS Research Development Corporation 2225 Palou
San Francisco, Kalif. 94224 V. St. A.
ERFINDERS John J. Osfaorn
2960 Paradise Drive Tiburon Drive
Kalif. 94920
V. St. A.
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Konten: Deutsdia Bank AG Hamburg (BLZ 20070000) Konto-Nr. 6/10055 · Postscheckamt Hamburg (BLZ 20010020) Konto-Nr. 262080-201
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffaufnahme und dgl. wie z.B. des Atmungsquotienten.
Die Direktmessung der Sauerstoffaufnahme und des Atmungsquotienten sind für die medizinische Forschung oder die Heilbehandlung oft von großer Bedeutung. Zur Ausführung derartiger Messungen stehen viele Verfahren zur Verfügung, von denen die meisten jedoch schwerwiegende Nachteile aufweisen. Um die Messungen direkt von den Luftwegen vornehmen zu können, müssen das Atmungsminutenvolumen (respiratory minute volume) und außerdem die genaue Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentration des im Mittel eingeatmeten und des im Mittel ausgeatmeteten Gases bekannt sein. Die Messung dieser mittleren Volumenwerte und der beiden Gaskonzentrationen machen im allgemeinen sehr platzaufwendige Atmungsmesser (Pneumonometer) und anderer sperriger Vorrichtungen erforderlich oder sind von einem hohen Durchsatz durch Nase und Mund mit abstromseitiger Probenahme abhängig. Stattdessen können die Gaskonzentrationen auch während des Einaus Ausatmens kontinuierlich gemessen und die Konzentrationsmeßwerte mit der Durchsatzmenge multipliziert und dann zur Erzielung der erforderlichen Meßdaten integriert werden. Dazu ist jedoch ein Gasanalysator mit außerordentlich schnellem Ansprechverhalten und sehr sorgfältiger Kontrolle sämtlicher Strömungen innerhalb des Systems erforderlich. Da für derartige Systeme sehr genaue Steuerungen erforderlich sind, haben sich diese nicht als sehr genau erwiesen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffaufnähme und dgl. wie z.B. des Atmungsquotienten zu schaffen, die eine sehr hohe Meßgenauigkeit auch in Verbindung mit einfachen, preiswerten Gasanalysatoren erbringt, gleichzeitig jedoch nicht platzaufwendig oder beschwerlich für den Patienten ist.
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Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Vorrichtung vom eingangs genannten Typ ist gekennzeichnet durch einen zum Zu- und Abführen von Atmungsgas zu bzw. von einem Patienten dienenden ersten Strömungsweg mit einem ersten Strömungswiderstand, einen zweiten Strömungsweg, dessen eines Ende mit dem ersten Strömungsweg auf einer Seite des ersten Strömungswiderstands, und dessen anderes Ende mit dem ersten Strömungsweg auf der anderen Seite des ersten Strömungswiderstands verbunden ist, und der einen zweiten Strömungswiderstand aufweist, wobei das Fassungsvermögen des zweiten Strömungsweges in Ausschaltung eines Durchspülungseffekts wesentlich größer bemessen ist als das durch einen einzigen Atemzug des Patienten in diesem Strömungsweg bewegte Gasvolumen, und durch mit Endbereichen des zweiten Strömungsweges verbundene Probenahme- und Gasanalysatorvorrxchtungen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung wird in einen Pneumotachographen eingebaut, zu dem auf jeder Seite seines Widerstands eine Probenahmeleitung geführt wird. Jede Leitung ist mit einer kleinen Kammer verbunden, und die Kammern sind untereinander über einen Weg von verhältnismäßig hohem, konstantem Widerstand ausreichenden Fassungsvermögens verbunden, so daß eine völlige Durchspülung desselben in einer Richtung vor Strömungsbeginn in einer anderen Richtung aufgrund des Atmungsvorgangs des Patienten vermieden ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen ist
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffaufnähme und des Atmungsquotienten, wobei der Weg hohen Widerstands aus einer Reihe parallelgeschalteter Rohre kleinen Durchmessers gebildet ist, und
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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung, in welcher der Weg hohen Widerstands aus einem zusätzlichen Pneumotachographen gebildet ist.
In Fig. 1 ein Pneumotachograph 11 dargestellt, der auch als Meßkopf bezeichnet werden kann. Ein Pneumotachograph ist ein zur Durchsatzmessung dienendes Instrument, bei dem der Differentialdruck an einem im Strömungsweg liegenden Widerstand gemessen wird. Der Widerstand ist über einen breiten Durchsatzbereich konstant, so daß der Druck unmittelbar als einfache Funktion des Dxfferentialdrucks bestimmbar ist. Der konstante Widerstand kann durch eine Vielzahl parallelgeschalteter Rohre jeweils geringen Querschnitts gebildet werden, um laminare Strömungsverhältnxsse aufrecht zu erhalten. Andererseits kann der Widerstand auch durch ein sich öffnendes und schließendes Mundstück oder dgl. vorgegeben sein, wobei der Widerstand in jedem Falle über den ganzen Durchsatzbereich konstant sein muß.
Der in Fig. 1 dargestellte Pneumotachograph 11 entspricht im wesentlichen dem von US Patent (U.S. Patentanmeldung Ser. No. 779 557, AT 21. 3. 1977, Titel "Variable Orifice Gas Flow Sensing Head" ("Gasdurchsatz-Meßkopf veränderlicher öffnung") der Anmelderin) beschriebenen. Der Meßkopf 11 ist in eine Gasleitung 13 eingesetzt, durch welche Gas in waagerechter Richtung entsprechend den Pfeilen 15 hindurchströmen kann. Der Meßkopf weist Einlaß- und Aus™ laßabschnitte 17 und 18 mit den öffnungen 19 und 20 auf, die zur gegenseitigen Verbindung jeweils einen Flansch 21 , 23 tragen. Zwischen den Flanschen 21, 23 ist vermittels Schrauben 27 oder dgl. eine Öffnungsmembran 25 gehalten. Eine Klappe 31 ist in einem Stück mit der Membran 25 ausgebildet und bei 33 angelenkt.
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Der Meßkopf 11 ist über Drucköffnungen 35 und 37 und Leitungen 41 und 43 mit einem Differentialdruckmesser 39 verbunden, welcher zur Anzeige des Gasdurchsatzes dient. Der Scheitel 45 der öffnung in der Öffnungsmembran 25 befindet sich an deren Boden, damit auch von der Gasströmung mitgeführte Flüssigkeit hindurchgelangen kann.
Der vorstehend beschriebene und aus dem genannten US Patent bekannte Pneumotachograph 11 wird zwar bevorzugt zur Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet, ist jedoch in dieser Ausführung nicht unbedingt erforderlich. Stattdessen lassen sich auch andere konstante Strömungswxderstände benutzen.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Elementen sind zwei Leitungen 47 und 49 an öffnungen 51 und 53 auf gegenüberliegenden Seiten der Membran 25 mit dem Pneumotachographen 11 verbunden. Die öffnungen 51 und 53 befinden sich dabei an der Oberseite des Pneumotachographen, um Beeinträchtigungen durch von der Gasströmung mitgeführte Flüssigkeiten zu vermeiden.
Die beiden Leitungen 47 und 49 sind jeweils mit einer kleinen Kammer 55 bzw. 57 verbunden, in der jeweils mehrere Widerstandskörper 59 angeordnet sind. Die Kammer 57 dient zur Probenahme in Einatmungsgasen, und die Kammer 55 zur Probenahme in Ausatmungsgasen.
Die anderen Enden der Kammern 55 und 57 sind mit den entgegengesetzten Enden einer Reihe kleiner, parallelgeschalteter Rohre 61 verbunden. Die Rohre 61 sind in ihrer Größe so bemessen, daß sie zusammengenommen im Vergleich zu dem Pneumotachographen 11 einen sehr hohen Widerstand aufweisen, wobei sie einzeln jeweils einen ausreichend kleinen Innendurchmesser (von z.B. 3 mm) aufweisen, um laminare Durch-
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strömung zu erzielen. In einigen Fällen genügt es auch, anstelle mehrerer Rohre eine einzige, lange Rohrschleife 2u verwenden.
Wenn der Atmungsdurchsatz den Pneumotachographen 11 abwechselnd in beiden Richtungen durchsetzt, kommt es zu dem gleichen Durchsatz, jedoch nur in Höhe eines Bruchteils des Durchsatzes durch den Pneumotachographen 11 durch die Kammern 55, 57 und die Rohre 61. Durch passende Bemessung der Größe der Rohre 61 und der Kammern 55, 57 in Verbindung mit der eine Vermischung in den Kammern verzögernden Unterstützung durch die Widerstandskörper 59 enthält die Kammer 55 stets eine Probe, die einen Mittelwert des von links nach rechts durch den Pneumotachographen 11 strömenden Gases darstellt. Die Kammer 57 enthält stets eine Probe, die einen Mittelwert des von rechts nach links durch den Pneumotachographen 11 strömenden Gases darstellt.
•Vermittels der Abgriffe 63 und 65 lassen sich aus den Kammern 55 und 57 Proben entnehmen und auf ihre Zusammensetzung bestimmen. Die Zusammensetzung des Gases in den Kammern 55 und 57 stellt einen Mittelwert der Ausatmungsund Einatmungsgase dar, weswegen die Probenahme mit verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit erfolgen kann, da sich die Gaszusammensetzung über mehrere Atemzüge nicht schnell verändert .
Es ist besonders zu beachten, daß der Widerstand des Pneumotachographen 11 über einen großen Durchsatzbereich konstant ist und als R1 bezeichnet werden kann. Der Widerstand der Rohre 61 ist ebenfalls über einen weiten Bereich konstant, da der kleine Innendurchmesser der Rohre eine laminare Strömung zur Folge hat. Dieser Widerstand kann mit R2 bezeichnet werden. Die Anzahl, die Größe und die Länge der Rohre 61 sind so bemessen, daß R2 wesentlich größer ist als
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R^, und es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, R2 50 bis 100 mal größer zu machen als R... Der Durchsatz durch den Pneumotachographen 11 und die Rohre 61 ist jeweils umgekehrt proportional den entsprechenden Widerständen. Wenn daher R2 100 mal größer ist als R1, beträgt der Durchsatz durch den Pneumotachographen 11 genau das 100-fache des Durchsatzes durch die Schleife der Rohre 61, und der Gesamtdurchsatz beträgt das 1,01-fache des Durchsatzes durch den Pneumotachographen oder das 101-fache des Durchsatzes durch die Rohre 61.
Sobald die vorgenannten Faktoren für eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bekannt sind, läßt sich die Sauerstoffaufnähme leicht berechnen. Die Berechnung des Gesamtgasdurchsatzes erfolgt in bekannter Weise aus den Meßwerten des Differentialdruckmessers 39. Die quantitative Zusammensetzung sowohl der ausgeatmeten als auch der eingeatmeten Gase läßt sich bestimmen, indem die Abgriffe 63 und 65 mit einem Gasanalysator (entsprechend der Darstellung bei der Ausführungsform nach Fig. 2) verbunden werden und dessen Meßwerte mit einem Multiplikator multipliziert werden, der auf den Relativwiderständen von Pneumotachograph 11 und Rohren 61 beruht.
Die tatsächliche Größe, das Fassungsvermögen usw. der Kammern 55 und 57 und der als Schleifen ausgeführten Rohre 61 können mit der erwarteten Atemrate und dem -volumen erheblich schwanken. So kann beispielsweise angenommen werden, daß ein bestimmter Patient pro Atemzug etwa einen Liter ausatmet. Wenn der Widerstand der Rohre 61 das 100-fache des Widerstands des Pneumotachographen 11 beträgt, strömen bei jedem Ausatmen etwa 10 ml durch die Rohre 61. Wenn das Gesamtfassungsvermögen der Rohre 61 etwa 50 ml beträgt, läßt sich ersehen, daß sich die Ausatmungsgase nur über etwa 1/5 der Länge der Rohre 61 verlagern, bevor der Ausatmungsvorgang
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abgeschlossen ist und sich die Strömungsrichtung aufgrund des anschließenden Einatmungsvorgangs umkehrt. Aus diesem Grunde vermischen sich die Gase in den Kammern 55 und 57 nie.
Die genaue Formgebung der Kammern oder die Formgebung der Rohre 61 oder sogar auch die des Pneumotachographen sind für die Erfindung nicht wichtig. In der Praxis läßt sich der Widerstand der Rohre 61 auch durch andere Mittel bewerkstelligen, so beispielsweise durch ein pneumotachographenähnliches Element hohen Widerstands wie z.B. in Fig. 2 dargestellt ist.
Bei der Ausführungsform von Fig. 2 sind Elemente, die denen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform identisch sind, mit jeweils den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht weiter beschrieben.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann der hohe Widerstand durch ein Element 67 vorgegeben werden, welches Ähnlichkeit aufweist mit einem Pneumotachographen, der jedoch nicht über Leitungen mit einem Druckmesser verbunden ist, da eine Durchsatzmessung nicht erforderlich ist. Das Widerstandselement 67 ist über verhältnismäßig langgestreckte Kammern 69 und 71 mit jeweils Widerstandskörpern 73 mit den Leitungen 47, 49 verbunden. Die Widerstandskörper 73 haben den gleichen Zweck wie die Widerstandskörper 59 bei der Ausführungsform nach Fig. 1, während das Widerstandselement 67 dem gleichen Zweck dient wie die Rohre 61. Das Widerstandselement 67 ist wesentlich kleiner als der Pneumotachograph 11, wobei sein Widerstand wesentlich höher ist als der der größeren Einheit. Auch hier wiederum weist der Weg von der öffnung 61 durch die Kammer 69, das Widerstandselement 67 und die Kammer 71 zur öffnung 53 ein ausreichend hohes Fassungsvermögen auf und ist ausreichend mit Widerstandskörpern 73 versehen, damit keine völlige Durchspülung während eines einzigen Ai3aungs-
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Vorgangs erfolgen kann. Durch den Pneumotachographen 67 bewegt sich eine Gasmenge hin und her, deren Grenzflächen irgendwo innerhalb der Kammern 69 und 71 verlaufen, wobei es jedoch nie in einem größeren Maße zu einer Vermischung der in diesen Kammern befindlichen Gase kommen kann.
Zur Berechnung der Sauerstoffaufnähme werden über die Abgriffe 75, 77 Proben aus den Kammern 69 und 71 entnommen und über ein Ventil 81 einem Gasanalysator 79 zugeführt. Es muß nur gewährleistet sein, daß die zur Probenahme entnommenen Volumina ausreichend klein sind, um keinen nennenswerten Effekt auf die Gaskonzentration in den Kammern 69 und 71 zu haben.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden die sogenannten Douglas-Beutel (Douglas Bags) und Atmungsmesser bekannter Verfahren ersetzt. Die Vorrichtung läßt sich klein und in tragbarer Form ausbilden. Trotzdem liefert die Vorrichtung für die Messung brauchbare Proben von hoher Zuverlässigkeit. Außerdem ist der Einsatz eines schnell arbeitenden Gasanalysators nicht erforderlich. Die Erfindung schafft zugleich ein neuartiges Meßverfahren, durch welches der Platzbedarf der benötigten Beutel oder Rohrleitungen stark herabgesetzt wird. Außerdem braucht die Ansprechzeit der Gasanalysatoren nur etwa 15 oder 20 Sekunden zu betragen. Gegenüber bekannten Vorrichtungen dieser Art ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung einfacher, weist geringeres Gewicht auf und ist weniger anfällig gegenüber Störungen aufgrund Speicheleinflüssen oder Lecks.
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Claims (11)

DIPL.-ING. J. RICHTER PATENTANWÄLTE DIPU-INCF-WERDERMANN ZUSEL. VERTRETER BEIM EPA ■ PROFESSIONAL· REPRESENTATIVES BEFORE EPO ■ MANDATAIRES AGREES PRES L1OEB ANM: Research Development 2000 Hamburg 3β , den 31. März 1979 Corporation neuer wall 10 Palou tel. (O4O) 340045 San Francisco, Kalif. 94124 TELEeRAM^°°5S V.St.A. INVENTlUSHAMBURe UNSERE AKTE: R. 79 140 Fl IHRZEICHEN: Pat en tansprüche
1.) Vorrichtung zum Messen der Sauerstoff auf nähme und dgl., gekennz eichnet durch einen zum Zu- und Abführen von Atmungsgas zu bzw. von einem Patienten dienenden ersten Strömungsweg (13) mit einem ersten Strömungswiderstand (25), einen zweiten Strömungsweg (47, 49; 69, 71), dessen eines Ende mit dem ersten Strömungsweg auf einer Seite des ersten Strömungswiderstands, und dessen anderes Ende mit dem ersten Strömungsweg auf der anderen Seite des ersten Strömungswiderstands verbunden ist, und der einen zweiten Strömungswiderstand (61, 67) aufweist, wobei das Fassungsvermögen des zweiten Strömungsweges in Ausschaltung eines Durchspülungseffekts wesentlich größer bemessen ist als das durch einen einzigen Atemzug des Patienten in diesem Strömungsweg bewegte Gasvolumen„ und durch mit Endbereichen des zweiten Strömungswegs verbundene Probenahme- und Gas» analysatorvorrichtungen (79, 81).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungswiderstand (61, 67) einen wesentlich höheren Widerstand (R2) für Gasdurchtritt als der erste Strömungswiderstand (25) vorgibt.
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C 3tG3£3) Koaio-K?. 22QC3-231
ORIGINAL INSPECTEQ
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strömungswiderstand (25) von einem Pneumotachographen (11) vorgegeben ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungswiderstand aus einem langen Rohr (69, 71) besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungswiderstand aus einer Reihe parallelgeschalteter, langgestreckter Rohre (61) besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungswiderstand vorgegeben ist durch ein Gehäuse (11) mit Einlaß- und Auslaßöffnung (17 bzw. 18), einer im Inneren des Gehäuses zwischen Einlaß- und Auslaßöffnung angeordneten, aus einem elastischen Material bestehenden Öffnungsmembran (25) mit einem teilweise ausgeschnittenen, eine Öffnung bildenden Abschnitt und einer in einem Stück mit der Membran ausgebildeten, verschwenkbar an dieser angelenkten Klappe (31) von im wesentlichen gleicher Ausdehnung wie die Öffnung und mit konvergierenden Seiten, wobei sich die schmälste Stelle der Klappe in der von der Anlenkung an die Membran am weitesten entfernten Stelle befindet und der Anlenkbereich schmaler ist als die breiteste Stelle der Klappe.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Strömungswiderstand jeweils einen konstanten Widerstand (R- bzw. R2) für Atmungsgasströmung über einen großen Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten vorgeben.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet,, daß der Widerstand (R„) für Gasströmung des
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zweiten Strömungswiderstands 50 mal höher ist als der (R1) des ersten Strömungswiderstands.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R2) für Gasströmung des zweiten Strömungswiderstands 100 mal höher ist als der (R1) des ersten Strömungswiderstands.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strömungsweg an einem Ende eine erste Kammer (55, 69), und an dem anderen Ende eine zweite Kammer (57, 71) aufweist, der zweite Strömungswiderstand (R„) im Strömungsweg zwischen den beiden Kammern angeordnet ist und die Probenahme- und Gasanalysatorvorrichtungen mit den beiden Kammern verbunden sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstandskörper (59, 73) in beiden Kammern £55, 57; 69, 71) angeordnet sind^
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DE19792913208 1978-04-06 1979-04-03 Vorrichtung zum messen der sauerstoffaufnahme u.dgl. Withdrawn DE2913208A1 (de)

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