DE4201285A1

DE4201285A1 - Atemueberwachungsgeraet

Info

Publication number: DE4201285A1
Application number: DE4201285A
Authority: DE
Inventors: Glenn H Fertig; William Nelko; Richard F Abt
Original assignee: Mine Safety Appliances Co
Current assignee: MSA Safety Inc
Priority date: 1991-01-22
Filing date: 1992-01-18
Publication date: 1992-07-23
Also published as: GB2252158B; GB9200620D0; US5095900A; GB2252158A

Description

Die Erfindung betrifft ein Atemüberwachungsgerät, welches auf CO₂ in der Atemluft in einer Endotracheal-Röhre an spricht.

In der Chirurgie und Notfallsituationen vor Ort ist es häufig notwendig, eine Endotracheal-Röhre bei einem Patienten einzuführen, um ihm bei der Atmung zu helfen oder diese überhaupt zu ermöglichen. Es ist notwendig, zu überprüfen, daß die Röhre in den Trachealraum richtig ein geführt wurde und nicht in den Ösophagus. In der Chirurgie wurden zur quantitaven Messung des Kohlendioxids durch Capnometer während des Atemzyklus verwendet, um die Über prüfung einer richtigen Anordnung der Röhre sicherzu stellen. P.K. Birmingham et al., "Esophageal Intubation", Anesth. Analy, 1986, 65, 865-91. Die sogenannten Capno meter gelten aber nicht als geeignet für Notfallsituatio nen draußen, da sie teuer sind und unter extremen Umge bungsbedingungen oder bei einer rauhen Handhabung nicht zuverlässig arbeiten.

Colorimetrische Indikatoren, die auf CO₂ ansprechen, wur den ebenfalls an Endotracheal-Röhren angeschlossen, um eine qualitative Anzeige des CO₂ in der Röhre zu schaffen und um so die richtige Anordnung der Röhre anzuzeigen (vgl. US Patente 46 91 701 und 47 28 499). Diese Geräte sind jedoch zur Verwendung auf einen einzelnen Patienten beschränkt. Ferner spielt die Farbwahrnehmung des Benut zers eine Rolle und sie mußten außerdem direkt jederzeit beobachtet werden, um die Atmung zu überprüfen.

Fertig et al., U.S. Patent 45 95 016 offenbart ein soge nanntes Apnoe-Überwachungsgerät, bei welchem eine kontinu ierliche Atemprobe durch eine Zelle eines Infrarotanaly sengerätes gezogen wird, welcher ein Kondensatormikrophon eines auf CO₂ ansprechenden Detektor in der ausgeatmeten Atemluft umfaßt. Das Kondensatormikriphon erzeugt ein Sig nal jedesmal, wenn es die ausgeatmete Atemluft wahrnimmt. Wenn ein Zeitgeber eine verlängerte Verzögerung zwischen zwei Signalen feststellt, wird ein Alarmton gegeben, der das Auftreten eines Apnoe-Zustandes anzeigt. Kondensator mikrophondetektoren sind jedoch vibrationsempfindlich und können deshalb bei der Verwendung vor Ort bei der Hand habung beschädigt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Atem überwachungsgerät vorzuschlagen, das vorstehend genannte Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Atemüber wachungsgerät gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ziel der Erfindung ist es insbesondere, ein einfaches, un empfindliches Atemüberwachungsgerät zu schaffen, das die Atmung oder den Verlust der Atmung anzeigt über eine Messung des Kohlendioxyds in der ausgeatmeten Luft in einer Endotracheal-Röhre. Ein erfindungsgemäßes Atem überwachungsgerät,das zur Befestigung an einer Endo tracheal-Röhre geeignet ist, weist folgende Merkmale auf:

- einen rohrförmigen Teil, welcher Atemluft aus einer Endotracheal-Röhre aufnehmen kann und welcher sich gegenüberliegend angeordnete, planare und im wesentlichen infrarotdurchlässige Fenster aufweist;
- ein Infrarot-Analysengerät mit einer Quelle für einen unmodulierten infraroten Lichtstrahl, welcher durch die planaren Fenster und die Atemluft hindurchtritt, und mit einem Infrarot-Detektor, der die Infrarotstrahlung nach dem Durchgang durch die Fenster und die Atemluft empfängt und der ein Ausgangssignal in Abhängigkeit der Anwesenheit von CO₂ bei jeder Ausatmung erzeugt;
- wobei der Detektor eine Kammer mit einem infrarotdurch lässigen Fenster, ein erstes und ein zweites Festkörper- Infrarot-Detektorelement innerhalb der Kammer und eine infrarotundurchlässige Abschirmung an der Außenseite des Fensters zwischen der Quelle und dem zweiten Festkörper element umfaßt, wobei das erste Element ein Meßelement und das zweite Element ein Vergleichselement darstellt;
- eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zeitspanne zwischen den vom Detektor erzeugten Signalen;
- und einen Alarmgeber, der bei einer vorgegebenen Ver zögerung zwischen den Signalen anspricht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird näher erläutert anhand der Zeichnung. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Schnittansicht durch eine Sensoranordnung sowie ein Anzeigegehäuse;

Fig. 2 Schnittansicht längs Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 Draufsicht auf einen Detektor der Detektoranordnung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 perspektivische Ansicht eines Adapters für den Luftweg der in die Sensoranordnung von Fig. 1 ein setzbar ist; und

Fig. 5 Blockschaltbild eines Meß- und Alarmschaltkreises der Anordnung von Fig. 1.

Ein in den Fig. 1 bis 4 dargestellter rohrförmiger Adapter 2 weist ein im wesentlichen rechteckiges Teil 4 mit sich gegenüberliegenden planaren Fenstern 6 und 8 auf. Ein Ende 9 des Adapters 2 ist so ausgebildet, daß es in eine standardmäßige Endotracheal-Röhre paßt. Das andere Ende 10 des Adapters 2 ist so bemessen, daß es in eine Luftsauer stoffversorgungsröhre paßt oder in Fällen, wo weder Luft noch Sauerstoff an den Patienten verabreicht werden, offen gegen die umgebende Atmosphäre ist. Die Atemluft oder ein anderes Atemgas fließt durch den Adapter in beiden Rich tungen. Der Teil des Adapters zwischen den Fenstern bildet eine Probenzelle für die Atemluft.

Eine Sensoranordnung 12 weist ein U-förmig ausgebildetes Gehäuse 14 auf, welches über die Fenster des Adapters 2 paßt. Ein Schenkel des Gehäuses 14 enthält eine Infrarot lichtquelle, die in einem Reflektor 16 untergebracht ist und ist mit einer Stromquelle über die Kabel 20 verbunden. Wenn sie in dem Adapter eingesetzt ist, passiert der In frarotlichtstrahl die Fenster 6 und 8 sowie die darin ent haltene Atemluft. Der gegenüberliegende Schenkel des Ge häuses 14 enthält eine Detektoranordnung 22, die die In frarotstrahlung, die durch die Fenster und die Atemluft hindurchtritt, empfängt. Die Anordnung 22 enthält einen dielektrischen Bandpaßinterferenzfilter 24 mit einer effektiven Bandbreite von 0,2 Micron und einer zentralen Wellenlänge von 4,27 Micron, die ausgewählt ist, um auf die Absorptionscharakteristik von Kohlendioxyd im infra roten Teil des Spektrums zu passen. Das Interferenzfilter ist in einer optischen Filterhaltung 27 befestigt und gegenüber der anschließenden Öffnung 26 in der Endwandung der Kupferhülle 28 gesichert, welche hieran anliegt und die Seitenwandungen des Infrarotdetektors 30 eng umfaßt.

Der Detektor 30 umfaßt ein Metallgehäuse 32 mit einer End wandung, die ein infrarot-durchlässiges Fenster 34 sowie ein Paar abgeglichener, infrarotempfindlicher Festkörper elemente 36 und 38, die auf einem gemeinsamen Substrat montiert sind. Der Detektor wird von einem gedruckten Schaltkreis 37 getragen. Die Festkörperelemente, die weder vibrations- noch schlagempfindlich sind, können z. B. pyro-elektrische, Bleiselenid- und Thermoelemente sein. Das bevorzugte Element ist ein Thermoelement. Der Detektor 30 wird als eine hermetisch abgeschlossene Einheit gebaut und mit Argongas gefüllt. Eine Füllung mit Argongas ist notwendig, obwohl er dadurch ein kleineres Signal liefert als ein konventioneller Stickstoff gefüllter Detektor, um eine ausreichend schnelle Antwortzeit für die Überwachung der Atmung zu erhalten. Ein bevorzugter Detektor ist unter der Bezeichnung Dexter Corporation Model DR46 mit Argongas gefüllt erhältlich und besitzt ein Saphirfenster.

Eine Metallfolienbandabschirmung 40 ist an der äußeren Oberfläche des Detektorfensters befestigt, und zwar direkt vor dem strahlungsempfindlichen Gerät 36, das als Refe renzelement festgelegt wurde. Das nicht abgeschirmte Ele ment 38 ist das Meßelement. Es ist notwendig, daß die Ab schirmung an der Außenseite, und nicht an der Innenseite des Fensters angebracht ist. Wenn die Abschirmung an der Innenseite angebracht ist, ergeben sich große thermische Unterschiede zwischen dem Referenz- und dem Meßelement, die die thermische Abgleichung der Elemente aufhebt und falsche Signale erzeugt.

Es war erwartet worden, daß abgeglichene Thermoelemente oder andere Festkörperelemente mit einem temperaturabhän gigen Ausgangssignal, die auf einem gemeinsamen Substrat montiert sind, die Probleme mit großen Wechseln in der Temperatur beseitigen sollten. Jedoch hat es sich bei einem Temperaturtest gezeigt, daß Elemente mit abgegliche nem Ausgangssignal unter gleichbleibenden Bedingungen bei veränderlichen thermischen Bedingungen nicht einander ge nau folgen. Unterschiede in den thermischen Gradienten zwischen den Elementen sind manchmal ausreichend, um ein falsches Signal zu erzeugen, welches auf dem Temperaturun terschied zwischen den beiden Elementen beruht und das dann die Gegenwart von CO₂ anzeigt. Merkliche Unterschiede in den thermischen Gradienten zwischen den Detektorelemen ten können dadurch verhindert werden, daß der Detektor 30 in dem Gehäuse 32 angeordnet wird, welches aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer hergestellt ist. Das Gehäuse dient als eine Wärmesenke, um Temperaturänderungen zu dämpfen und schafft eine gleich mäßige Temperatur rund um den Detektor herum. Immer noch auftretende Temperaturänderungen werden vorzugsweise weiter gedämpft durch eine thermische Isolierung, die durch ein Plastikgehäuse 14 geschaffen wird.

Ein Beschlagen der Fenster 6 und 8 aufgrund der in der Atemluft enthaltenen Feuchtigkeit kann ebenfalls eine falsche Anzeige von CO₂ ergeben, weshalb es wichtig ist, daß die Fenster 6 und 8 beschlagfest ausgerüstet sind. Quarz- und Glimmer-Fenster, mit oder ohne einer kommer ziellen Antibeschlagsbeschichtung können verwendet werden, sind jedoch teuer. Die hier bevorzugt verwendeten Fenster materialien ist ein Film, der Licht ausgesetzt und ent wickelt wurde, welcher unter der Bezeichnung "Eastman Kodak Estar UDF LPD-4" erhältlich ist. Der dabei resultie rende klare Polyesterfilm widersteht einem Beschlagen mit Wasserdampf bis hinunter zu Temperaturen von 0 Grad Cel sius.

Fig. 5 zeigt, wie die Strahlung von der optischen Quelle 17 durch die Probenzelle durchtritt und von dem Meßelement 38 empfangen wird. Der Ausgang 42 des Meßelements 38 und der Ausgang 44 des Vergleichselements 36 werden auf den Differentialverstärker 46 gegeben und verstärkt. Das ver stärkte Ausgangssignal 48 wird über den Wechselspan nungskopplungskondensator 50 und den Widerstand 52 zu dem Linearverstärker 54 gegeben. Die RC-Kopplung bildet ein Hochpaßfilter, das jede Änderung des Signalausgangs 48 dämpft, welche langsamer ist als die niedrigste gewünschte Atmungsrate, üblicherweise drei Atemzüge pro Minute. Der Ausgang 56 des Verstärkers 54 bildet ein Eingangssignal zu einem 3-Hz-Tiefpaßfilter, welches aus einem Widerstand 58 und einem Kondensator 60 gebildet ist. Der Schaltkreis bis zu dieser Stelle wird auf einem gedruckten Schaltkreis 37 der Sensoranordnung untergebracht. Ein Kabel 53 verbindet den Sensoranordnungsschaltkreis mit einem Anzeigegerät 57, welches eine Stromquelle (nicht gezeigt) und einen Schalt kreis umfaßt, der den Ausgang 62 aufnimmt.

Der Ausgang 62 ist mit einem Schwellenspannungskomperator 64 verbunden, welcher mit einer 1,0 Volt Referenz verbun den ist, welche so ausgelegt ist, daß sie einem negativen Signaläquivalent von 0,5% Kohlendioxyd entspricht. Wenn das Eingangssignal des Komparators groß genug ist, stößt der Komparatorausgang 66 den Pulsgenerator 68 an, der für 0,2 Sekunden einen Ausgangspuls 69 erzeugt. Der Puls wird über eine Diode 70 geleitet und durch den Verstärker 72 verstärkt an die grünemittierende LED 74 gegeben. Der Puls wird ebenfalls über die Diode 76 zu einem CMOS Oszillator 78 gegeben, der einen piezoelektrischen Tongenerator 80 betreibt. Die LED blinkt hell und der Summer ertönt mit jeder Ausatmung und gibt so ein positives Zeichen für die Atmung.

Ein Zeitgeber 81 ist als rücksetzbarer binärer Zähler aus gebildet, der mit jedem Puls 69 des Pulsgenerators 68 zu rückgesetzt wird. Falls ein Signal von dem Pulsgenerator nicht innerhalb einer vorgegebenen Rücksetzzeit erzeugt wird, erzeugt der Zeitgeber 81 einen 0,2 Millisekunden dauernden Puls an den Eingängen R₁ und R_2, welcher die Ausgänge ₂ mit der Ausgangsleitung 84 des Schalters S₂ und ₁ mit der Ausgangsleitung 86 des Schalters S₁ des Flip-flops 82 hochsetzt und hält, um die rote LED 88 anzu steuern und den Tongenerator 80 zu betreiben, wobei ein kontinuierlicher positiver Alarm für den Ausfall der Atmung gegeben wird. Der Tongenerator kann durch Schließen des Resetschalters 89 abgestellt werden; die Diode 90 ver hindert das Zurücksetzen des Ausgangs ₁ durch R₁, so daß die rote LED erleuchtet bleibt, auch wenn der höhrbare Alarm abgeschaltet ist.

Claims

1. Atemüberwachungsgerät zur Befestigung an einer Endo tracheal-Röhre mit

- einem rohrförmigen Teil, welches Atemluft aus einer Endotracheal-Röhre aufnehmen kann und welches sich gegenüberliegend angeordnete, planare und im wesentlichen infrarotdurchlässige Fenster aufweist;
- mit einem Infrarot-Analysengerät mit einer Quelle für einen unmodulierten infraroten Lichtstrahl, welcher durch die planaren Fenster und die Atem luft hindurchtritt, und mit einem Infrarot-Detek tor, der die Infrarotstrahlung nach dem Durchgang durch die Fenster und die Atemluft empfängt und der ein Ausgangssignal in Abhängigkeit der Anwe senheit von CO₂ bei jeder Ausatmung erzeugt;
- wobei der Detektor eine Kammer mit einem infrarot durchlässigen Fenster, ein erstes und ein zweites Festkörper-Infrarot-Detektorelement innerhalb der Kammer und eine infrarotundurchlässige Abschirmung an der Außenseite des Fensters zwischen der Quelle und dem zweiten Festkörperelement umfaßt, wobei das erste Element ein Meßelement und das zweite Element ein Vergleichselement darstellt;
- mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Zeit spanne zwischen den vom Detektor erzeugten Sig nalen;
- und mit einem Alarmgeber, der bei einer vorge gebenen Verzögerung zwischen den Signalen an spricht.

2. Überwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß abgeglichene Thermoelemente vorhanden sind.

3. Überwachungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kammer in thermischem Kontakt mit einer Wärmeesenke steht.

4. Überwachungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kammerwandungen aus Metall sind und Kontakt mit einem mit einer Wärmeisolierung abgedeck ten Kupfergehäuse aufweisen.

5. Überwachungsgerät nach Anspruch 1-4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Detektor in thermischem Kontakt mit der Wärmesenke steht.

6. Überwachungsgerät nach Anspruch 1 bis 5, wobei Mittel zum Ausfiltern von Signalen mit Frequenzen kleiner als eine vorgegebene Atmungsfrequenz vorhanden sind.