DE4318690A1 - Verfahren zur Messung der Molmasse von Gasen oder Gasgemischen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Molmasse von Gasen oder Gasgemischen und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasen oder Gasgemischen werden im allgemeinen Massenspektrometer oder spezifische Gassen­ soren eingesetzt. Bei Massenspektrometern handelt es sich um auf­ wendige Geräte, welche eine sehr exakte Gasanalyse ermöglichen. Bei den Sensoren zur Konzentrationsmessung spezifischer Gase hin­ gegen handelt es sich meist um einfachere Geräte, welche unter Ausnützung bestimmter physikalischer oder chemischer Eigenschaf­ ten eines bestimmten Gases, beispielsweise einer Absorptionsli­ nie im Spektrum oder einer paramagnetischen Eigenschaft des Ga­ ses, die Konzentration dieses bestimmten Gases berechnen.

Aufgabe der Erfindung ist es, in einem freien Halterungsquer­ schnitt, also ohne jegliche Störung einer Strömungsgeometrie, die Molmasse eines Gases oder Gasgemisches zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Demnach wird das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch durch mindestens eine Halte­ rung geleitet, an der mindestens eine Schall- bzw. Ultraschall- Sende- bzw. Empfangszelle als Meßstrecke, vorzugsweise schräg zur Rohrachse angeordnet ist. Die Schall- bzw. Ultraschall-Sen­ de-Empfangszellen strahlen ein gepulstes Schallsignal ab. Die Laufzeiten der Schallimpulse über die Meßstrecke werden erfaßt. Die Temperatur kann geschätzt werden. Über mindestens eine Tempe­ ratursonde kann der Gastemperaturverlauf über mindestens eine Schallübertragungsstrecke aber auch bestimmt werden. Aus der Laufzeit der Schallimpulse und der Temperatur wird die Molmasse bestimmt.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den sich an­ schließenden Unteransprüchen 2-7 enthalten.

Ultraschall-Sensoren, wie sie zur erfindungsgemäßen Lösung heran­ gezogen werden, sind grundsätzlich bereits aus der Ultraschall- Spirometrie zu einem anderen Zweck bekannt. Beispielsweise in der JP 60-117149 A und aus der CH 669 463 A5 sind Ultra­ schall-Spirometer bekannt, bei denen ein Sender-/Empfangszellen­ paar in einer Meßstrecke schräg zur Meßrohrachse angeordnet ist. Bei diesen bekannten Ultraschall-Spirometern wird die Strömungs­ geschwindigkeit über Ultraschall-Laufzeitmessung ermittelt.

Dieser an sich bekannte Effekt kann gemäß dem Unteranspruch 8 in dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch genutzt werden, daß die Laufzeiten der Schallimpulse ebenfalls zur Berechnung der Strö­ mungsgeschwindigkeiten der Gase oder Gasgemische, deren Molmasse bestimmt werden, verwendet werden. Dabei können Linearitätsfeh­ ler der Strömungsgeschwindigkeitsberechnung vorteilhaft mittels der nachgeschalteten elektronischen Schaltung korrigiert werden.

Das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ins­ besondere in der Lungenfunktionsdiagnostik einsetzen, da dort sowohl Ergebnisse der Strömungsmessung, wie auch solche von fort­ laufenden Gasanalysen interessieren.

Bei den bislang in der Lungenfunktionsdiagnostik angewandten Ver­ fahren wurden die Gasanalysen mittels mehrerer für die jeweili­ gen Gaskomponenten spezifischen Sensoren durchgeführt. In der Regel ist über diese Sensoren im Nebenstrom gemessen worden, d. h. es wurde ein Teilstrom der zu messenden Gaszusammensetzung abgezweigt und in dieser Abzweigung mittels der Sensoren be­ stimmt. Diese vorbekannten Meßverfahren sind aufwendig und auf­ grund der notwendigen Abzweigung eines Gasteilstroms auch ver­ fälscht. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 8 und den sich anschließenden Verfahrensansprüchen 9-11 läßt sich eine Lungenfunktionsdiagnostik in Echtzeit und on-line durchführen. Die Messungen können dabei mit einem Ultraschallsen­ sor und nur einem zusätzlichen Sensor durchgeführt werden, was eine Ersparnis des apparativen Aufwandes mit sich bringt. Insbe­ sondere lassen sich mit dem Verfahren in einfacher Weise folgen­ de Parameter bestimmen:

Die Lungenvolumina einschließlich FRC, die N₂-Auswaschkurve bzw. die Helium-Einwaschkurve, das Molmassenprofil der expirato­ rischen Alveolargaskurve. Durch die zuvor angesprochene Kombina­ tion eines Ultraschallsensors mit einem weiteren Gassensor las­ sen sich auch die Sauerstoffaufnahme und CO₂-Abgabe und der re­ spiratorische Quotient ( CO₂/ O₂) bestimmen.

Darüber hinaus ist es durch kontinuierliche Molmassenmessungen möglich, falls diese gleichzeitig mit der Volumenmessung kombi­ niert sind, bei der Sauerstoffaufnahme die aerobe/anaerobe Schwelle approximativ festzustellen, um beispielsweise Trainings­ effekte zu überwachen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens besteht aus mindestens einer Schall- bzw. Ultraschall-Sende- Empfangszelle, die schräg zur Halterungsachse angeordnet ist. Weiterhin kann mindestens eine Temperatursonde entlang der da­ durch gebildeten mindestens einen Meßstrecke angeordnet sein. Die schräg in den Meßkanal einlaufenden Kammer-Öffnungen der Kam­ mern, in denen die Schall- bzw. Ultraschall-Sende-Empfangszellen jeweils angeordnet sind, können zur Vermeidung von Wirbeln in der Gasströmung mit schalldurchlässigen Netzen verschlossen sein.

In die Halterung kann auch ein auswechselbares Atemrohr einsteck­ bar sein, das am Übergang zur Meßstrecke Meßfenster in der Art aufweist, daß in entsprechenden Öffnungen Einsätze eingesetzt sind, die durchlässig für Schallwellen, aber weitgehend undurch­ lässig für Keime und Verschmutzungen sind. Dieser Gedanke ist auch schon Gegenstand der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 42 22 286. Durch das Vorsehen des auswechselba­ ren Atemrohres ist die Möglichkeit einer hygienisch einwandfeien Spirometrie gegeben.

Zur Vermeidung von störenden Schallreflexionen im Schallkanal können Dämpfungselemente vorgesehen sein, wobei vorzugsweise eine schallabsorbierende Oberfläche eines die Halterung bilden­ den Rohres bzw. des auswechselbaren Atemrohres vorgesehen sind.

An den Strömungsein- bzw. -ausgängen können Elemente zur Verwir­ belung ein- bzw. ausströmender Gase bzw. Gasgemische vorhanden sein.

Zur Einstellung einer vorbestimmten Temperatur sowie zur Verhin­ derung von Kondensation kann in der Vorrichtung zusätzlich eine Heizung vorgesehen sein.

Außer dem die Halterung bildenden Rohr können gemäß einer vor­ teilhaft kompakten Ausführungsform Hohlräume zur Unterbringung von elektronischen Schaltbauteilen vorgesehen sein. Weitere vor­ teilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung des funktionellen Residualvolumens (FRC) der Lunge in der Lungen­ funktionsdiagnostik und weist vorzugsweise Merkmale der zuvor beschriebenen Vorrichtung auf. Bei dieser erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist an die Halterung oder das Atemrohr eine Zuschaltein­ richtung einsetzbar, die eine Rohrverzweigung aufweist, an deren einen Ende ein mit O₂ oder einem Gasgemisch befüllbarer träg­ heitsarmer Beutel ansetzbar ist. An dem Ende der Rohrverzwei­ gung, an dem der Beutel angesetzt wird, ist ein Einatmungsventil angeordnet. An dem anderen, freien Ende der Rohrverzweigung ist ein Ausatmungsventil angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Rohrverzweigung mit dem leicht austauschbaren Atemrohr einstückig ausgebildet. Eine andere Ausführungsform beinhaltet, daß die Rohrverzweigung mit den entsprechend eingesetzten Venti­ len über einen Andockmechanismus mit dem Atemrohr oder dem leicht austauschbaren Atemrohr verbindbar ist. An dem trägheits­ armen Beutel kann ein Füllstutzen zur Befüllung mit dem einzuat­ menden Gas vorhanden sein. In dieser Lösung ist eine Einrichtung für die Fremdgaszuschaltung, die unmittelbar an die Halterung oder an das leicht austauschbare Atemrohr, das als hygienisches Atmungs-Wegwerfrohr dient, angesetzt werden kann, verwirklicht. Die Gasein- bzw. Gasausschwemmungsvolumina können mittels einer entsprechenden Software aus dem Dichte- und Strömungsparametern zur Bestimmung des funktionellen Residualvolumens (FRC) der Lun­ ge herangezogen werden. Die Zuschalteinrichtung ist dabei so ge­ staltet, daß sie während einer Expirationsphase einen Gasbehäl­ ter, d. h. den trägheitsarmen Beutel, so andockt, daß die Einat­ mung in der Folge aus diesem Gasbehälter erfolgt, während die Ausatmung nach außen geleitet wird. Durch das Vorsehen der bei­ den Ventile ist nun gewährleistet, daß eine Inspiration über kon­ taminierte Teile unmöglich ist. Die zusätzlichen Teile der zuvor erläuterten Vorrichtung können gegebenenfalls als Wegwerfteile ausgestaltet werden. Die Software für die simultane Auswertung der Strömungs- und Dichtesignale kann alle Einflüsse, die sei­ tens der Gastemperatur, der Gasfeuchtigkeit und der Masse der Gaskomponenten gegeben sind, berücksichtigen. Die Berechnung des funktionellen Residualvolumens (FRC) der Lunge erfolgt beispiels­ weise nach den an sich bekannten Regeln der N₂-Ausschwemmethode oder nach analogen Methoden.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Molmasse von Gasen oder Gasge­ mischen zur Bestimmung diverser Ausatmungsparameter in der Lun­ genfunktionsdiagnostik, die vorzugsweise Merkmale der vorgenann­ ten Ausführungsvarianten beinhaltet, bei der zusätzlich zu dem Schall- bzw. Ultraschall-Senden und/oder -Empfangszellenpaar ent­ weder ein CO₂-Sensor auf Infrarotbasis oder ein O₂-Sensor vorhan­ den ist.

Bei der Integration eines CO₂-Sensors ist eine simultane on-line Infrarotanalyse auf CO₂ bei der hygienischen Ultraschall-Spiro­ metrie möglich. Die hygienische Ultraschall-Spirometrie umfaßt die leicht austauschbaren Atemrohre. Hier müssen gemäß einer vor­ teilhaften Ausgestaltung zwei optisch durchlässige Fenster an den Stellen angeordnet sein, an denen die Infrarotlichtquelle und der Infrarotsensor angeordnet sind.

Alternativ dazu können im Gehäuse die Infrarotlichtquelle und der Infrarotsensor an einer Stelle parallel angeordnet sein. In diesem Fall ist nur ein Fenster in der Halterung vorgesehen, dem gegenüberliegend ein Spiegel angeordnet ist.

Bei Integration eines O₂-Sensors kann in dem in der Halterung einsetzbaren leicht austauschbaren Innenrohr eine Öffnung vorge­ sehen sein, die mit einer dünnen O₂-permeablen, aber lichtun­ durchlässigen Membran verschlossen ist, wobei an der Außenseite ein O₂-sensitiver Fluoreszenzindikator aufgebracht ist. Bei dem eingesetzten Atemrohr befindet sich an korrespondierender Stelle der Vorrichtung, d. h. innerhalb des Spirometerkopfes, eine Boh­ rung, die mit einem optischen Anschluß (beispielsweise Glasfaser­ anschluß) für das optische System bestückt werden kann. Dieses kann in an sich bekannter Weise aus einer Lichtquelle für das Anregungslicht und einem Sensor für die Signalimpulse bestehen.

Für jede der zuvor beschriebenen Varianten ist eine elektroni­ sche Auswertung vorgesehen, welche die Temperatur- und Feuchtig­ keitseinflüsse berücksichtigt und aus dem Masse- und Gassignal in Kombination mit spirometrischen Werten, die von den Strömungs­ signalen abgeleitet werden, die bekannten Daten der Spiro-Ergome­ trie ermittelt.

Für die Feuchtigkeitsmessung können entsprechende zusätzliche Meßfühler in der Vorrichtung integriert sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung wer­ den anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 3 und 4 verschiedene Ausführungsbeispiele von aus­ tauschbaren Atemrohren mit Verzweigungsstücken und ansetzbaren Gasbehältern und

Fig. 5 und 6 schematische Teilschnittdarstellungen der Hal­ terung mit zusätzlich angeordneten Sensoren und eingesetzten austauschbaren Atemrohren.

In Fig. 1 ist als Blockdiagramm das Durchflußmeßgerät zur Be­ stimmung physiologisch relevanter Lungenfunktionsparameter dar­ gestellt. Einem Sensorkopf I ist eine Kontrolleinheit II und eine Datenverarbeitungsanlage III nachgeschaltet. In Fig. 2 ist der Sensorkopf schematisch dargestellt, der in den Kammern 1 und 2 Ultraschall-Sende-Empfangselemente S1 und S2 aufweist. Dabei handelt es sich beispielsweise um Kondensatormikrophone, welche sich sowohl für den Sende- als auch für den Empfangsbe­ trieb von Ultraschallsignalen eignen. Die schräg zu einer durch­ strömten rohrförmigen Halterung 5 angebrachten Zellen S1, S2 senden den Schall über die Abstrahlöffnungen 3, 4 zu der gegen­ überliegenden Zelle. Elektrisch isolierende seitliche Führungs­ elemente, und ebenfalls elektrisch isolierende und zur Halte­ rung 5 gewandte Diffusoren (in der vorliegenden Ausführungsvari­ ante bestehend aus Netzen), positionieren die Hauptzellen fest in den Kammern 1 und 2. Von diesen Kammern führen Verbindungs­ bohrungen zu einer seitlich von der Halterung 5 angebrachten Vorverarbeitungselektronik. Diese dient hauptsächlich zur Vor­ verstärkung der Empfangssignale, sowie der Signalkonditionie­ rung der Temperaturmeßstellen.

Ein in der Fig. 2 nicht gezeigtes Kabel, welches durch eine Ka­ belverschraubung 8 aus dem Sensorkopf austritt, verbindet den Sensor mit der zugehörigen Kontrolleinheit II (vgl. Fig. 1).

In der beschriebenen Ausführungsvariante enthält die Kammer 9 eine Vorrichtung zur Absenkung eines Thermoelementes in das Meß­ rohr 5. Mit Hilfe einer Schraube 11 wird ein elektrisch nicht leitendes Teil 10, in welches das Thermoelement eingelassen ist, in die Halterung 5 abgesenkt. In der zurückgezogenen Posi­ tion kann die Halterung mit mechanischen Mitteln gereinigt wer­ den, ohne daß das Thermoelement zerstört wird.

Ein weiteres Thermoelement dient zur Bestimmung der Gastempera­ tur in den Kammern 3, 4 vor den Sende-/Empfangselementen S1, S2. Es ist über eine weitere seitliche Bohrung 12 in der Kammer 4 positioniert.

Bei abgesenkter Thermoelementhalterung 10 weist die Halterung 5 über die gesamte Länge einen gleichbleibenden kreisförmigen Querschnitt auf. Die Abstrahlöffnungen 3 und 4 sind mit Netzen verschlossen, so daß auch in diesen Bereichen der kreisförmige Querschnitt der rohrförmigen Halterung 5 erhalten bleibt. Zur besseren Reinigung bzw. Sterilisation der Halterung 5 können diese Netze auch auf einem auswechselbaren Atemrohr montiert sein. Für den Meßkanal stehen zwei verschiedene, auswechselbare Abschlußstücke zur Verfügung: die kurze Version 6 dient zur Er­ zielung eines möglichst kleinen Meßvolumens des Sensors, die längere Version 7 ist so gestaltet, daß ein für medizinische Anwendung geeignetes Mund- oder Adapterstück eingeschoben wer­ den kann.

Zusätzliche Heizungselemente, welche den Sensorkopf auf eine gegenüber der Umgebung erhöhte Temperatur bringen, können di­ rekt in den seitlich die Vorverarbeitung für Elektronik vorhan­ denen Kammern, oder in von diesen Kammern wegführenden Bohrun­ gen, untergebracht sein. Ein geringfügiges Heizen des Sensors hat den Vorteil, daß während der Expirationsphase Kondensation von Wasserdampf auf den Oberflächen der Halterung 5 vermieden werden kann. In medizinischen Anwendungen wird wegen der wasser­ dampfgesättigten Expirationsluft ein Heizen des Sensors in den meisten Fällen unumgänglich sein.

Die Funktionsweise des dargestellten Geräts wird anhand der Fig. 1 erläutert. Zu Beginn des Meßzyklus regt der Sender der Kontrolleinheit II alternierend eine der Sende-/Empfangszellen S1 oder S2 an. Von der angeregten Zelle wird ein Ultraschallsig­ nal abgestrahlt, welches über die Meßstrecke zur gegenüberlie­ genden Sende-/Empfangszelle wandert. Die im Sensor selbst vor­ verstärkten Empfangssignale gelangen zurück zur Kontrollein­ heit. Dort wird das Signal der empfangenden Sende-/Empfangszel­ le weiter verstärkt und einer elektronischen Schaltung zur Be­ stimmung der Ultraschall-Laufzeit zugeführt. Auf diese Weise können, mittels auf bekannte Weise kaskadierter elektronischer Zähler, hintereinander die Ultraschall-Laufzeiten von S1 nach S2 und von S2 nach S1 bestimmt werden. Die zur Bestimmung der Molmasse notwendigen Temperatursignale werden, nach einer elek­ tronischen Vorverarbeitung der Thermoelementsignale im Sensor­ kopf selbst, ebenfalls der Kontrolleinheit zugeführt. Die in den Formeln gemäß der Patentansprüche 2 und 3 aufgeführte mitt­ lere Gastemperatur T entlang der Schallübertragungsstrecke wird folgendermaßen bestimmt: Es wird angenommen, daß das in die Hal­ terung eingeführte Thermoelement die mittlere Temperatur ent­ lang der Teilstrecke in der Halterung bestimmt. Das in der Boh­ rung 12 seitlich vor der Zelle S1 positionierte Thermoelement bestimmt die mittlere Temperatur der beiden Teilstrecken in der Abstrahlöffnung 3 und 4. In der beschriebenen Ausführungsvarian­ te des Sensorkopfs wird somit vereinfachend angenommen, daß so­ wohl Gastemperatur als auch Gaszusammensetzung in den beiden Kammern 3 und 4 gleich sind. Die mittlere Gastemperatur T wird mittels der prozentualen Streckenanteile, von durchströmten und nicht durchströmten Schallübertragungsteilstrecken, bestimmt.

Unter Verwendung der gemessenen Schall-Laufzeiten und Temperatu­ ren berechnet der Prozessor der Kontrolleinheit Molmasse, Gasge­ schwindigkeit und davon abgeleitete Größen. Bei der Berechnung gelangen die in den Patentansprüchen 4, 5, 6 und 7 aufgeführten Formeln zur Anwendung. Die vom Prozessor der Kontrolleinheit berechneten Größen können über eine serielle Schnittstelle an den Computer übertragen werden. Zur Durchführung physiologi­ scher Lungenfunktionsuntersuchungen kann dieser Computer wei­ terführende Berechnungen der CO₂- bzw. O₂-Konzentration durch­ führen. Dabei wird mittels geeigneter Sensoren in hier nicht dargestellter Weise simultan der CO₂-Anteil und/oder der O₂-An­ teil in der Atemluft bestimmt.

Ein Meßzyklus des Gerätes besteht somit aus 4 Phasen: Senden der Schallimpulse, Empfangen derselben an der gegenüberliegen­ den Sende-/Empfangszelle, Verarbeiten der anfallenden Daten, Datenausgabe und Datenübertragung an den angeschlossenen Compu­ ter. In der vorliegenden Ausführungsvariante der Vorrichtung dauert ein solcher Meßzyklus ca. 3 ms. Da während eines Meßzy­ klus nur eine Schall-Laufzeit gemessen wird, sind unter Bestim­ mung eines vollständigen Datensatzes je nach verwendeter Formel 2-4 Meßzyklen notwendig. Wird das Gerät in der Lungenfunktions­ diagnostik verwendet, kann der angeschlossene Computer zur Aus­ wertung der Strömungs- und Molmassedaten verwendet werden. Mit Hilfe des Computers können beispielsweise Wash-Out-Tests zur Bestimmung des absoluten Lungenvolumens ausgewertet werden.

In den Fig. 3 und 4 sind Vorrichtungsbestandteile gezeigt, die zu einer definierten Gaszuführung verwendet werden. Mit 15 ist in den Fig. 3 und 4 jeweils das leicht austauschbare Atemrohr, das in die Halterung 5 eingesetzt wird, dargestellt. In dem Atemrohr sind mit geeigneten Netzen bzw. Membranen 16 verschlos­ sene Öffnungen vorgesehen, die im eingesetzten Zustand des Atem­ rohres im Bereich der Abstrahlöffnungen 3 und 4 zu liegen kom­ men.

Das Verzweigungsteil 17 kommt außerhalb des Atemrohres 5 zu lie­ gen. Die Ausführungsformen gemäß der Fig. 3 und 4 unterscheiden sich dadurch, daß in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 das Ver­ zweigungsteil 17 einstückig mit dem Innenrohr 15 ausgebildet ist. In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird das Verzweigungs­ teil 17 über einen nicht näher dargestellten Andockmechanismus mit dem Innenrohr 15 verbunden. An das Verzweigungsteil 17 wird ein mit O₂ oder mit einem Gasgemisch befüllbarer trägheitsarmer Beutel 18 angesetzt. Dieser Beutel 18 weist einen mit einem Ven­ til verschließbaren Füllstutzen 19 zur Befüllung mit dem ent­ sprechenden Gas bzw. Gasgemisch auf. Die Rohrverzweigung bzw. das Verzweigungsteil 17 weist an dem Ende, an dem der Beutel 18 angesetzt wird, ein hier nicht näher dargestelltes Einatmungs­ ventil auf. An dem freien Rohrende weist das Verzweigungsteil 17 ein Ausatemventil auf.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 5 ist in der Halte­ rung 5 zusätzlich eine Weißlicht- oder Infrarotlichtquelle 20 integriert. Dieser gegenüberliegend ist ein Infrarotsensor 21 angeordnet. Das in der Halterung eingesetzte leicht austauschba­ re Atemrohr 15 weist an der im eingebauten Zustand der Infrarot­ lichtquelle bzw. dem Infrarotsensor gegenüberliegenden Bereich optisch durchlässige Fenster 22 auf. Mit dem Infrarotsensor bzw. der Infrarotlichtquelle kann simultan zur Strömungsmessung bzw. zur Molmassenbestimmung über Ultraschall der CO₂-Gehalt gemessen werden.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist in der Halterung 5 ein Glasfaserkabel 23 integriert, über das einerseits Anregungs­ licht für eine O₂-Analyse in die Halterung eingeleitet wird. Andererseits werden aufgenommene Signalimpulse an einen entspre­ chenden Sensor weitergeleitet.

Im Bereich der Einmündung des optischen Glasfaseranschlusses in der Halterung 5 weist das austauschbare Atemrohr 15 eine dünne, O₂-permeable, aber lichtundurchlässige Membran 24 auf, an deren Außenseite ein O₂-sensitiver Fluoreszenzindikator aufgebracht ist. Mittels dieser Anordnung läßt sich parallel zu der Strö­ mungsmessung bzw. Molmassenbestimmung mittels Ultraschall der Sauerstoffgehalt im Sensorkopf simultan messen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann mittels der hygienischen Ultraschall-Spirometrie und einem relativ wenig aufwendigen gas­ analytischen Zusatz das gesamte Programm der Spiro-Ergometrie aufgenommen werden. Im Vergleich zu vorher bekannten Systemen hat dies den großen Vorzug, daß die Messungen on-line und real-time erfolgen. Weiterhin sind hier keine beweglichen Teile im System vorhanden, die zur Störung der Messung führen können. Damit ist eine sehr hohe Genauigkeit und eine minimale Fehler­ möglichkeit verwirklicht.

Claims (29)

1. Verfahren zur Messung der Molmasse von Gasen oder Gasgemi­ schen, dadurch gekennzeichnet,
daß das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch durch minde­ stens eine Halterung geleitet wird, an der eine oder mehrere Schall- bzw. Ultraschall-Sende- bzw. Empfangszellen als Meß­ strecken, vorzugsweise schräg zur Halterungsachse angeordnet sind,
daß die Schall- bzw. Ultraschall-Sende-Empfangselemente ein gepulstes Schallsignal abstrahlen,
daß die Laufzeiten der Schallimpulse über die Meßstrecke er­ faßt werden,
daß eine Temperaturkompensation erfolgt und daß aus der Lauf­ zeit der Schallimpulse unter Berücksichtigung der Temperatur­ kompensation die Molmasse bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensation dadurch erfolgt, daß über mindestens eine Temperatursonde der Gastemperaturverlauf entlang der Meßstrecke bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen zur Temperaturkompensation aufgrund physiologi­ scher Annahmen als Schätzwerte eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Molmasse M mit Hilfe der Formel bestimmt wird, wobei k₁ eine dimensionsbehaftete Konstante, k_A eine dimensionslose Konstante zur Adiabatenexponentkorrek­ tur, T die mittlere Temperatur entlang der entsprechenden Meßstrecke, gegebenenfalls ermittelt aus den entlang dieser Meßstrecke positionierten Temperatursensoren, und t₁ und t₂ die um aufbau- und meßbedingte Verzögerungen reduzierten Laufzeiten entlang dieser Meßstrecke darstellen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Molmasse M mit Hilfe der Formel bestimmt wird, wobei k₂ eine dimensionsbehaftete Konstante, k_A eine dimensionslose Konstante zur Adiabatenexponentkorrek­ tur, T die mittlere Temperatur entlang des im Strömungskanal liegenden Teils der entsprechenden Meßstrecke, gegebenen­ falls ermittelt aus einem der mehreren Temperatursensoren entlang dieser Meßstrecke, t₁ und t₂ die um aufbau- und meß­ bedingte Verzögerungen reduzierten Laufzeiten der Schallim­ pulse entlang der gesamten Meßstrecke, t₃ und t₄ die um auf­ bau- und meßbedingte Verzögerungen reduzierten Laufzeiten der Schallimpulse entlang der nicht im Strömungskanal liegen­ den Teile der Meßstrecke darstellen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Formel gemäß Anspruch 5 t₃ und t₄ gleichgesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Laufzeiten t₁, t₂, t₃, t₄ der Schallimpulse durch elektronische Zählungen bestimmt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Laufzeiten der Schallimpulse ebenfalls zur Be­ rechnung der Strömungsgeschwindigkeit der Gase oder Gasgemi­ sche verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeich­ net, daß Linearitätsfehler der Strömungsgeschwindigkeitsbe­ rechnung mittels nachgeschalteter elektrischer Schaltungen korrigiert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Bestimmung diverser Atmungsparameter die Molmas­ se zur Berechnung der CO₂- und O₂-Konzentrationsverläufe der Atemströmung verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Molmassenwerte und gemessenen Durchflußwerte als Ausgangsbasis für Lungenvolumenberechnungen verwendet werden und daß Lungenvolumina mittels Gasauswachmethoden bestimmt werden.

12. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schall- bzw. Ultraschall-Sende-Empfangszellenpaar schräg zur Halterungsachse angeordnet ist und daß wahlweise mindestens eine Temperatursonde entlang der mindestens einen Meßstrecke angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Halterung eine Meßstrecke integriert ist, die schräg zur Strömungsrichtung angeordnet ist und deren Öffnungen zur Vermeidung von Wirbeln in der Gasströmung mit schalldurchläs­ sigen Netzen oder schallübertragendem Materialien verschlos­ sen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß in die Halterung ein auswechselbares Atemrohr ein­ steckbar ist, das am Übergang zur Meßstrecke Fenster in der Art aufweist, daß in entsprechenden Öffnungen Einsätze einge­ setzt sind, die durchlässig für Schallwellen, aber weitge­ hend undurchlässig für Keime und Verschmutzungen sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßstrecke in einem Meßkanal liegt, daß der Meßkanal dicht an der als Rohr ausgebildeten Halterung anschließt und daß das Atemrohr dicht in der als Rohr ausge­ bildeten Halterung angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoren, der Meßkanal und das Atemrohr einstückig als Wegwerfteil ausgebildet sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Dämpfungselemente zur Vermeidung von störenden Schallreflexionen vorhanden sind, wobei vorzugsweise eine schallabsorbierende Oberfläche des die Halterung bildenden Rohres bzw. des auswechselbaren Atemrohres vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-17 dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Strömungsein- bzw. -ausgängen Elemente zur Verwirbelung ein- bzw. ausströmenden Gase bzw. Gasge­ mische vorhanden sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich eine Thermostatisierung der Halte­ rung vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß außer dem die Halterung bildenden Rohr Hohlräu­ me zur Unterbringung von elektronischen Schaltbauteilen vor­ gesehen sind.

21. Vorrichtung zur Bestimmung des funktionellen Residualvolu­ mens (FRC) der Lunge in der Lungenfunktionsdiagnostik, vor­ zugsweise nach einem der Ansprüche 12-20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die Halterung oder das Atemrohr eine Zu­ schalteinrichtung ansetzbar ist, die eine Rohrverzweigung aufweist, an deren einen Ende ein mit O₂ oder einem Gasge­ misch befüllbares möglichst druckfreies Gasreservoir ansetz­ bar ist, und daß an dem Ende der Rohrverzweigung, an dem der Beutel angesetzt wird, ein Einatmungsventil und daß an dem anderen Ende der Rohrverzweigung ein Ausatmungsventil ange­ ordnet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrverzweigung mit dem leicht austauschbaren Atemrohr einstückig ausgebildet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrverzweigung mit den entsprechend eingesetzten Venti­ len über einen Andockmechanismus mit der Halterung oder dem leicht austauschbaren Innenrohr verbindbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21-23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem möglichst druckfreien Gasreservoir ein Füllstutzen zur Befüllung mit dem einzuatmenden Gas vorhan­ den ist.

25. Vorrichtung zur Messung der Molmasse und Konzentrationen von Gasen oder Gasgemischen zur Bestimmung diverser Atmungspara­ meter in der Lungenfunktionsdiagnostik, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 10-20, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gasbestimmungssensor, beispielsweise auf Infrarotbasis oder auf der Basis einer fluoreszenzoptischen Messung um­ faßt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß in dem in der Halterung einsetzbaren leicht austauschbaren Atem­ rohr zwei optisch durchlässige Fenster an den Stellen ange­ ordnet sind, an denen die Lichtquelle und der Infrarotsensor angeordnet sind.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß in dem in der Halterung einsetzbaren leicht austauschbaren Atem­ rohr ein Fenster und ein diesem gegenüberliegender Spiegel angeordnet sind.

28. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß in dem in der Halterung einsetzbaren leicht austauschbaren Atem­ rohr eine Öffnung vorgesehen ist, die mit einer dünnen O₂-permeablen, aber lichtundurchlässigen Membran verschlos­ sen ist und daß an der Außenseite ein O₂-sensitiver Fluores­ zenzindikator aufgebracht ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich Meßfühler für die Feuchtigkeitsmes­ sung integriert sind.