Analyse des Gasstoffwechsels des menschlichen Körpers unter Belastung
Die Firma Vyaire Medical entwickelt Geräte für die Diagnose, Behandlung und Nachverfolgung von Atemwegserkrankungen. Unter anderem auch Spiroergometrie-Systeme für die Lungenfunktions-diagnostik, so wie das VyntusTM CPX. In diesem integriert, ist der pyroelektrische Detektor LMM-242 von InfraTec.
Um Höchstleistungen zu erreichen, muss unser Körper in der Lage sein, die notwendige Energie für die zu verrichtende Arbeit bereitzustellen. Diese gewinnt der Körper hauptsächlich durch die Verbrennung von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen in Gegenwart von Sauerstoff (aerober Stoffwechsel). Deshalb ist es wichtig, dass neben der Energiezufuhr über die Nahrungsaufnahme auch genügend Sauerstoff für den Verbrennungsprozess zur Verfügung steht. Wie bei jedem anderen Verbrennungsprozess entsteht hierbei Kohlenstoffdioxid (CO
Demnach haben wir mehrere Körperfunktionen, die wie ein Getriebe ineinandergreifen und zusammenspielen. Sind die Organe oder Organsysteme einer Person in irgendeiner Weise beeinträchtigt, ist diese nicht in der Lage, sich an eine steigende Belastung anzupassen. In solch einem Fall können die charakteristischen Muster, der während einer Ergospirometrie gewonnen Messparameter, wichtige Informationen darüber geben, welche Organe zur Beeinträchtigung beitragen.
Unter Ergospirometrie versteht man die Bestimmung der Leistungsfähigkeit des Menschen bei körperlicher Belastung durch die Messung bzw. Berechnung des Gasstoffwechsels sowie einer Vielzahl von weiteren Parametern. Die Ergospirometrie ist eine wertvolle Differentialdiagnostik in der Kardiologie, Pneumologie oder auch der Sportmedizin. Weiterhin ist sie inzwischen auch in Bereichen wie z. B. in der Arbeitsmedizin, Rehabilitation oder auch in der Anästhesiologie zur präoperativen Risikoabschätzung zum routinemäßigen Standard-Verfahren geworden.
Für eine Ergospirometriemessung wird der Patient an einem Fahrradergometer oder Laufband für ca. 8 bis 12 Minuten, bei steigender Intensität, belastet. Gleichzeitig ist er an das Messsystem angeschlossen, mit dem kontinuierlich Atemminutenvolumen, Atemfrequenz, Herzfrequenz, Sauerstoffaufnahme, Kohlenstoffdioxidabgabe sowie weitere Parameter erfasst werden.
Messbereich 0 – 2.000 Watt
Für eine Steckdose mit Energieverbrauchsmessung ist ein Messbereich von 0 – 2.000 Watt nicht sonderlich hoch. Für die Messung des menschlichen Stoffwechselumsatzes ist das allerdings eine große Herausforderung. Bei so hoher körperlicher Belastung kann die Herzfrequenz 200 Schläge pro Minute und die Atemfrequenz 70 Atemzüge pro Minute überschreiten. Das bedeutet, die Ein- und Ausatemzeit beträgt im Mittel unter 500 Millisekunden währenddessen sich Gasfluss und -zusammensetzung ändern und vom Gerät entsprechend schnell gemessen werden müssen.
Eine Echtzeitanalyse des ein- und ausgeatmeten Gases pro Atemzug ist nur mit auf Geschwindigkeit optimierten Methoden möglich. Zur präzisen Messung des eingeatmeten Volumens an Sauerstoff und des vom ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid benötigt man außer einem geeigneten schnellen Flusssensor auch entsprechend schnelle Gassensoren mit einer Anstiegszeit von 75 Millisekunden.
Für schnelle, gleichzeitig hochgenaue und außerdem kosteneffiziente Gassensoren gibt es nicht viele Anwendungsgebiete. Am Markt verfügbar, sind meist nur welche, die nur zwei dieser drei Kriterien erfüllen. Daher entwickelt und produziert Vyaire Medical Gassensoren auf die Bedürfnisse der Kunden hin selbst.
Das Zusammenspiel aus Pneumatik, Infrarotquelle, Detektor, Signalverarbeitung und Anwendungssoftware muss bei dem nicht-dispersiven Infrarotsensor für Kohlenstoffdioxid so optimiert werden, dass alle Anforderungen erfüllt werden. Möglich wird das durch den Einsatz des zweikanaligen pyroelektrischen Detektors LMM-242 von InfraTec. Dieser Detektor besitzt neben dem Messkanal für Kohlenstoffdioxid einen Referenzkanal, der für die Kompensation von u. a. Schwankungen der Quelle genutzt wird. Der integrierte Operationsverstärker des LMM-242 erlaubt den Einsatz einer schlanken analogen Signalverarbeitung und erhöht die Robustheit gegenüber elektromagnetischen Störungen.
Neben der Gasanalytik spielt auch die Probennahme eine wichtige Rolle: die schwankenden Temperaturen zwischen Ein- und Ausatmung und der hohe Anteil an Wasserdampf von bis zu 6 % in der Ausatemluft erfordern technische Maßnahmen, um Querempfindlichkeiten auf die Sensorik und Verschmutzung zu vermeiden oder zu kompensieren. Verschiedene Signalfilter und Korrekturalgorithmen sorgen zusammen mit einer Sensorik zur Messung der Umgebungsbedingungen für hochgenaue Messwerte.
Über Vyaire
Die Firma Vyaire Medical stellt sich den Herausforderungen, die ihre Kunden im Bereich der Lungenfunktionsdiagnostik und Ergospirometrie haben. Dabei ist das VyntusTM CPX das Ergebnis aus über 60 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von Spiroergometrie-Systemen. Das leistungsstarke VyntusTM CPX ist ein präzises, zuverlässiges System, das die metabolische Reaktion des Probanden erfasst. Das System ist flexibel einsetzbar – von Kindern bis zu Erwachsenen, vom kranken Patienten bis hin zu zum Leistungssportler.
Die moderne Technik hat dazu beigetragen, dass der zusätzliche Mehraufwand zur Ergometrie nur noch minimal ist, während sich die Auswerte- und Diagnosemöglichkeiten vergrößert haben. So ist neben den einzelnen Messwerten wie die Sauerstoffaufnahme vor allem die graphische Aufbereitung von dynamischen Änderungen hervorzuheben.
Einsatz pyroelektrischer Detektoren in der Praxis
Ein Vorteil von pyroelektrische Detektoren liegt in der Vielseitigkeit ihrer Einsatzmöglichkeiten. Gase und Gasgemische detektieren und analysieren, die stoffliche Zusammensetzung organischer und anorganischer Verbindungen untersuchen, Flammen überwachen – all das ist in unterschiedlichster Form in einer Vielzahl von Branchen von großer Bedeutung. Anhand ausgewählter Beispiele können Sie einige der möglichen Anwendungen näher kennenlernen und gewinnen im besten Falle wertvolle Anregungen für die Lösung eigener Mess- und Prüfaufgaben.
