Berührungslose Detektion von Gaseinschlüssen bei der Dialyse

Schwingel, Jörg Hartmut

Die Zahl der allein in Deutschland von terminaler Niereninsuffizienz betroffenen Patienten lag in 2016 bei ca. 134.000. Heute sind Behandlungsmöglichkeiten im Bereich der Nephrologie, wie beispielsweise die Blutdialyse, von großer Bedeutung. Hierbei ist das Eindringen von Gas (Umgebungsluft) in den Blutkreislauf des Menschen strikt zu vermeiden, denn bereits kleinste Gasmengen können zu Komplikationen oder, im Extremfall zum Tode führen. Aktuell am Markt verfügbare ultraschallbasierte Sensorik ist in der Lage, im Blutkreislauf des Menschen eingeschlossene Gasblasen bis zu einer gewissen Größe zu detektieren. Jedoch kann mit Hilfe dieses Verfahrens weder eine Aussage über die tatsächliche Beschaffenheit des in den Blutkreislauf eingedrungenen Gases, das final eingenommene Gasvolumen, die eigentliche Gaskonzentration, noch zur detektierten Gasart, getroffen werden. An dieser Stelle setzt die vorliegende Forschungsarbeit an. Mit drei in dieser Arbeit neu entwickelten berührungslos wirkenden Detektionsverfahren auf induktiver, kapazitiver und optischer Basis sowie dem bereits marktüblichen Ultraschall-verfahren als Referenz ist es möglich geworden, die bislang noch nicht klassifizierbaren Größen wie eingenommenes Gasvolumen, tatsächlich vorhandene Gaskonzentration und detektierte Gasart zu erfassen und darzustellen. Die Frage nach Vorteilen durch eine mögliche Kombination der effizientesten Verfahren wird ebenfalls aufgegriffen und bewertet. In der vorliegenden Forschungsarbeit werden die genannten Verfahren im Einzelnen und mit unterschiedlichen Medien am Beispiel der Blutdialyse analysiert. Das induktive Verfahren arbeitet mit einer speziell entwickelten Spulenanordnung zur berührungslosen Gasblasen-detektion in Dialyseschläuchen, indem das den Schlauch durchströmende Medium mit den Gaseinschlüssen charakteristische Magnetfeldänderungen bei der Detektionsspule bewirkt, welche als Spannungssignal erfasst und ausgewertet werden. Die kapazitive Sensoranordnung basiert auf einem ähnlichen Prinzip. Hierbei wird bei einer Art Plattenkondensator durch ein dessen elektrisches Feld durchfließendes Medium, eine Änderung im elektrischen Feld als Spannungsänderung detektiert und ausgewertet. Im Fall der optischen Sensorapparatur wird ein größerer Aufwand betrieben. Hierbei wird der von einer Diode emittierte Lichtstrahl, zum einen durch den Dialyseschlauch mit dem diesen durchfließenden Medium geführt und mittels eines optischen Detektors wieder erfasst, zum anderen dieser ursprünglich emittierte Lichtstrahl als Referenz mit Hilfe eines zweiten optischen Detektors direkt erfasst. Das hierbei erhaltene Spannungsdelta dient als Maß für die zu bestimmenden Größen. Als das effizienteste Verfahren wird in dieser Arbeit eine Kombination aus dem kapazitiven und dem optischen Verfahren vorgestellt. Dabei werden die Vorteile des kapazitiven Verfahrens, welches die beste Möglichkeit der Gasklassifizierung liefert und die des optischen Verfahrens, mit der besten Detektionsmöglichkeit im Hinblick auf die Gasblasengröße, kombiniert. Der finale Sensorbau, entsprechende Testläufe sowie die zugehörige Steuerung sind, nicht Bestandteil dieser Arbeit.

The whole amount of patient that are suffering on renal insufficiency with terminal values in Germany for 2016 were rated at 134.000 people. Today, the ability of health concerning terms of nephrology, especially for hemodialysis, are of utmost importance. At this juncture, the ingression of gas into human circulation is to avoid strictly, because even a small amount of gas can lead to serious complication or in extrem cases it can lead to dead. The currently available ultrasonic sensors at market are able to detect gas bubbles up to certain dimensions. However, this procedure is neither able to give information about the real composition oft the ingressed gas, the final amount of gas, the gas concentration, nor the gas species. At this point, the present research project is starting. With these tree new inventions, contactless-acting methods of detection, as inductive, capacitive, optical and ultrasonic sound as a method of reference, it becomes possible to measure the so far not given but wanted information of ingressed gas. The question about a certain advantage, concerning a possible combination of best methods, is also discussed. In this present invention, these four named methods are analyzed for terms of hemodialysis for each separately and in combination of the best ones. The inductive method works with a special arrangement of coils, that are contactless-acting detectors for gas bubbles within the hemodialysis concerning the media in the flexible tube. These flowing media are responsable for changes at the magnetic field of the detector-coil that can be measured and rated by a difference of voltage. The capacitive method is based on a very similar concept. In this case the media causes a change of the electrical field of a plate condenser that can be measured and rated by a difference of voltage as well. In case oft the optical sensoric-hardware, the expenditure will be on a higher level. At this juncture, the emitted light beam of a diode is lead on the one hand through a flexible-tube, that is filled with media, on a first light-detector and on the other hand to a second light-detector directly as a reference. The measured potential difference serves as a proportion for the wanted parameter. As a method with its best results, this invention presents a combination of the capacitive- and the optical-method. In this case all advantage on, first the capacitive-method which is best for gas classification and second the optical-method which is best for gas bubble-detection, are combined. Finally, neither the construction of the contactless-acting sensor, test run nor the related control, are part of this present invention.

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Schwingel, Jörg: Berührungslose Detektion von Gaseinschlüssen bei der Dialyse. Hagen 2017. FernUniversität in Hagen.

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