mit Heizelement, Befeuchtungsmittel und

Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Insufflator mit Insufflationsschlauch mit integriertem Heizelement und Befeuchtungsmittel für die Laparoskopie, wobei der Heizdraht zur

Widerstandsmessung ausgelegt ist und einen Nachfüllalarm ermöglicht.

Hintergrund und Stand der Technik

Die Laparoskopie ist ein medizinischer Eingriff, bei dem die Bauchhöhle und die darin liegenden Organe visuell überprüft werden können. Hierzu werden üblicherweise kleine Hautschnitte (0,3 bis 2 Zentimeter) in die Bauchdecke gemacht und durch diese ein Trokar eingebracht, welcher wiederum eine optische Vorrichtung aufnehmen kann. Mithilfe eines speziellen Endoskops (Laparoskop) kann der Bauchraum eingesehen werden. Bei der diagnostischen Laparoskopie wird der Bauchraum lediglich visuell inspiziert, im Rahmen einer therapeutischen Laparoskopie können auch operative Eingriffe vorgenommen werden. Üblicherweise wird zu Beginn der Laparoskopie zunächst der Bauchraum mit Gas befüllt, um ein Pneumoperitoneum zu schaffen. Hierzu sind bereits verschiedene Gase verwendet worden, wie z. B. Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid (C0 ₂ ). Die Verwendung von Kohlendioxidgas hat sich besonders gut bewährt. Es wurde festgestellt, dass es, insbesondere bei längeren laparoskopischen Eingriffen sinnvoll ist, das eingeführte Gas einerseits zu erwärmen und anderseits zu befeuchten. Die Gaserwärmung dient dazu, den Patienten nicht abzukühlen, sowie ein diffuses Schmerzgefühl des Patienten zu vermeiden, welches wahrscheinlich eine Folge lokaler Abkühlung infolge des Eintritts von kaltem Gas ist. Die Befeuchtung dient dazu, einem Austrocknen der inneren Bauchoberflächen vorzubeugen, um die dabei entstehende Abkühlung zu vermeiden. Hierzu sind im Stand der Technik bereits Anregungen gegeben. So beschreibt beispielsweise die deutsche Patentschrift DE 19510710 eine Vorrichtung, die ein Mittel zur

Anpassung der Gasfeuchte vorsieht (beispielsweise einen Schwamm) und welche optional ein zusätzliches Heizelement enthalten kann. Die DE 10 2013 000492 A1 beschreibt einen Schlauch mit integriertem Heizelement für die Laparoskopie, welcher gleichzeitig ein Befeuchtungsmittel enthält. Gemäß dieser

Druckschrift wird das Befeuchtungsmittel vor einer Operation mit Wasser befeuchtet. Je nach Wasseraufnahme des dort beschriebenen Materials, dem Gasvolumenstrom und der Dauer der Operation kann intraoperativ eine Nachbefeuchtung des Befeuchtungsmittels nötig sein. Da die Verdunstungsrate des Wassers, von einer Anzahl von Parametern abhängt, kann bislang nur geschätzt werden, wann eine Nachfüllung möglich ist. Alternativ werden Ausführungen beschrieben, die einen Feuchtesensor zum Ermitteln der Gasfeuchte im Gaskanal anordnen. Damit verbinden sich allerdings mehrere Nachteile. Zum einen muss der Feuchtesensor elektrisch angebunden werden, was das Design der Filterschnittstelle komplizierter macht. Weiterhin erzeugt der Feuchtesensor einen nicht unerheblichen Strömungswiderstand im Gaskanal. Dieser führt zu einer geringeren Flussrate, die den aktuellen Flowanforderungen widerspricht.

Eine weitere Vorrichtung zur Befeuchtung von Gasen in der Medizintechnik wird in der DE 3617031A1 (Prioritäten: NZ 21263, NZ 215123 und NZ 214694) beschrieben. Im

Rahmen eines aufwändig herzustellenden Schlauchsystems ist ein stets wassergefüllter Schlauch vorgesehen. Über eine mikroporöse Schlauchwand wird Wasserdampf an das Gas abgegeben. Ein Sensor überwacht die Wassertemperatur.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Zustand des Befeuchtungsmittels in Bezug auf seinen Wassergehalt, d.h. den Wassergehalt des Befeuchtungsmittels zuermitteln, ohne die oben genannten Nachteile zu implementieren. Primäre Zielstellung ist die Generierung eines Nachfüllalarms/-signals, d. h. eines Signals, welches dem Benutzer mitteilt, wann eine Nachfüllung von Wasser nötig ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe„Wassergehalt des Befeuchtungsmittels" und„Feuchtigkeit des

Befeuchtungsmittels" als synonym angesehen.

Lösung der Aufgabe

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand der Patentansprüche, d. h. eine Insufflationseinrichtung mit Insufflationsschlauch, der seinerseits eine Heiz- und Befeuchtungseinrichtung aufweist. Die Messung des Wassergehalts des Befeuchtungsmittels erfolgt durch die Auswertung der Widerstandsmessung des Heizdrahtes. Die Erfindung betrifft daher eine Insufflationseinrichtung zur Verwendung in der Medizintechnik enthaltend

einen Insufflator zur Gasversorgung und einen Insufflationsschlauch,

wobei der Insufflationsschlauch in seinem Inneren ein Befeuchtungsmaterial enthält, wobei das Befeuchtungsmaterial Kontakt mit einem Heizelement hat,

wobei das Heizelement durch Anlegen eines Stroms aktivierbar ist,

wobei das Heizelement aus einem Draht besteht, wobei der Draht seinen Widerstand mit der Temperatur ändert,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Insufflator eine Vorrichtung zur Messung des Drahtwiderstandes enthält,

und dass der Insufflatorweiterhin eine Rechenvorrichtung enthält, die aus der gemessenen Widerstandsänderung des Heizdrahtes während des Heizvorgangs, den Wassergehalt des Befeuchtungsmaterials bestimmt.

Wie eingangs beschrieben, besteht die erfindungsgemäße Einrichtung zunächst aus einem Insufflator und einem Heizschlauch. Der Heizschlauch ist gemäß der Lehre der

DE 10 2013 000492 A1 ausgestaltet, d. h. im Schlauchinneren befindet sich ein Befeuchtungsmaterial in dessen unmittelbarer Nähe ein Heizelement positioniert ist. Das

Heizelement besteht dabei aus einem Heizdraht, der in bevorzugter Weise in Form einer Drahtwendel ausgeführt ist. Dieser Heizdraht kann sich im Innern des Schlauches befinden. Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der Heizdraht in die Schlauchwand eingearbeitet ist. Der Heizdraht hat üblicherweise eine Länge von 50 Zentimetern bis 10 Metern. Der Drahtdurchmesser beträgt typischerweise 0,25 bis2 Millimeter. Auf diese Weise kann eine Heizleistung von 5 bis 50 Watt erzielt werden. Wenn der Draht im Inneren des Schlauches positioniert ist, dann ist er in bevorzugter Weise in Form einer Wendel mit einem Durchmesser von 3 bis 4 Millimeter ausgeführt.

In unmittelbarer Nähe des Heizelementes, bevorzugterweise in direktem Kontakt, wird ein Befeuchtungsmaterial positioniert. Es handelt sich dabei um ein poröses Material, welches in der Lage ist, Flüssigkeit, insbesondere Wasser, aufzunehmen. Dieses Befeuchtungsmaterial kann beispielsweise die oben geschilderte Drahtwendel umschließen. Für den Fall, dass der Draht in die Schlauchwand eingearbeitet ist, ist es bevorzugt, dass das Befeuchtungsmaterial direkten Kontakt mit der Schlauchwand aufweist. Als Befeuchtungsmaterial kann im einfachsten Fall sterile Baumwolle verwendet werden, die in der Lage ist, eine gewisse Menge Wasser aufzunehmen. Alternativ können Schwämme, superabsorbierende Polymere (SAP), Löschpapier oder Material aus Phenolharzen verwenden werden. Alternative

Ausführungsformen sind denkbar.

Entscheidend für die erfindungsgemäße Verwendung ist es, dass für den Heizdraht ein Material verwendet wird, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Eine derartige Widerstandsänderung bei Temperaturänderungen des Heizdrahtes wird physikalisch über den Temperaturkoeffizienten definiert. Wünschenswert für den Heizdraht ist ein Material, bei dem der Widerstand zwischen 0 Grad und 100 Grad Celsius linear mit der Temperatur ansteigt, wobei die Steigerung ausreichend messbar ist. Wenn der Temperaturkoeffizient des Materials nicht linear verläuft, wird die Auswertung aufwendiger, ist aber dennoch realisierbar. Wünschenswert ist ein Widerstandsanstieg im genannten Temperaturbereich von 0,1 Ohm/K. Derartige Materialien sind beispielsweise Eisen, Nickel oder Legierungen hiervon. Derartige Produkte können auf dem Markt beschafft werden und benötigen an dieser Stelle keine weitere Erläuterung. Typische Heizdrähte für den erfindungsgemäßen Einsatz haben einen Widerstand von 2 bis 30 Ohm/m und weisen einen Durchmesser von 0,25 bis 2 Millimeter auf. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass diese Zusammensetzung des Drahtes und dessen Durchmesser über die gesamte Länge möglichst konstant sein müssen.

Ein derartiger Heizdraht von z. B. 6 Metern Länge und einem Widerstand von 3 Ohm/m kann in einem 3 Meter langen Schlauch integriert werden. Ist die Leistung des Drahtes pro Meter höher oder niedriger (wegen eines abweichenden Widerstandswertes), kann über eine Änderung der Drahtlänge die benötigte Heizleistung variiert werden.

Die Verwendung eines derartigen Drahtes erlaubt es, wie in der DE 10 2013 000489 A1 geschildert, die Temperatur des Drahtes ohne einen zusätzlichen Fühler zu messen. Hierzu wird der Widerstand des Drahtes gemessen und hieraus die Drahttemperatur berechnet. Beispiele hierfür sind der erwähnten Druckschrift DE 10 2013 000489 A1 genannt.

Um den Wassergehalt des Befeuchtungsmittels zu bestimmen, wird erfindungsgemäß das zeitliche Widerstandsverhalten des Heizdrahtes während des Heizvorgangs betrachtet. Bedingt durch die unterschiedlichen Eigenschaften des Heizsystems mit feuchtem

Befeuchtungsmittel gegenüber trockenem Befeuchtungsmittel ändert sich die zeitliche Charakteristik der Widerstandsänderung des Heizdrahtes infolge einer elektrischen

Anregung. Dieses Verhalten kann sowohl in der Heizphase einer Heizperiode als auch in einer Abkühlungsphase einer Heizperiode analysiert werden, um den Wassergehalt zu bestimmen. Der Widerstand des Heizdrahtes steigt je nach Wassergehalt des Befeuchtungsmittels infolge einer Anregung unterschiedlich schnell und unterschiedlich stark an. Bei einer plötzlich auftretenden und daraufhin andauernden konstanten Heizleistung erreicht der Heizdraht nach einer bestimmten Zeit, welche von der Systemfeuchtigkeit abhängig ist, ein thermisches Gleichgewicht, sodass der Widerstand nach Ablauf dieser „Aufheizzeit" nicht weiter ansteigt. Der Wert T ₁₀ o beschreibt die Zeitkonstante des

Heizsystems, welche der Zeit entspricht, in der 100% des stationären Endwertes erreicht sind. Im einfachsten Fall kann die Messung dieser Zeit T ₁₀ o zur Erreichung dieses stationären Endwertes als Aussage über den Wassergehalt herangezogen werden. Wird die Heizleistung ausgehend von diesem stationären Endwert plötzlich wieder deaktiviert, geht das System wieder in seinen Ausgangszustand zurück, wobei die„Abkühlungszeit" zum Erreichen dieses Ausgangszustands ab dem Zeitpunkt der Deaktivierung der Heizung ebenfalls von dem Feuchtegrad abhängt.Unter gleichen Bedingungen entspricht auch diese Zeit der Zeit T _W o-

Figur 1 zeigt einen Vergleich der Aufheizung und Abkühlung bis zum Erreichen des stationären Endwertes bei feuchtem und trockenem Befeuchtungsmittel.

Bis das thermische Gleichgewicht erreicht ist kann unterschiedlich viel Zeit vergehen.

Deswegen kann es sinnvoll sein, auch aus kurzen und unterschiedlich langen

„Heizimpulsen", die z.B. bei der Regelung mit einem Zweipunktregler auftreten, den

Befeuchtungsgrad zu bestimmen. Hierzu ließe sich beispielweise die Änderungsrate des Widerstandes über der Zeit auswerten. Dieses Verfahren wäre jedoch fehleranfällig, da diese Änderungsrate von verschiedenen Faktoren, bspw. der Heizleistung abhängig ist und im Falle einer Regelung nicht gewährleistet werden kann, dass die Heizleistung immer einen bestimmten Wert annimmt. Des Weiteren ist die Widerstandsänderungsrate zu

verschiedenen Zeiträumen während des Aufheizens oder Abkühlens wie in den Verläufen in Figur 1 dargestellt ist nicht konstant, sodass genaue„Triggerpunkte" definiert werden müssten.

Figur 2 zeigt einen Vergleich des Verlaufes des Drahtwiderstandes bei kurzen Heizimpulsen bei feuchtem und trockenem Befeuchtungsmittel.

Im Folgenden wird ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt, welches beliebig kurze Heiz- und Abkühlphasen erlaubt und dabei hinreichend genau und fehlertolerant den Befeuchtungsgrad ermitteln kann. Das Verfahren besteht darin, die zeitlichen Verläufe des Drahtwiderstandes in Abhängigkeit von der zeitlichen Anregung durch ein Modell zu beschreiben und die Parameter dieses Modells zur Laufzeit zu identifizieren.

Das Modell enthält dazu sowohl die Anregung als auch den Widerstand des Drahtes. Dieses Modell kann bspw. eine lineare Differentialgleichung erster Ordnung sein: T ₆₃ - R _H (t)+ R _H (t) = K - S _H (t)

R _H = Widerstand des Heizdrahtes

K = Verstärkungsfaktor

S _H = Zustand der Heizung (ON/OFF) In dem Modell beschreibt T ₆₃ die Zeitkonstante des Heizsystems, welche sofern das Modell zutrifft, der Zeit entspricht, in der 63% des stationären Endwertes erreicht sind. Der

Parameter K beschreibt die sogenannte stationäre Verstärkung. Mit einem geeigneten Algorithmus, bspw. einem rekursiven„Least-Square-Verfahren", kann eine diskrete

Formulierung dieses Modells an die abgetasteten Messwerte der Anregung und des Drahtwiderstandes durch die schrittweise Optimierung der Parameter r ₆₃ und K angepasst werden. Ähnlich der Berechnung eines gleitenden Mittelwertes kann dieser Algorithmus während der Laufzeit auf gemessene Verläufe, wie beispielhaft in Figur 1 oder Figur 2 dargestellt, angewandt werden. Weitergehende Informationen zur Parameteridentifikation linearer Systeme finden sich z.B. in Isermann, Mechatronische Systeme Grundlagen, 2. Aufl., Kapitel 7.2 Parameterschätzung für zeitdiskrete Signale, S. 339-343.

Figur 3 zeigt die Adaption des Modells an die Messung innerhalb von 5 s.

Durch das beschriebene Verfahren ist die Ermittlung von T ₆₃ auch aus kurzen dynamischen Verläufen, wie in Figur 2 dargestellt, und somit ein Rückschluss aufden Wassergehalt des Befeuchtungsmittels möglich. Die Werte von T ₆ 3 für die Ermittlung des Wassergehaltes nach dem dargestellten Verfahren hängen von der genauen Schlauchspezifikation ab. Es ist daher sinnvoll, jede unterschiedliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schlauches auszumessen und die gemessenen Werte dann zur Grundlage der Einstellung des Insufflators zu machen. Wie bereits in der Druckschrift DE 10 2013 000489 A1 beschrieben, erfolgt die Anpassung der Heizleistung an den tatsächlichen Bedarf (in Abhängigkeit von Außentemperatur und Gasvolumenstrom) durch Verlängerung oder Verkürzung der Heizzyklen. Für die erfindungsgemäße Verwendung kann es daher erforderlich sein, spezielle Messzyklen zur Messung des Befeuchtungsgrades des Befeuchtungsmittels zu definieren und in die beschriebene Regelung kurzzeitig einzugreifen. So könnte beispielsweise ein Mal pro Minute in einem gesonderten Messintervall eine fünfsekündige Heizphase mit genau definierter Heizleistung erfolgen. Andere Gestaltungen der Messzyklen sind ohne Weiteres denkbar. In Analogie zu der Beschreibung in der DE 10 2013 000489 A1 ist es natürlich möglich, die genauen Kennwerte des individuellen Heizschlauchs (Temperaturkoeffizient im Bereich von 0 bis 100 Grad Celsius, Abhängigkeit der Gas-Temperatur am Schlauchausgang von Heizleistung und Gasvolumenstrom, Aufheizraten in Abhängigkeit von Feuchtigkeit des Befeuchtungsmittels) im Rahmen der Produktion des Schlauches zu messen und auf einen Flash-Speicher zu schreiben, der (beispielsweise) am maschinenseitigen Schlauchanschluss positioniert ist. Bei Anschluss des Schlauches an das Insufflationsgerät können so beispielsweise die Daten an das Gerät übertragen und zur weiteren Verwendung bereitgestellt werden.

Im Rahmen des klinischen Einsatzes kann davon ausgegangen werden, dass sich die Umgebungsparameter (Temperatur, Luftdruck, Gasfeuchtigkeit am Schlaucheingang weder während einer Operation, noch von Operation zu Operation ändern.

Die Erfindung betrifft daher auch ein Verfahren zur Messung des Wassergehaltes eines Befeuchtungsmittels, welches sich in einem Schlauch befindet, welcher von einem Gas durchströmt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Heizdraht in Intervallen beheizt wird,

b) der Widerstand des Heizdrahtes zu mindestens zwei Zeitpunkten während des

Heizintervalls gemessen wird,

c) dass aus den ermittelten Widerständen eineWiderstandsänderung, eine

Widerstandsänderungszeit oder eineZeitkonstante (T ₁₀ o, T ₆₃ ) berechnet wird

und

d) dass aus der Auswertung der Widerstandsänderung, der Widerstandsänderungszeit oder der Zeitkonstanten der Wassergehalt des Befeuchtungsmittels bestimmt wird.

In einer speziellen Ausgestaltung des Verfahrens wird die benötigte Zeit zur Änderung des Drahtwiderstandes um einen definierten Wert (z.B. einer Widerstandsänderung, die einer Temperaturänderung von 0, 1 °C, 0,5°C, 1 °C oder 2°C entspricht) nach Aktivierung oder Deaktivierung des Heizstroms zur Bestimmung des Wassergehaltes des Befeuchtungsmediums verwendet.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Änderung des Drahtwiderstandes nach Aktivierung oder Deaktivierung des Heizstroms für eine definierte Dauer (z.B. 0,1 s, 0,5s, s, 2 s oder 5s) zur Bestimmung des Wassergehaltes des Befeuchtungsmediums verwendet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Feuchtigkeit des Befeuchtungsmittels erstmals mit der erforderlichen Genauigkeit ohne einen zusätzlichen Feuchtesensor gemessen werden. Auf diese Weise ist es möglich, ein Alarmsignal auszulösen, wenn die Feuchtigkeit des Befeuchtungsmittels einen voreingestellten Schwellenwert unterschreitet. Der voreingestellten Schwellenwert kann zum Beispiel 50%, 40%, 30%, 20 %, 10% oder 5% der maximalen Feuchtigkeit betragen. Nach der Auslösung des Alarmsignals kann das medizinische Bedienpersonal beispielsweise Wasser nachfüllen.

Der Fachmann auf dem Gebiet kann alternative und/oder ergänzende Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne erfinderisch tätig werden zu müssen.