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Gerät zur fortlaufenden Messung des Atemwiderstandes
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur fortlaufenden Messung des Atemwiderstandes. Insbe- sondere bezieht sie sich auf ein Gerät, bei welchem in den Weg der Atemluft ein Strömungswiderstand geschaltet ist, an dem der daran entstehende Druckabfall gemessen wird. Die Atemwege setzen der durchströmenden Luft einen gewissen Widerstand entgegen, der bei der Expiration durch einen Überdruck, bei der Inspiration durch einen Unterdruck im Alveolargebiet überwunden werden muss. Der Strömungswiderstand ist in den oberen Luftwegen erheblich von der Luftgeschwindigkeit abhängig, während er in den unteren Luftwegen nur wenig hievon beeinflusst wird.
Dies hängt damit zusammen, dass die Luft in den oberen Luftwegen stärker verwirbelt ist, in den feineren Verzweigungen dagegen fast laminar strömt. Aus dem Poiseuilleschen Gesetz, ist zu entnehmen, dass beim Vorliegen laminarer Strömung der Luftwiderstand in einer Röhre vom Rohrdurchmesser äusserst stark, nämlich in der 4. Potenz, abhängt. Eine Verminderung des Lumens auf die Hälfte z. B. erhöht den Strömungswiderstand auf das 16fache.
Die Messung desStrörrungswiderstandes in den unteren Luftwegen kann daher als besonders empfindlicher Indikator für die Weite der Bronchien und ihre Veränderungen dienen.
Zur Messung des Atemwiderstandes sind bereits verschiedene Verfahren bekannt geworden. So ist es z. B. bekannt, während der Atmung gleichzeitig die Pleuradruckkurve und ein Pneumotachogrammzu schreiben. Man erhält denAlveolardruck und als Quotienten von Alveolardruck durch Strömungsgeschwindigkeit den Atemwiderstand. Die Notwendigkeit einer Pleurapunktion schränkt den Anwendungsbereich der Methode natürlich stark ein. Ferner ist auch ein Verfahren bekannt, den Alveolardruck unblutig zu messen. Die Atemluft wird dabei durch einen Fleisch'schen Pneumotachographen geleitet, dessen Anzeige über eine Differentialdruckkapsel die Strömungsgeschwindigkeit liefert.
Wird die Öffnung des Pneumotachographen plötzlich verschlossen, so fällt mit dem Sistieren des Luftstroms die Ursache für die Druckdifferenz zwischen Lunge und peripheren Atemwegen weg. Da es nur der Verschiebung einer sehr kleinen Luftmenge von der Grössenordnung eines cams bedarf, um den Luftdruck im Mund an den Alveolardruck anzugleichen, dauert der Ausgleich nur einige Tausendstel Sekunden. Sobald er vollzogen ist, beginnt durch die atembedingte Volumenänderung der Lunge in allen Teilen des nunmehr nach aussen abgeschlossenen Systems eine starke Druckänderung, welche die Atembewegung alsbald stillegt, wenn nicht der Verschluss vorher wieder geöffnet wird. Registriert man den Druck im Pneumotachographen durch eine genügend trägheitsarm Vorrichtung, z.
B. eine Franksche Kapsel mit optischer Schreibung, so erhält man Kurven, die man als Verschlussdruckkurven bezeichnet. Diese Verschlussdruckkurve zeigt im Moment der Unterbrechung einen steilen Anstieg, bzw. Abfall, je nachdem der Verschluss während der Exspirationsoder Inspirationsphase erfolgte. Dieser steile Teil entspricht dem Ausgleichsvorgang. Sobald er beendet ist, geht die Kurve mit einem Knick in einen flacheren Verlauf über. Der an der Knickstelle angezeigte Druck entspricht dem ungestörten Alveolardruck, wenn die Registrierung genügend trägheitsfrei ist. Unter der gleichen Voraussetzung kann die Berechnung des Atemwiderstandes unter Zugrundelegung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgen, welche unmittelbar vor der Unterbrechung herrschte.
Auch diesem verbesserten Verfahren haften jedoch noch gewisse Nachteile an. Die Knickstelle in der Registrierkurve ist nicht selten so wenig ausgeprägt, dass eine genaue Druckablesung sehr schwierig ist. Die völlige Unterbrechung des Atemstromes ruft ausserdem trotz ihrer kurzen Dauer bereits gewisse reflektorische Reaktionen im Atemmechanismus hervor. Dieser Nachteil kann in bekannter Weise dadurch vermieden werden, dass man eine völlige Absperrung der Atemluft unterlässt und nur den Widerstand des
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Pneumotachographen kurzzeitig etwas verändert. Die bekannte Anordnung besitzt eine Gabelung für den Strom der Atemluft, an deren Enden zwei Widerstände angeschlossen sind. Einer dieser beiden Stromungswiderstände wird durch eine motorbetriebene Sektoienscheibe in jeder Atemphase drei-bis viermal kurzzeitig verschlossen.
Solange beide Widerstände offen sind, kann die Luft durch diese widerstände strömen, der resultierende Widerstand ist kleiner als jeder der beiden Einzelwiderstände. Wird durch die Sektorenscheibe der eine Widerstand verschlossen, so steigt der zu überwindende Luftwiderstand auf den Wert des Einzelwiderstandes, der noch offen ist, an. Die Franksche Kapsel, die zur Registrierung angeschlossen ist, schreibt eine Pneumotachographenkurve, deren Eichung mit dem Gesamtwiderstand vorgenommen wird. Durch die vorübergehenden Widerstandserhöhungen beim Verschluss des einen Widerstandes werden auf die Kurve Zacken aufgesetzt, die ähnlich aussehen wie die, welche bei dem Verfahren gewonnen werden, das mit völligem Verschluss arbeitet.
Der Alveolardruck lässt sich jetzt nicht mehr direkt ablesen, kann jedoch aus den angezeigten Druckwerten vor und nach der Unterbrechung berechnet werden. Die Endformel für den gesuchten Wert W des inneren Atemwiderstandes ergibt sich in bekannter Weise mit
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dabei bedeutet W den Widerstand, den der Pneumotachograph bei Einschaltung beider Widerstände besitzt, W. den Widerstand des Pneumotachographen, wenn der eine zuschaltbar Widerstand abgeschlossen ist, ferner p den Druckabfall am Pneumotachographenwiderstand, wobei der Index o bzw. z den Zu- stand bei offenem bzw. geschlossenem Widerstand Wi bezeichnen soll.
Die Erfindung baut auf diesem Verfahren auf. Sie betrifft ein Gerät, das erlaubt, diese Messungen mit besonderer Genauigkeit und Sicherheit auszuführen, dabei einfach in der Herstellung und Bedienung ist, sowie leicht zerlegt und damit desinfiziert werden kann. In der Praxis hat sich nämlich gezeigt, dass die bekannte Parallelschaltung der beiden Strömungswiderstände technisch schwierig zu verwirklichen'st und dass der Verschluss mittels einer Sektorenscheibe, wie bei dem bekannten Gerät, zu lange Verschlusszeiten und damit Ungenauigkeiten bei der Messung ergibt.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden. Sie setzt ein Gerät zur fortlaufenden Messung des Atemwiderstandes, bei welchem in den Strömungsweg der Atemluft ein Strömungswiderstand geschaltet ist, ändernder entstehende Druckabfall gemessen wird, wobei dieser Strömungswiderstand periodisch kurzzeitig verändert und aus den sich dabei ergebenden Druckänderungen der Atemwiderstand berechnet wird, als bekannt voraus. Es ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass zwei hintereinander geschaltete Strömungswiderstände vorgesehen sind, zwischen denen ein schnell verschliessbares Ventil angeordnet ist. Vorzugsweise ist der in Strömungsrichtung gesehen erste Strömungswiderstand kleiner, der zweite grösser als der normale, zu messende Atemwiderstand.
Weiterhin soll das Ventil aus zwei ineinandergesteckten, eng aneinander liegenden Hohlzylindern bestehen, deren Wandungen in Deckung befindliche, lange und schmale, in axialer Richtung verlaufende Schlitze besitzen, wobei der eine Zylinder gegenüber dem andern zur Schliessung der Schlitze und damit des Ventils um einen entsprechenden Winkel verdreht werden kann.
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben werden. Dabei bedeutet die Fig. 1 ein Schema nach der erfindungsgemässen Anordnung, Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Fig. l, Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2 und Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines in Fig. 1 schematisch als Dreiwegehahn angedeuteten Ventils. Dabei bedeutet 4a die eine Stellung und 4b die andere Stellung, die das Ventil einnehmen kann.
Die in Fig. 1 schematisch gezeichnete Anordnung besteht aus einem Einlassstutzen 1, der mit einem Mundstück versehen sein kann, durch welches die ausgeatmete Luft eingeblasen wird, aus einem ersten Strömungswiderstand 2, aus einem zweiten Strömungswiderstand 3, aus einem ersten Ventil 4, aus einem zweiten Ventil 5, aus einem Druckwandler 6 und aus einem allenfalls anzuschliessenden Registriergerät 7.
Der Druckwandler 6 und das Registriergerät 7 können ganz beliebig ausgebildet sein, beispielsweise kann eine Franksche Kapsel Verwendung finden, anderseits kann aber auch ein elektrischer Druckwandler, z. B. ein Kondensatormikrophon, eine piezoelektrische Einrichtung od. dgl. in Verbindung mit einem üblichen Registriergerät, z. B. einem Gleichstromschreiber verwendet werden. Das Ventil 5 wird später noch näher beschrieben werden.
Die Einrichtung aus Fig. l arbeitet folgendermassen : Zunächst ist das Ventil 4 geöffnet. Die vom Stutzen 1 durch den ersten Strömungswiderstand 2 strömende ausgeatmete Luft entweicht auf diesem bequemen Wege, nämlich durch das Ventil 4 zur Atmosphäre, ohne den Widerstand 3 zu durchströmen.
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hoch zu halten. Bei geschlossenem Ventil 4 muss die Atemluft nun ausser den Strumungsw. derstand 2, auch den Strömungswiderstand 3 durchströmen. Die Druckverhältmsse im Raum 8, die durch den Druckwandler 6 angezeigt werden, ändern sieb also entsprechend, hieraus kann in bekannter Weise der Widerstand der Atmungsorgane berechnet werden.
Die maximale Messgenauigkeit der Anordnung lässt sich dann erreichen, wenr der Stròmungswider- stand 2 kleiner, der Strömungswiderstand 3 dagegen grösser ist als der norrralerweise zu messende Widerstand der Atmungsorgane. Da sich der normale Widerstand der Atmungsorgane etwa in der Grössenordnung von 0,3 mm H20 pro Uter/min beträgt, haben sich als geeignete Werte für den Widerstand 2 etwa 0,2, für den Widerstand 3 etwa 0, 4 mm HO pro Liter/min als zweckmässig erwiesen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der in. Fig. 1 schematisch dargestellten, erfindungsgemässen An- ordnung ist in Fig. 2 im Schnitt gezeichnet.. Diese Anordnung besitzt den Vorzug, dass sie einfach 1m Aufbau uid in der. Herstellung ist, dass sie leicht und sicher zusammengesetzt werden kann, ohne dass Verwechslungen der einzelnen Teile möglich sind und dass die Anordnung im ganzen sehr leicht zerlegt werden kann, so dass eine Sterilisierung der einzelnen Teile ohne weiteres möglich ist. Die Anordnung nach Fig. 2 besteht im wesentlichen aus zwei mit Ansatzstutzen versehenen Kappen 10 und 11, die auf die Enden eines Hohlzylinders 12 aufgesteckt sind. Die Verbindung der Kappen 10 mit dem Hohlzylinder bzw. Rohr 12 kann auf irgendeine geeignete Weise, z.
B. durch einen Bajonettverschluss, durch ein Gewinde oder durch eine Nase, die in eine entsprechende Führung eingreift, bewerkstelligt werden. In den beiden Kappen 10 und 11 sind die, in bekannter Weise als Siebe ausgebildeten Strömungswiderstände 2 und 3 angeordnet. Die Kappen 10 bzw. 1. 1 und die die Siehe tragenden Ringe 2a bzw. 3a sind vorzugsweise mit entsprechenden Vorrichtungen ausgestattet, die ein Verwechseln der beiden Siebe unmöglich machen ; es soll also das Sieb 2 nur in die Kappe 10, das Sieb 3 nur in die Kappe 11 eingeführt werden können. Dies kann z. B. durch entsprechende Ausfräsungen an dem Halter 2a und den entsprechenden Nasen in der Kappe 10 bewerkstelligt werden, die anders ausgeführt sind als die entsprechenden Nasen undAusfräsungen am Ring 3a bzw. der Kappe 11.
Zwischen den beiden Kappen 10 und 11 liegt nun ein weiterei Hohlzylinder bzw. ein Rohr 13, welches das Rohr 12 eng umschliesst und gegenüber diesem verdreht werden kann. Beide Rohre besitzen Durchbrüche in Form von länglichen Schlitzen. Diese Schlitze liegen in einer Richtung, die der Achsrichtung des Höhlzylinders entspricht. Sie sind in den Rohren 12 und 13 so angeordnet, dass sie bei entsprechender Verdrehung der Rohre gegeneinander zur Deckung gelangen und daher der Luft aus dem Innenraum des Hohlzylinders 12 zu der Atmosphäre ausserhalb des Zylinders 13 einen ungehinderten Durchtritt ermöglichen. Durch eine kleine Verdrehung des Rohres 13 gegenüber dem Rohre 12 um etwa eine Schlitzbreite kann jedoch dierer Durchtritt der Luft völlig unterbunden werden.
Diese Anordnung stellt also ein sehr schnell -chliessendes Ventil dar, das im offenen Zustand der Luft keinen nennenwerten Widerstand entgegensetzt, im geschlossenen Zustand ein Durchströmen der Luft jedoch völlig verhindert.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Anordnung in Fig. 2 längs der Linie A-A gezeichnet. Aus Fig. 3 ist die koaxiale Lage oer beiden Hohlzylinder 12 und 13 deutlich ersichtlich, die Stellung beider Zylinder ist dabei so gezeichnet, dass die Schlitze 15 sich in Deckung befinden, das Ventil also geöffnet ist. Der innere Zylinder 12 ist mit den Kappen 10 und 11 fest verbunden, die wiederum in den ringförmigen Lagern 16 und 17 liegen. Die Lager 16 und 17 sind an der Apparatur bzw. einem Stativ befestigt. Der Zwischenring 18 (Fig. 2) wird später noch näher erläutert werden. Dieser feststehenden Anordnunggegen- über ist der äussere Hohlzylinder 13 dagegen drehbar angeordnet. Die Drehung wird vorzugsweise durch sinen Elektromagneten 19 bewerkstelligt, welcher mit dem Zylinder 13 über einen Hebel 20 und eine Nase 14 in Verbindung steht.
Wenn die Spule 21 des Elektromagneten 19 unter Strom gesetzt wird, wird ier Anker 22 in die Spule hineingezogen, und der Hebel 20 bewegt die Nase 14 nach oben. Dadurch werden iie beiden Zylinder gegeneinander verdreht, und die Schlitze 15 sind nicht mehr in Deckung, das Ventil Ist also geschlossen. Wird die Spule wieder stromlos, so wird der äussere Hohlzylinder 13 durch die am ebel 20 angebrachte Zugfeder23 nieder in seine Ruhelage zurückgeführt, das Ventil öffnet sich wieder. Die Steuerung des Elektromagneten 19 kann beispielsweise durch einen Elektromotor, welcher über eine Nockenscheibe einen Kontakt betätigt-erfolgen.
Damit das als Strömungswiderstand dienende Sieb nicht durch Kondenswasser aus der Atemluft veritopft wird, was die Messergebnisse natürlich verfälschen würde, sollen die Strömungswiderstände, vorzugsweise der dauernd von Luft durchströmte erste Strömungswiderstand, nämlich das Netz 2, geheizt werden. Es ist bereits bekannt, ein als Strömungswiderstand dienendes Netz durch direkten Stromdurchgang
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