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Vorrichtung zur elektronischen Messung des Atemvolumens aus dem Elektrokardiogramm
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Gerät zur Messung des Atemvolumens durch geeignete Abnahme und Auswertung der vom Herzmuskel abgegebenen elektrischen Aktionsspannung, d. h. aus dem Elektrokardiogramm.
An Verfahren zur Messung des Atemvorganges sind vor allem jene standardisierten Methoden anzuführen, die auf Messung und Analyse der durch Mund bzw. Nase strömenden Atemluft beruhen.
Hiezu gehören unter anderem der traditionelle Spirograph, sowie der neuerdings vor Nase und Mund montierte Thermistor. Weiters ist durch eine in die Speiseröhre eingeführte Sonde die Messung des
Druckes in der Lunge möglich. Der Strömungswiderstand in der Lunge kann mit Hilfe des sogenannten
Körperplethysmographen (österr. Patentschrift Nr. 204684) registriert werden. An Verfahren, die keine
Apparaturen am Kopf der Versuchsperson benötigen, gibt es neben dem um den Brustkorb montierten
Dehnungsmessstreifen, der heute fast nicht mehr verwendet wird, nur noch allgemeine Messverfahren, wie die Impedanzplethysmographie oder das Ultraschall-Echolot.
Die Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung bestehen darin, dass die Versuchsperson in keiner Weise belästigt oder mit einer feststehenden Apparatur mechanisch gekoppelt ist und darüber hinaus keine äussere Spannung an die Versuchsperson angelegt wird. Die Messmethode bietet sich vor allem in jenen Fällen an, wo neben der Atmung zusätzlich eine Registrierung der Pulsfrequenz oder des Elektrokardiogramms gewünscht wird, da nun sowohl Atmung als auch Elektrokardiogramm und Pulsfrequenz mit nur zwei Elektroden abgenommen werden können.
Im folgenden Absatz werden physiologische Grundlagen, die zum Verständnis des Messprinzipes notwendig sind, beschrieben (EKG-Fibel, R. Heinecker ; G. Thieme-Verlag). Nach dem bioelektrischen Grundgesetz weist der erregte Teil einer Muskelfaser gegenüber dem nicht erregten Teil ein elektrisch negatives Potential auf (Aktionspotential). Dies gilt analog nicht nur für den gesamten Muskel, sondern auch für Muskelgruppen (Summationsvektor). Als Elektrokardiogramm (EKG) bezeichnet man die elektrische Aktivität des Herzens (Herzaktionspotential). Einzelne Teile des charakteristischen zeitlichen Potentialverlaufes des EKG werden mit Buchstaben bezeichnet, die im Potentialverlauf meist höchste Zacke wird als R-Zacke bezeichnet.
Betrachtet man den Körper als Ganzes, so kann jedem Muskel des Herzens eine bestimmte Richtung zugeordnet werden, jede Muskelaktionsspannung kann daher als Vektor angesehen werden, da das negative Potential des erregten Teiles gegenüber dem nicht erregten Teil durch Amplitude und Richtung charakterisiert ist. Da der Körper eine gewisse elektrische Leitfähigkeit hat, kann das durch die Muskelkontraktion hervorgerufene elektrische Feld innerhalb des Körpers und an der Oberfläche mittels Elektroden abgetastet und ein Summationsvektor aus mehreren Messungen rekonstruiert werden. Der grösste Summationsvektor des Herzens entspricht üblicherweise
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österr. PatentschriftNr. 154240) ; die bei der Vektorkardiographie verwendeten Geräte sind nicht nach dem erfindungsgemäss beschriebenen Prinzip gebaut.
Der Fusspunkt des Hauptvektors liegt im Bereich des sogenannten Herzspitzenstosses, der im weiteren näherungsweise als Ursprung eines skelettfesten, rechtwinkeligen Koordinatensystems angenommen wird.
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Fig. l zeigt den von rechts unten nach links oben verlaufenden Hauptvektor in einer Frontalebene.
Die horizontale und vertikale Komponente des Vektors wurden eingezeichnet.
Eine Änderung der Amplitude jeder an der Körperoberfläche gemessenen Komponente des
Hauptvektors ist hauptsächlich aus folgenden Gründen möglich : l. Amplitudenänderung des
Hauptvektors ; 2. Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Körpers, die durch die Luftfüllung der
Lunge bei der Einatmung zustande kommt (Modern Electrocardiography, E. Lepeschkin, M. D. Dresden & Leipzig, Steinkopf 1957) ; 3 : Verschiebung oder Drehung des Hauptvektors. Diese kommt bei der
Atmung zwangsläufig durch die mechanische Koppelung"Lunge-Herz"zustande. Unter der üblicherweise gesicherten Voraussetzung der Amplitudenkonstanz des Hauptvektors ist demgemäss die
Erfassung von Ein-und Ausatmung durch exakte Messung der Amplitude einer Komponente des
Hauptvektors möglich.
Die atembedingte Drehung des Hauptvektors ist in Fig. 1 strichliert eingezeichnet. Die an der
Körperoberfläche gemessene horizontale Komponente des Hauptvektors (Linie--C, D--) nimmt dabei um AU zu. Der Spannungsverlauf des EKG ist in Fig. 3, Diagramm--B--skizziert. Die Diagramme in
Fig. 3 sind zeitlich synchron untereinander gezeichnet. Auf der Abszisse entspricht einem Zeitintervall von 1 sec der Abstand 7, 5 mm, die Ordinaten sind in Volt kalibriert. Diagramm-A-zeigt den beispielsweisen Verlauf des Atemvolumens, ausgehend von einer Atemmittellage, die als Grenzwert einer extrem flachen Atmung angesehen werden kann. Ein absoluter"Volumswert Null"kann aus biophysikalischen Gründen bekanntlich nicht exakt eingezeichnet werden ("Experimentelle Atelektasen und Oberflächenspannung in der Lunge", H. Benzer, H.
Thoma et al. ; Respiration 26 : 122-140/69).
Das erste Maximum entspricht im beispielsweisen Volumsverlauf, die Atmung ist ja eine willkürliche
Funktion, dem Ende der Einatmung, das Minimum entspricht dem maximalen Expirationspunkt. Fig. 1 zeigt, dass eine Schwankung des Hauptvektors zufolge der Vektorgesetze je nach der Abnahmestelle eine
Vergrösserung oder Verkleinerung der gemessenen Komponente zur Folge hat. Erfindungsgemäss kann daher einerseits durch Messung einer Komponente der Atemverlauf bestimmt werden, anderseits kann durch Differenzbildung des grösser werdenden Anteiles von der kleiner werdenden Komponente eine
Verdoppelung des Effektes erreicht werden. Durch diese Differenzbildung werden auch
Amplitudenschwankungen des Hauptvektors (vergl. letzter Absatz, Punkt 1) weitgehend eliminiert.
Atembedingte Vergrösserungen und Verkleinerungen der Vektokomponenten des Hauptvektors kommen auch bei der schon erwähnten Parallelverschiebung des Hauptvektors und bei der Leitwertsänderung des umgebenden Elektrolyten zustande. Fig. 1 zeigt somit nur die Auswirkung der Drehung des
Hauptvektors, während im Einzelfall eine Superposition aller möglichen Amplitudenänderungen zustande kommt, und die Trennung der einzelnen Komponenten wie Drehung, Parallelverschiebung und
Leitwertsänderung mit Schwierigkeiten verbunden ist.
Das Messprinzip dient jedoch hauptsächlich nur der Erfassung von Ein-und Ausatmung bzw. der
Abschätzung der relativen Atemtiefe. Wenn auch nach Festlegung einer bestimmten Abnahmestelle eine
Kalibrierung von Atemvolumen und Amplitudenänderung der R-Zacke durch Vergleich mit einem geeichten Messgerät (Spirograph) möglich ist, so ist doch zu beachten, dass grundsätzlich die Bewegung des Herzens gemessen wird und das Herz nur auf Grund der räumlichen Nachbarschaft zur Lunge deren . Bewegung mitmacht. Trotzdem ist eine solche Kalibrierung durch Vergleich mit einem geeichten Messgerät erfahrungsgemäss bei narkotisierten Patienten oder solchen, deren Atemtätigkeit maschinell aufrecht erhalten wird, mit guter Genauigkeit möglich.
Es besteht jedoch immer, pathologische Zustände ausgenommen, eine bestimmte Phasenlage zwischen den Funktionen"Amplitudenschwankung des registrierten Herzaktionspotentials" (hauptsächlich der R-Zacke) und dem Atemverlauf. Die Abnahmestellen sind relativ unkritisch, mit Ausnahme solcher Punkte, die in Richtung des Hauptvektors liegen, da in diesem Fall möglicherweise bei Ein-und Ausatmung ein Minimum der R-Zackenamplitude auftreten kann, eine praktisch realisierbare Tatsache, die sich aus den Vektorgesetzen ergibt.
Im folgenden wird das Blockschema einer beispielsweisen Ausführungsform beschrieben. Es
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Bandpasscharakter, dessen Aufgabe darin besteht, nur den Spektralbereich der R-Zacke aus dem EKG durchzulassen,--E--ein Regemetzwerk, das eine kalibrierte Ablesung sowohl der Spannungsamplitude der R-Zacke, als auch der Schwankung dieser Amplitude ermöglicht und-F-- einen C-Verstärker zur Verstärkung der Spitze der R-Zacke. In Fig. 3, Diagramm--C--sind die verstärkten Spitzen der R-Zacken skizziert.
Weiters bedeuten in Fig. 2 die Funktionseinheit--G-- einen Impedanzwandler und--Y--einen Speicherkondensator, der den Spitzenwert der R-Zacke bis
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zum nächsten Herzschlag speichert. Über einen Impedanzwandler--Z--in Form eines
Feldeffekttransistors kann die vom Kondensator-Y-gespeicherte Spannung am Messwerk--U-- abgelesen und mittels allgemeiner Registriergeräte fortlaufend registriert werden, wobei die
Ausgangsspannung eventuell mit einem Integrierglied--N--geglättet werden kann.
Vor der Speicherung des Spitzenwertes muss der letzte Wert gelöscht werden. Der Anstieg des
Potentials der R-Zacke löst die folgenden Stufen aus :--K--bedeutet einen Gleichspannungs- Impulsverstärker,-L-einen monostabilen Multivibrator, der die Aufgabe hat, alle innerhalb
150 millisec nach einem Herzschlag anfallenden Impulse, die ja einer Störung entsprechen, zu unterdrücken.--M--entspricht einem monostabilen Multivibrator, der die Löschzeit mit 0, 5 millisec bestimmt und-X--bezeichnet den Löschtransistor zur Löshung der am Kondensator--Y-- befindlichen Ladung.-J--entspricht einem Stabilisierungsteil, der von der Batterie-H-- abgegebenen Speisespannung des Gerätes.
In Fig. 3 sind in den letzten beiden Diagrammen die registrierbaren Ausgangsspannungen skizziert.
Diagramm--D--zeigt den Spannungsverlauf am Speicherkondensator, der in diesem Fall einer stufenförmigen Appromaxion der Atemvolumskurve--A--entspricht. Da die Löschung der Ladung des Speicherkondensators--Y-in nur 0, 5 millisec erfolgt, ist dieser kurze Rückstellimpuls in der
Skizze nicht eingezeichnet ; der Rückstellimpuls wird auch von den im medizinischen Bereich verwendeten Registriergeräten nicht angezeigt.--E--zeigt den mit Hilfe eines Tiefpasses aus der
Treppenkurve-D-gewonnenen Spannungsverlauf, der einer besseren Approximation an die Volumskurve-A-entspricht. Erst durch diesen Tiefpass ist die vom Mediziner gewünschte Form des Kurvenverlaufes gegeben.
Wie schon erwähnt, kann durch Differenzbildung zweier gegenphasiger Signale, beispielsweise der in Fig. 1 horizontal und vertikal verlaufenden Komponenten, eine störende Amplitudenänderung des Hauptvektors kompensiert werden. Das Diagramm in Fig. 2 wäre dann derart umzudeuten, dass--A-- einen Differenzverstärker zur Abnahme und Verstärkung der in der vertikalen Linie--A-B-- auftretenden Vektorkomponente darstellt, und--B--einem analogen Verstärker zur Abnahme und Verstärkung des horizontalen Signals entspricht. Die in der Funktionseinheit--C--gebildete Differenzspannung der beiden Signale ist dann weitgehend unabhängig von Amplitudenschwankungen des Hauptvektors, während Winkeländerungen die doppelte Spannungsausbeute bedingen (2 AU).
Die weitere Verarbeitung des Signals entspricht der im letzten Absatz beschriebenen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur elektronischen Messung des Atemvolumens aus dem Elektrokardiogramm auf Grund der mechanischen Koppelung von Lunge und Herz, g e k en n z e i c h n e t d u r c h einen Speicher (Y), in dem der jeweils maximale Amplitudenwert der höchsten Zacke (R-Zacke) des EKG elektronisch gespeichert wird, und durch eine Triggereinrichtung (K, L, M, X), deren Ausgangssignal bei Eintreffen jeder R-Zacke den vorhergehenden, gespeicherten Amplitudenwert löscht, wobei die Amplitudenfolge als Mass für den Atemvolumsverlauf in einem Anzeige-oder Registriergerät fortlaufend angezeigt bzw. registriert wird.