DD257584A1 - Vorrichtung zur bestimmung des mechanischen widerstandes des atmungssystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des mechanischen Widerstandes des Atmungssystems aus den bei der Oszillationsmethode gemessenen analogen Signalen Oszillationsdruck und Oszillationsfluss. Das Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, ist die atemmechanische Funktionsdiagnostik bei Menschen und Tieren. Ziel der Erfindung ist eine automatische und kontinuierliche Berechnung der atemmechanischen Parameter Resistance und Reactance waehrend der Untersuchung des Probanden, wobei die gesamte Information der Messsignale ausgenutzt wird und Stoersignale mit Hilfe eines analogen Korrelationsverfahrens ohne die Verwendung mechanischer Filter unterdrueckt werden. Ausserdem ermoeglicht das Verfahren die fortlaufende und simultane Berechnung der Funktionsparameter Atemvolumen, Oszillationsfrequenz und effektiver Oszillationsfluss bzw. -druck, die zur diagnostischen Bewertung sowie zur Erkennung von Artefakten waehrend der Untersuchung des Probanden dienen. Die erfindungsgemaesse Vorrichtung wird als Analogrechner realisiert, dessen Ausfuehrungsbeispiel in der Abbildung dargestellt ist.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Bestimmung von Real- und Imaginarteil des mechanischen Widerstandes (Impedanz) von Lunge, Thorax und Atemwegen bei Menschen und Tieren aus den beim Untersuchungsverfahren der Oszillationsmethode gemessenen Druck und Flußoszillationen Anwendungsgebiete sind die Human- und Veterinärmedizin

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der erstmals von DuBois u a (J appl Physiol 8,1956, S 567) angegebenen Oszillationsmethode werden die mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems (Lunge, Thorax und Atemwege) dadurch untersucht, daß am Mund oder am Thorax des Probanden sinusförmige Druckoszillationen appliziert werden Es ist bekannt, daß zur Berechnung der atemmechanischen Impedanz Z und ihrer Komponenten Resistance R und Reactance X aus den bei Anwendung der Oszillationsmethode gemessenen Signalen Oszillationsdruck P und Oszillationsfluß V zwei Verfahren benutzt werden

1 Einfache graphische oder analoge Rechenverfahren, bei denen die Meßsignale P und V an zwei charakteristischen Punkten innerhalb einer Sinusschwingung bewertet werden Dabei wird meist nur der Parameter R bei einer oder zwei Oszillationsfrequenzen bestimmt (Fischer, A B u a J elm Invest 47,1968,S 2045,Hyatt,R E u a J appl Physiol 28,1970, S 675 Franetzki, M u a J appl Physiol 46,1970, S 675, Franetzki, M u a J appl Physiol 46,1979, S 656)

2 Auswertungsverfahren unter Einsatz von Digitalrechnern, mit denen über eine Fouriertransformation der beiden Signale P und V die Parameter R und X fur mehrere Oszillationsfrequenzen berechnet werden (Michaelson, E ua J elin Invest 56, 1975 S 1210, Landser, F J u a J appl Physiol 41,1976, S 101, Miller,T K u Pimmel, R L J appl Physiol 52,1982,

Die unter Punkt 1 genannten Verfahren bewerten die Meßsignale nur an zwei ausgewählten Meßpunkten, sie sind daher sehr anfallig gegen Storsignale, die von der Spontanatmung des Probanden verursacht werden Deshalb wird meist nur der Parameter R oder Z bei nur einer Frequenz (in der Nahe der sogenannten Resonanzfrequenz) gemessen und es muß zur Störunterdrückung ein mechanisches Filter in Form eines Atemschlauches benutzt werden Dadurch entstehen zusätzliche Meßfehler und das Meßergebnis ist nicht sofort ablesbar, da der Einfluß des Atemschlauches nachträglich korrigiert werden muß

Bei den unter Punkt 2 genannten Verfahren erfolgt eine Störsignalunterdrückung durch eine Mittelwertbildung über mehrere im Rechner gespeicherte Meßzyklen von P und V wodurch die Rechenergebnisse erst im Anschluß an die Untersuchung des Probanden zur Verfugung stehen Unbefriedigend ist bei diesen Verfahren auch der große technische Aufwand (Digitalrechner, Analog-Digital-Wandler, Drucker) Ein großer Nachteil dieser Verfahren liegt in der Tatsache, daß Artefakte wahrend der Untersuchung nicht erkannt werden können, da die Meßgroßen P und V sowie die Rechengroßen R und X nicht simultan erfaßt werden

Unbefriedigend ist vor allem die beiden Verfahren gemeinsame Tatsache, daß wichtige Parameter fur die Einschätzung des Ablaufs der Untersuchung (z B die Effektivwerte der applizierten Druck und Flußoszillationen und das Atemvolumen der Versuchsperson) nicht berechnet und angezeigt werden

Ziel der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur automatischen on-line-Berechnung der atemmechanischen Parameter Resistance R und Reactance X fur beliebig viele wahlbare Oszillationsfrequenzen f anzugeben, die eine sofortige Anzeige des Rechenergebnisses wahrend der Untersuchung des Probanden erlaubt Dabei soll der gesamte Signalverlauf von Oszillationsdruck P und Oszillationsfluß V zur Parameterberechnung und zur Ausfilterung von Storsignalen benutzt und die Verwendung eines mechanischen Filters in Form eines Atemschlauches auch ohne den Einsatz des kosten- und platzaufwendigen Digitalrechner Verfahrens vermieden werden Neben den atemmechanischen Parametern R und X sollen auch andere wichtige Parameter (effektiver Oszillationsfluß, Oszillationsfrequenz, Atemvolumen) zur Artefakterkennung und Verbesserung der diagnostischen Aussagen simultan und fortlaufend wahrend der Untersuchung berechnet und angezeigt werden

Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemaß kann die Aufgabe dadurch gelost werden, daß die Berechnungen von R und X aus den als analoge Meßsignale vorliegenden Großen P und V direkt im analogen Signalbereich erfolgen und der gesamte Informationsgehalt der elektronisch gefilterten Meßgroßen in die Bewertung einbezogen wird

Dazu enthalt die Vorrichtung entsprechend der Erfindung eine Schaltung nach dem Prinzip eines analogen Korrelationsverfahrens, mit welcher jeweils ein Meßsignal (z B P) mit einem aus der Vorzeichenumkehr des Signals V gebildeten Referenzsignal multipliziert und ein Mittelwert innerhalb einer gewählten Integrationszeit gebildet wird Damit werden Storsignale im P-Verlauf, die nicht die gleiche Frequenz wie das Referenzsignal haben, weitgehend unterdruckt Ferner sieht die Erfindung durch Vertauschen der Eingangssignale P und V am Korrelator eine Kontrollmoglichkeit fur das Rechenergebnis und die Gute der Störsignalunterdrückung vor, welche die Beziehung zwischen Referenz- und Meßsignal testet und jeweils den Kehrwert der atemmechanischen Parameter berechnet

Nach der Erfindung enthalt die Vorrichtung auch geeignete elektronische Schaltungen, um aus den Meßsignalen P und V sofort andere wichtige Parameter zu berechnen, die dann kontinuierlich und simultan mit den Rechengroßen R und X wahrend der Untersuchung des Probanden verfolgt werden können

Das Signal V liefert nach Spitzenwertgleichrichtung und Mittelwertbildung ein Maß fur den Effektivwert des wahrend der Untersuchung erzeugten Oszillationsflusses, wahrend durch eine Tiefpaßfilterung und anschließende Integration von V das Atemvolumen V des Probanden fortlaufend berechnet wird

Weiterhin sieht die Erfindung vor, aus dem elektronisch gefilterten P-Signal durch einen Frequenz-Spannungs-Umsetzer ein analoges Meßsignal zu gewinnen, das der Große der gewählten Oszillationsfrequenz f proportional ist Die Erfindung realisiert einen elektronischen Analogrechner, der wesentlich billiger und kleiner als ein entsprechender Digitalrechner ist, vor allem kann der Aufwand fur eine Analog-Digital- bzw Digital-Analog-Wandlung der Meß- und Rechengroßen entfallen Anzeige und Registrierung der Rechenergebnisse können mit einfachen analogen Meß- und Registriergeräten erfolgen, auf einem xy-Schreiber kann auch die gegenseitige Abhängigkeit der Rechengroßen in den Formen R (f), X (f), R (V), X (V) oder als sogenannte Ortskurve (R-X-Beziehung mit f als Parameter) schnell und fortlaufend dargestellt werden

Ausfuhrungsbeispiel

Die Vorrichtung soll nachstehend anhand einer Zeichnung erläutert werden

Die bei der Oszillationsmethode von einem Gasflußmeßgerat (Pneumotachograf) und einem elektronischen Druckmeßverstarker gemessenen Signale Oszillationsfluß V und Oszillationsdruck P werden den Vorverstärkern 1 und 2 zugeführt und in den elektronischen Bandpaßfiltern 3,4 und 5 gefiltert Dabei werden die Signalkomponenten P~ und V~, die nicht der Frequenz ω = 2 π f der applizierten Druckoszillation P sincot und der dadurch erzeugten Flußoszillationen V sin (art + φ) entsprechen, weitgehend unterdruckt

Das gefilterte Signal P sin cot — bzw bei Vertauschung der Eingangssignale P und V entsprechend das Signal V sin (tot + φ) — wird in zwei phasenempfindhchen Gleichrichtern 6 und 8 mit dem Vorzeichen ±1 einer Rechteckfunktion multipliziert, die den Nulldurchgangen eines Signals sinoit entspricht Durch einen Phasenschieber 9 wird die Polarität dieser Rechteckschwingung um ±90° gedreht, so daß den Tiefpaßfiltern 10 und 12 jeweils die Signale P cos φ und P sin φ zugeführt werden, welche über eine ganze Periode der Grundschwingung der Referenzsignale sintot und coscot gebildet werden Die Mittelwertbildung in den Tiefpaßfiltern 10 und 12 unterdruckt verbleibende Storamphtuden, da nur Signale mit einer Kreisfrequenz ω einen Anteil zum

Mittelungsergebnis liefern _л

Aus dem gefilteren V-Signal wird in einem Spitzenwertgleichrichter 7 der Spitzenwert V der Flußoszillationen gebildet und in einem weiteren Tiefpaßfilter 11 dieses Signal über mehrere Oszillationsschwingungen gemittelt Über die Anpassungsverstarker

л 13,14 und 15 erhalt man schließlich mit Hilfe der Dividierer 16 und 17 aus den Signalen P cos φ, P sin φ und V die gewünschten

л Rechengroßen Resistance R und Reactance X, die zusammen mit V als analoge Gleichspannungssignale fortlaufend und simultan angezeigt und registriert werden können

Aus dem gefilterten P-Signal erhalt man über den Impulsformer 18 (Schmitt-Trigger) und den Frequenz-Spannungs-Wandler 19 hinter dem Anpassungsverstarker 20 ein Gleichspannungssignal U, das der Kreisfrequenz ω bzw der Frequenz f der applizierten Druckoszillationen proportional ist Außerdem wird aus dem ungefilterten V-Signal mit Hilfe des Tiefpaßfilters 21 und des Integrators 22 sowie des Anpassungsverstarkers 23 ein Signal V~ gewonnen, das dem Atemvolumen des untersuchten Probanden entspricht

Damit konnen die atemmechanischen Parameter Resistance R und Reactance X wahlweise

1 in Beziehung zur Versuchszeit t

2 in Beziehung zur Oszillationsfrequenz f

3 als sogenannte Ortskurven in der gegenseitigen R-X-Darstellung

4 in Beziehung zum Oszillationsfluß V

5 in Beziehung zum Atemvolumen V~

mit analogen Meß- und Registriergeraten fortlaufend und simultan wahrend der Untersuchung des Patienten dargestellt werden

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des mechanischen Widerstandes des Atmungssystems (Lunge, Thorax und Atemwege) aus den analogen Meßsignalen der Oszillationsmethode, dadurch gekennzeichnet, daß die atemmechanischen Parameter bei beliebig vielen wahlbaren Oszillationsfrequenzen bestimmt werden können, der gesamte Signalverlauf in eine Störsignalunterdrückung einbezogen wird und die Parameter simultan und fortlaufend wahrend der Untersuchung berechnet und angezeigt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Störsignalunterdrückung ein analoger Korrelator eingesetzt wird, der die gemessenen Druck- und Flußsignale verarbeitet und somit zusätzliche mechanische Filter überflüssig macht

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die atemmechanischen Parameter Resistance und Reactance zusammen mit den anderen aus den Meßsignalen berechneten Funktionsparametern gleichzeitig dargestellt werden können und Artefakte erkannt werden