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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Beurteilen von Messergebnissen einer Lungenfunktionsprüfung sowie
auf ein Verfahren zum Erfassen und Bereitstellen von Messergebnissen
einer Lungenfunktionsprüfung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Spirometer.
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Atemwegserkrankungen
und Lungenfunktionsstörungen
spielen in der modernen Medizin eine wesentliche Rolle. Dies gilt
für die
Morbidität
der Erkrankungen und für
die Mortalität.
So stellen heute die bösartigen
Neubildungen in Lunge und Bronchien mit 4,9% die vierthäufigste
Todesursache dar. Die chronisch-obstruktiven Lungenerkrankungen
(2,5%) und die Pneumonie (2,3%) folgen auf den Plätzen sieben
und acht.
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Nicht
nur aufgrund der stetig ansteigenden Lebenserwartung, sondern auch
wegen des weiterhin hohen Anteils der Raucher an der Gesamtbevölkerung
von circa 30%, rücken
die Erkrankungen des Atmungssystems auch bezüglich ihrer Prävalenz immer
weiter in den Vordergrund. Erkrankungen mit der größten Häufigkeit
umfassen die chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD) und das
allergische Asthma bronchiale. In der modernen Diagnostik und Therapie
sind eine gute Kenntnis der Prinzipien der Lungenfunktionsmessung und
ihrer Beurteilung unabdingbar.
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Die
Atmung erfolgt beim Menschen durch inspiratorisch und exspiratorisch
wirksame Kräfte,
die eine Volumenänderung
des Thorax bewirken, welche alternierende intrathorakale Druckschwankungen
nach sich zieht.
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Die
für die
Inspiration bedeutsamen Kräfte
sind zum einen die Kontraktion und somit Abflachung des Zwerchfelles,
zum anderen die Anspannung der Mm. scaleni und Mm. intercostales
externi, welche zur Anhebung und Vergrößerung des Brustkorbes führen. Bei
Fixierung der oberen Extremität
können
auch die Mm. pectorales die Anhebung der Rippen unterstützen. Bei
der maximalen Inspiration spielen weiterhin die Elastizität der Lunge
und des Thorax eine Rolle.
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Exspiratorisch
wirkende Kräfte
bewirken die Verkleinerung und Absenkung des Thorax, sowohl durch dessen
Eigenelastizität,
als auch durch Kontraktion der Mm. intercostales interni und Aktivierung
der Bauchpresse, die durch Steigerung des intraabdominellen Druckes
das Zwerchfell nach oben drückt.
Nicht zuletzt spielt die Spannung der elastischen Fasern in der
Lunge, das heißt
die elastische Rückstellkraft,
eine zentrale Rolle, welche zur passiven Exspiration beiträgt.
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Nach
einer in körperlicher
Ruhe erfolgten Exspiration befinden sich diese Kräfte im Gleichgewicht,
der sogenannten Atemruhelage.
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Das
Volumen, welches während
eines Atemzuges unter Abwesenheit körperlicher Belastung aus der Atemruhelage
heraus eingeatmet wird, nennt man Atemzugvolumen (VT),
welches etwa 0,5 Liter beträgt.
Nach normal erfolgter Einatmung ist es möglich, eine zusätzliche
Luftmenge zu inspirieren. Dieses, mit maximaler Anstrengung, zusätzlich eingeatmete
Volumen ist das inspiratorische Reservevolumen (IRV). Äquivalent
dazu kann aus der Atemruhelage heraus unter maximaler Anstrengung
das sogenannte exspiratorische Reservevolumen (ERV) ausgeatmet werden.
Die Summe aus Atemzugvolumen, inspiratorischem Reservevolumen und exspiratorischem
Reservevolumen bezeichnet man als Vitalkapazität (VC).
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Auch
nach maximaler Exspiration verbleibt in den Atemwegen eine Luftmenge,
das sogenannte Residualvolumen (RV). Dieses kann nur indirekt bestimmt
werden, spielt jedoch für
die Verlaufskontrolle und Differenzierung obstruktiver Atem wegserkrankungen
eine bedeutsame Rolle. Vitalkapazität und Residualvolumen werden
häufig
als Totalkapazität
(TLC) zusammengefasst. Die Normwerte der genannten statischen Lungenvolumina
sind abhängig
von Geschlecht, Alter, Statur, ethnischer Herkunft, Trainingszustand
und Körpergröße.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung schaffen ein Verfahren, mit dessen Hilfe anhand einzelner
oder wiederholter exspiratorischer spirometrischer Messungen (Fluss-Volumen-Kurven) die Akzeptabilität der erhaltenen
Messwerte geprüft
werden kann.
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Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Fluss-Zeit-Diagramm eines forcierten Exspirationsmanövers,
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2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3A und 3B inkorrekte
Fluss-Volumen-Kurven, bei denen MEF75 > MEF50 nicht gilt,
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4A und 4B inkorrekte
Fluss-Volumen-Kurven, bei denen PEF > A·MEF75
nicht gilt,
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5A und 5B eine
Darstellung des Verlaufs des Quotienten MEF50/MEF25,
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6 eine
Darstellung des Verlaufs des Quotienten PEF/TIFF,
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7 eine
Darstellung des Verlaufs des Quotienten PEF/FVC,
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8 eine
Darstellung des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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9 eine
Darstellung der Einbringung von Variabilitätskriterien in das Verfahren
aus 8,
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10 eine
Darstellung der Einbettung des Verfahrens in eine Lungenfunktionsprüfung, und
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11 eine
schematische Darstellung eines Spirometers.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die
Spirometrie ist ein in der Medizin bekanntes Verfahren zur Erfassung
der dynamischen sowie einiger statischer Lungenvolumina. Die Spirometrie
wird als Lungenfunktionstest in großem Maßstab zur Abklärung bei
Symptomen wie Husten, Atemnot oder Stridor, zur Verlaufskontrolle
und Abschätzung
des Schweregrades bereits bekannter Lungenerkrankungen und zur präoperativen
Risikoabwägung
eingesetzt. Des Weiteren findet die Spirometrie in der Arbeitsmedizin
bei der Beurteilung von Erkrankungen Anwendung.
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Für die Durchführung der
Spirometrie liegen nationale und internationale Kriterien vor. Der
Patient sitzt während
der Messung aufrecht vor dem Spirometer, so dass Wirbelsäule und
Nacken weder flektiert sind, noch überstreckt werden müssen, und
atmet über
ein Mundstück,
wobei die Nasenatmung mittels einer Klemme unterbunden wird. Das
Spirometer misst das Volumen und die Flussgeschwindigkeit der ein-
bzw. ausgeatmeten Luft pro Zeit. Dadurch können neben der Vitalkapazität auch die
Volumenflussraten, vor allem deren Maximalwert, der Peak Flow (PEF),
bestimmt werden. Meist werden die gewonnenen Daten grafisch in Form
von Volumen-Zeit-Kurven
und Fluss-Volumen-Diagrammen ausgegeben.
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Ein
in der Lungenfunktionsprüfung
gebräuchliches
Messmanöver
ist die forcierte Exspiration mit Erfassung der forcierten Vitalkapazität. Der Patient
führt hierbei
zunächst
zur Messung der Atemruhelage und des Zugvolumens einige normale
Atemzüge
aus. Auf einen frei gewählten
Zeitpunkt maximaler Exspiration und der anschließenden zügigen Inspiration des ihm größtmöglichen
Luftvolumens folgt eine möglichst
rasch einsetzende explosionsartige, sogenannte forcierte Exspiration.
Die forcierte Exspiration soll mit maximaler Ausatemleistung durchgeführt werden
und zwar so lange bis die Flussrate bei Null liegt, d. h. die gesamte
(forcierte exspiratorische) Vitalkapazität ausgeatmet ist. 1 zeigt
ein beispielhaftes Fluss-Zeit-Diagramm eines forcierten Exspirationsmanövers, wobei über die
X-Achse die Zeit aufgetragen ist. Über die Y-Achse ist der Fluss
in Liter pro Sekunde (L/s) aufgetragen. Um die Bestimmung der Volumina
und Flussraten möglichst
genau zu halten, soll der Patient vor dem Test keine körperliche
Anstrengung ausgeübt
haben und keine größeren Mahlzeiten
zu sich genommen haben.
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Bei
diesem Manöver
wird neben der forcierten Vitalkapazität (FVC) und den exspiratorischen
Flussraten auch die forcierte Einsekundenkapazität (FEV1)
bestimmt, d. h. dasjenige Luftvolumen, welches der Patient bei einem
maximalen Exspirationsmanöver
innerhalb der ersten Sekunde auszuatmen in der Lage ist. Es ist zu
beachten, dass die FVC deutlich geringer sein kann als die VC, vor
allem bei älteren
und obstruktiven Patienten.
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Der
Quotient aus FEV1 und FVC wird als Tiffeneauindex
(TIFF) bezeichnet und in Prozent angegeben. Er gibt unabhängig von
den Absolutwerten den Obstruktionsgrad eines Patienten wieder. Tiffeneauwerte
bis 70% werden als normwertig, solche unter 70% als vermindert und
somit hinweisend auf eine Obstruktion angesehen.
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Weitere
wichtige Kenngrößen bzw.
Messgrößen sind
die Flussraten zu dem Zeitpunkt, an dem 25%, 50% und 75% der Vitalkapazität (FVC)
exspiriert wurden. Diese werden als FEF25, FEF50 und FEF75 bezeichnet.
Umgekehrt geben die Werte MEF25, MEF50 und MEF75 die Flussgeschwindigkeiten
zu dem Zeitpunkt an, bei dem der jeweilige Prozentsatz der Vitalkapazität noch in
der Lunge vorhanden ist, so dass gilt: MEF25 = FEF75, MEF50 = FEF50
und MEF75 = FEF25.
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Zur
Diagnose der Lungenfunktion werden die statischen und dynamischen
Lungenvolumina, sowie die Flussraten mit Normwerten verglichen.
Liegt einer der Werte bzw. eine der Kenngrößen FVC, FEV1,
PEF oder TIFF außerhalb
des vorgegebenen Referenzbereiches, kann das Vorliegen einer Ventilationsstörung angenommen
werden. Referenzparameter wurden unter anderem von der European
Respiratory Society und von der American Thoracic Society zusammengefasst
und veröffentlicht.
Der am besten etablierte Standard ist derjenige der American Thoracic
Society (ATS). Dieser wurde erstmals im Jahre 1979 veröffentlicht
und 1987 und 1994 überarbeitet.
Er unterscheidet sich nur unmaßgeblich
von dem 1993 seitens der European Respiratory Society (ERS) herausgegebenen
Standard. Beide Empfehlungen wurden im Jahre 2005 von einer ATS/ERS Task
Force zusammengefasst und veröffentlicht.
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Unterschreitet
der Tiffeneauindex einen Referenzwert, der heute meist mit 70% angegeben
wird, und liegt gleichzeitig die TLC im Normbereich, spricht man
von einer obstruktiven Ventilationsstörung. Somit handelt es sich
um ein Krankheitsbild, bei dem der Patient trotz ausreichender Lungen volumina
nicht in der Lage ist, diese genügend
schnell zu exspirieren. Man unterscheidet dabei verschiedene Formen
bzw. Ursachen der Obstruktion, z. B. das intrinsische und extrinsische
Asthma bronchiale (gekennzeichnet durch eine Kombination aus Bronchospasmus,
Dyskrinie und bronchialer Hyperreagibilität), die chronisch-obstruktive
Lungenerkrankung (COPD; Destruktion des bronchialen Flimmerepithels,
Dyskrinie und Kollaps der Bronchien aufgrund der Zerstörung hyalinen
Knorpels durch chronische exogene Noxen, meist Zigarettenrauch)
und den Verschluss von Bronchien durch Tumore oder Fremdkörper.
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Eine
genaue Differenzierung der Obstruktionen ist durch alleinige Spirometrie
zwar nicht möglich,
jedoch erhält
man beispielsweise mit dem forcierte Einsekundenvolumen eine sehr
reproduzierbare Größe, die mit
dem Langzeitüberleben
und der Verlaufsprognose einer obstruktiven Atemwegserkrankung eng
korreliert ist.
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Ist
die Totalkapazität
der Lunge unter die Norm vermindert, dabei jedoch der Tiffeneauindex
im Normbereich, so liegt eine restriktive Ventilationsstörung vor.
Die Vitalkapazität
alleine ist bei der Differenzierung zwischen Obstruktion und Restriktion
nur von geringem Nutzen, da bei obstruktiven Defekten, aufgrund
der Lungenentleerungsstörung
und dem damit einhergehenden „air
trapping" und gesteigerten
Residualvolumen ebenfalls eine Minderung vor allem der forcierten
Vitalkapazität
vorliegen kann
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Auch
hier kann die Spirometrie nicht zwischen der Vielzahl an Ursachen
differenzieren, welche zu einer restriktiven Ventilationsstörung führen können (starke
Kyphoskoliose, Lungenfibrose, Verlust von Lungengewebe etc.), liefert
aber erste Hinweise auf das Vorliegen einer abnormalen Lungenfunktion.
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Befinden
sich Totalkapazität
und Tiffeneauwert unterhalb der Referenzwerte, liegt also bei zu
geringen statischen Lungenvolumina eine zusätzliche unverhältnismäßig starke
Verminderung des Einsekundenvolumens vor, so muss man von einer
Kombination von Obstruktion und Restriktion ausgehen. Diese kann
z. B. durch Muskelatrophie entstehen. Darüber hinaus führen schwere
Lungenerkrankungen nicht selten sowohl zu einer Reduktion der atembaren
Volumina als auch zu einer überproportionalen
Abnahme der maximal erreichbaren Atemströmungen. So kann eine zystische
Fibrose durch Atelektasenbildung neben der Obstruktion auch eine
restriktive Störung
verursachen.
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In
der heutigen Zeit werden vielfach miniaturisierte elektronische
Spirometer verwendet, die über
den konventionellen Peak Flow hinaus, die Aufzeichnung vollständiger sogenannter
Fluss-Volumen-Kurven anbieten. Dadurch ist es möglich, eine große Anzahl
spirometrischer Messwerte eines einzelnen Patienten über einen
festgelegten Zeitraum zu erhalten. Dies ist in der Pneumologie für die Kontrolle
der Therapieeinstellung von Lungenerkrankungen oder der telemedizinischen Überwachung
genauso bedeutsam wie für
pharmakologische Studien und für
die Kontrolle der Lungenfunktion am Arbeitsplatz zum Zwecke des
arbeitsmedizinischen Monitoring.
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In
der Regel erfolgen die Durchführung
einer forcierten Exspiration und die Aufzeichnung einer Fluss-Volumen-Kurve
am miniaturisierten Spirometer ohne die Aufsicht technischen oder ärztlichen
Personals, so dass die Plausibilität und Richtigkeit der Atemmanöver nicht
von vornherein gewährleistet
und allenfalls nachträglich
im Rahmen des dann noch Möglichen
zu erschließen
ist. Die Bewertung eines Verlaufes über die Zeit, eines Zusammenhangs
mit einer Exposition am Arbeitsplatz oder einem Umweltfaktor, einer
therapeutischen Intervention oder einer Verlaufskontrolle zur Erkennung
einer bevorstehenden Verschlechterung der Lungenfunktion (Exazerbation)
ist von der Qualität
der Messwerte abhängig.
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Diese
Situation wird dadurch verschärft,
dass in der Regel nur die Exspiration aufgezeichnet wird. Niedrige
Werte von PEF oder FEV1 können jedoch
sowohl durch eine Obstruktion als auch durch mangelhafte Mitarbeit
zustande kommen, selbst bei optimaler Exspiration, durch eine ungenügend tiefe
Einatmung. Die visuelle Kontrolle und Bewertung dieser Kurven ist
mühsam,
zeitaufwendig und in den meisten Fällen nicht zu leisten. Ungeachtet
der unumgänglichen
Limitationen einer nachträglichen
Analyse steht zu erwarten, dass eine kritische Bewertung der Messwerte
die klinische Interpretation wesentlich erleichtern und vor allem
beschleunigen kann.
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Da
die Akzeptabilitätsprüfung von
Messungen nach derzeitigen internationalen Standards, wie z. B. dem
ATS/ERS-Standard
nur unter Aufsicht erfolgen kann, indem beispielsweise die korrekte
Körperhaltung und
Position des Patienten am Mundstück
durch einen Beobachter gewährleistet
wird, erfolgt eine Qualitätskontrolle
bei mobilen Geräten
derzeit allenfalls durch die Analyse der Variabilität wiederholter
Messungen. Darüber
hinaus werden elementare Kriterien, wie die Länge der Ausatemzeit, abgeprüft, die
allerdings oft entweder irrelevant (im Falle einer guten Lungenfunktion)
oder unrealistisch (im Falle einer schwergradig eingeschränkten Lungenfunktion)
sind. Eine derartige Kontrolle ist ferner nur eingeschränkt valide,
da eine erhöhte Variabilität auch das
Zeichen einer Atemwegsantwort, zum Beispiel als Reaktion auf geänderte Umgebungsbedingungen,
sein kann.
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Somit
besteht ein Bedarf, einen Ansatz zu entwickeln, der die durch eine
Lungenfunktionsprüfung
erhaltenen Datensätze
nachträglich
auf ihre Plausibilität
und Akzeptabilität
testet.
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Anhand
der 2 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
erläutert.
In einem ersten Schritt 100 werden die zu überprüfenden Messergebnisse
einer Lungenfunktions prüfung
erhalten. Anschließend
wird im Schritt 102 bestimmt, ob ein Verlauf einer Fluss-Volumen-Kurve
plausibel ist. Wird im Schritt 102 bestimmt, dass der Verlauf
der Fluss-Volumen-Kurve nicht plausibel ist, geht das Verfahren
zum Schritt 104, der die Messergebnisse verwirft. Wird
im Schritt 102 bestimmt, dass der Verlauf der Fluss-Volumen-Kurve plausibel ist,
so wird im Schritt 106 überprüft, ob ein
Verhältnis
von Kenngrößen der
Fluss-Volumen-Kurve ein definiertes Kriterium erfüllt. Erfüllt das
Verhältnis
das Kriterium nicht, so geht das Verfahren wieder zum Schritt 104 und
die Messergebnisse werden verworfen. Andernfalls, wenn das Verhältnis das
Kriterium erfüllt,
geht das Verfahren zum Schritt 108 und die Messergebnisse
werden akzeptiert. Obwohl in 2 eine bestimmte Reihenfolge
der Schritte dargestellt ist, sei darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge
beliebig sein kann. Es kann z. B. zuerst überprüft werden, ob das Verhältnis das
Kriterium erfüllt,
und anschließend,
ob ein Verlauf einer Fluss-Volumen-Kurve plausibel ist. Das definierte
Kriterium kann z. B. ein definierter und empirisch validierter Grenzwert
für ein
Verhältnis
von Kenngrößen der
Fluss-Volumen-Kurve sein, so dass in diesem Fall das Verhältnis mit
dem Grenzwert verglichen werden kann. Hierbei kann ein Unterschreiten
des Grenzwertes zu einem Verwerfen der Messergebnisse führen. Bei Überschreiten
des Grenzwertes werden die Messergebnisse akzeptiert. Ferner können auch
mehrere Verhältnisse
von Kenngrößen der
Fluss-Volumen-Kurve überprüft werden,
wie dies nachfolgend erläutert
wird.
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Der
Schritt 102 kann gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung eine Beurteilung des Gesamtverlaufs der Fluss-Volumen-Kurve, des anfänglichen
Verlaufs der Fluss-Volumen-Kurve und/oder des finalen Verlaufs der
Fluss-Volumen-Kurve umfassen, wobei die verschiedenen Beurteilungen
nachfolgend näher
erläutert werden.
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Die
Erfindung kann als digitales Speichermedium, beispielsweise als
Diskette oder Datei, realisiert sein, das elekt ronisch auslesbare
Steuersignale umfasst, die so mit einem programmierbaren Computersystem
zusammenwirken können,
dass das Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung ausgeführt wird.
Ferner kann die Erfindung als Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren
Träger gespeichertem
Programmcode zur Durchführung
des Verfahrens implementiert sein, wenn das Programmprodukt auf
einem Rechner läuft.
Ebenso kann die Erfindung in Form eines Computer-Programms mit Programmcode
zur Durchführung
des Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung implementiert sein, wenn das Programm auf einem Computer
abläuft.
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Das
Verfahren kann eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Plausibilitätstests
und einfachen Variabilitätsprüfungen schaffen,
indem mit minimaler Information hohe Spezifitäten (korrekte Erkennung plausibler
Kurven) und Sensitivitäten
(korrekte Erkennung unplausibler Messdaten) erreicht werden.
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Das
Verfahren kann sich ausschließlich
auf die Kenngrößen der
Fluss-Volumen-Kurve bzw. auf die Messwerte PEF, MEF75, MEF50, MEF25,
FVC und FEV1 stützen und diese mit möglichst
großer
Spezifität
und Sensitivität
auf ihre Glaubwürdigkeit
prüfen.
Sofern Messungen einzeln bewertet werden, können Relationen zwischen Messgrößen, die
aufgrund der pathophysiologischen Bedingungen mit Notwendigkeit
oder hoher Wahrscheinlichkeit erfüllt sein müssen, in die Analyse einfließen. Das
konventionelle Kriterium der maximal akzeptablen Variabilität kann bei
Mehrfachmessungen ebenfalls berücksichtigt
werden, ist jedoch nicht zwangsläufig
erforderlich.
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Ausführungsbeispiele
betreffen eine Integration in ein mobiles Spirometer, wobei die
während
oder nach der Messung feststellbaren Indizien für Mitarbeitsmängel durch
entsprechende elektronische Ausgabe in sprachliche und visuelle
Hinweise oder Anleitungen für
den Patienten zwecks korrekter Durchführung umgesetzt werden können. Weiterhin
können diese
Parameter von einem Benutzer verändert
oder durch ein Lernverfahren schrittweise modifiziert werden, um
für die
von dem Benutzer typischerweise untersuchten Patientenkollektive
maximale Leistung zu erbringen. Darüber kann das Verfahren auch
Schlussfolgerungen auf die Art des Mitarbeitsmangels zulassen, um
dem Patienten bzw. Benutzer eine unmittelbare Rückmeldung darüber geben
zu können,
welcher Teil des Atemmanövers
verbessert werden muss.
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Anhand
der 3 bis 11 werden
nachfolgend Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben.
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Das
Verfahren kann vorbestimmte, z. B. durch eine oder mehrere Messungen
(Lungenfunktionsprüfung)
erhaltene Messgrößen verwenden,
die in einer korrekten Fluss-Volumen-Kurve zu erfüllen sind,
damit die Fluss-Volumen-Kurve als plausibel angenommen werden kann.
Dabei können
solche Faktoren ausgeschlossen werden, die bei der Auswertung von
Datensätzen
der zur Zeit verfügbaren
Miniaturspirometer im Nachhinein nicht mehr zu erfassen sind, wie
zum Beispiel die Dauer der Exspiration, die Durchführung der
maximalen Inspiration oder die Details des genauen Verlaufes der
Fluss-Volumen-Kurve,
welche von den meisten Geräten
nicht mit aufgezeichnet werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung
können
daher folgende Kenngrößen der
Fluss-Volumen-Kurve bzw. Messgrößen verwenden:
- • forcierte
Vitalkapazität
(FVC)
- • funktionelles
Einsekundenvolumen (FEV1)
- • Peak
Flow (PEF)
- • MEF75
- • MEF50
- • MEF25
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Zunächst werden
die Bedingungen beschrieben, die an eine Fluss-Volumen-Kurve zu
stellen sind, um diese als plausibel deklarieren zu können. Sofern
im Folgenden bei einzelnen Parametern und Relationen aus Gründen der Übersichtlichkeit keine
Einheiten angegeben werden, sind Flussraten stets in Litern pro
Sekunde (L/s) und Volumina sowie Kapazitäten in Litern (L) zu verstehen.
Der Tiffeneauindex ist im Weiteren stets dimensionslos und als Fließkommazahl
angegeben, wobei 100% = 1,00.
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Die Fluss-Volumen-Kurve soll abfallen,
so dass gilt MEF75 > MEF50 > MEF25
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Da
bei einer korrekt ausgeführten
forcierten maximalen Exspiration die elastische Rückstellkraft
der Lunge und des Thorax im Laufe der Exspiration abnehmen, und
der Durchmesser der Atemwege ebenfalls kleiner wird, verringert
sich die Flussrate mit der Dauer der Exspiration stetig. Kurzzeitige,
geringfügige
Anstiege der Kurve sind als physiologische Variabilität zu deuten
und beispielsweise durch Instabilitäten bedingt.
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3A und 3B zeigen
inkorrekte Fluss-Volumen-Kurven, bei denen MEF75 > MEF50 nicht gilt. In 3A und 3B sind
die Flussgeschwindigkeiten MEF75 und MEF50 gezeigt, wobei die X-Achse
ein Volumen in Liter (L) und die Y-Achse eine Flussgeschwindigkeit
in Liter pro Sekunde (L/s) angibt. In 3A ist
eine Fluss-Volumen-Kurve gezeigt, die ein Husten im Bereich einer
exspirierten Luftmenge von 25% FVC zeigt. 3B zeigt
submaximale Flussraten, wie sie z. B. bei ungenügender Mitarbeit des Patienten
auftreten können.
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Weiterhin
stellen die in einem forcierten Exspirationsmanöver zeitlich früh gemessenen
Flussraten, inklusive des Peak Flow (Spitzenfluss), ein Abbild der
Luftströmung
in der Trachea und den großen
Bronchien dar. Diese ist vor allem beim Gesunden häufig turbulent
und nicht laminar. Dadurch entstehen in der anfänglichen Exspirationsphase
häufig
geringe Schwankungen, jedoch sollte die Flussrate MEF75 immer größer sein als
die Rate MEF50, und diese wiederum größer als MEF25.
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Fluss-Volumen-Kurven,
die zwischenzeitlich ansteigen, weisen in jedem Fall auf eine ungenügende Mitarbeit
hin, wobei ungünstigstenfalls
der Peak Flow zwischen MEF75 und MEF50 zu liegen kommen kann.
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PEF > Faktor·MEF75,
wobei Faktor (= A) ≥ 1
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Der
Peak Flow als maximal erreichte Flussrate einer forcierten Exspiration
wird in aller Regel kurze Zeit nach Beginn der Exspiration angenommen.
Bei korrekt durchgeführten
Manövern
vergehen vom Zeitpunkt einer Flussrate von 10% des Peak Flow bis
zum Erreichen desselben etwa 25–175
ms.
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Somit
wird der Peak Flow (PEF) vor der Ausatmung von 25% des Volumens
FVC, das heißt
vor der Messung des MEF75 erreicht. Daraus wiederum folgt, dass
der Peak Flow um einen Faktor (= A) größer sein sollte als der MEF75,
um als korrekt angenommen zu werden. Der Faktor A nimmt dabei Werte ≥ 1 an. Umgekehrt
kann der Quotient von PEF und MEF75 errechnet und mit dem vorgegebenen
Schwellenwert A verglichen werden.
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Ein
Peak Flow, der verhältnismäßig spät erzielt
wird, liegt zeitlich und somit auch quantitativ näher am Wert
MEF75. Ein kleiner Quotient von PEF und MEF75 kann somit Ausdruck
eines zu langsam begonnenen Exspirationsmanövers sein. Eine Erschwerung
des Problems ist dadurch gegeben, dass die gängigen Messgeräte den Zeitpunkt,
zu dem der PEF erreicht ist, nicht ausgeben und somit eine einfache
zeitliche Zuordnung nicht möglich
ist.
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4A und 4B zeigen
inkorrekte Fluss-Volumen-Kurven, bei denen PEF > A·MEF75
nicht gilt. In 4A und 4B ist
der Spitzenfluss PEF und die Flussgeschwindigkeit MEF75 gezeigt,
wobei die X-Achse ein Volumen in Liter (L) und die Y-Achse eine
Flussgeschwindigkeit in Liter pro Sekunde (L/s) angibt. 4A zeigt
einen Verlauf, der auf einen anfänglichen
Mangel an Anstrengung zurückzuführen ist. 4B zeigt
einen Verlauf, der auf ein Husten vor Erreichen des Peak Flow zurückzuführen ist.
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Die Fluss-Volumen-Kurve soll nicht konvex
sein
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Die
Fluss-Volumen-Kurve soll eine konkave Form haben oder geradlinig
abfallen, nicht aber konvex, so dass gilt: MEF50 ≥ Faktor·MEF25.
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Da
eine korrekt aufgezeichnete Fluss-Volumen-Kurve aufgrund der exspiratorischen
Flussbegrenzung am Ende der Exspirationsphase einen konkaven oder
geradlinigen Verlauf annimmt, aber keinen konvexen Verlauf, liegen
die Werte der Geraden, die sich durch Extrapolation des Verlaufs
zwischen MEF50 und MEF25 ergeben, für Volumina jenseits von MEF25
unterhalb der realen Fluss-Volumen-Kurve oder sind deckungsgleich
mit derselben. Dies impliziert, dass der Schnittpunkt (FVC') dieser Geraden
mit der X-Achse bei einem kleineren oder dem gleichen Volumen liegt
wie der reale Schnittpunkt (FVC) der Fluss-Volumen-Kurve mit der Abszisse.
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Die
Gleichung der extrapolierten Geraden G(x) lautet mit Steigung m
und Achsenabschnitt n:
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Deren
Schnittpunkt der Geraden mit der X-Achse, genannt FVC' errechnet sich daraus
zu:
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Da
FVC' ≤ FVC gelten
muss, ergibt sich:
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Ist
also der MEF50 < 2·MEF25,
so verläuft
die Fluss-Volumen-Kurve
zwischen diesen Werten konvex. Sie fällt somit gegen Ende der Exspiration überproportional
ab, was in der Regel als Hinweis auf eine ungenügende Anstrengung am Ende des
Manövers
zu interpretieren ist.
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5A und 5B zeigen
Darstellung des Quotienten MEF50/MEF25. In 5A und 5B ist
der Spitzenfluss PEF und die Flussgeschwindigkeiten MEF75 bis MEF25
gezeigt, wobei die X-Achse ein Volumen in Liter (L) und die Y-Achse
eine Flussgeschwindigkeit in Liter pro Sekunde (L/s) angibt. Ferner
ist der Schnittpunkt (FVC')
der extrapolierten Geraden mit der X-Achse und der reale Schnittpunkt
(FVC) der Fluss-Volumen-Kurve mit der X-Achse gezeigt. 5A zeigt
einen korrekten Kurvenverlauf. 5B zeigt
einen Verlauf, der auf eine vorzeitig abgebrochenen Exspiration
zurückzuführen ist.
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Der Tiffeneauindex soll einen Grenzwert
(= G) nicht überschreiten
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Da
es unter Normalbedingungen nicht möglich ist, die gesamte Vitalkapazität innerhalb
einer Sekunde auszuatmen (Ausnahme: schwergradige restriktive Ventilationsstörungen,
z. B. bei Lungenfibrose), ist es ebenfalls nicht möglich, dass
der Tiffeneauindex (FEV1/FVC) den Wert 1
erreicht. In der Praxis bedeutet dies, dass der Tiffeneauindex einen
Grenzwert G < 1
nicht überschreiten
sollte.
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Werte
des Tiffeneauindex nahe 1 sind in der Regel Ausdruck einer vorzeitig
abgebrochenen Exspiration. Beispielsweise ist FVC = FEV1,
wenn die Ausatmung bereits nach einer Se kunde abgebrochen wird,
ein bei unbeaufsichtigten Messungen keineswegs seltener Fehler.
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Neben
den oben beschriebenen Kriterien werden weitere Relationen zwischen
Messgrößen betrachtet.
Diese Relationen beruhen ebenfalls auf Plausibilitätsüberlegungen,
sind jedoch abgeleiteter Natur und tragen einen stärkeren empirischen
Charakter.
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PEF/TIFF > Mindestwert (= B)
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Beim
lungengesunden Probanden gibt es je nach dessen Geschlecht, Alter,
Körpergröße und Trainingszustand
einen minimalen Wert des Peak Flow, d. h. ein Grenzwert B des Peak
Flow wird nicht unterschritten. Andererseits erreicht der Tiffeneauindex
per definitionem maximal den Wert 1. Somit liegt auch der Quotient
PEF zum (dimensionslosen) Tiffeneauindex TIFF mindestens beim Wert
B.
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Sinn
des Bezugs auf den Tiffeneauindex ist es, einen eventuell durch
Mitarbeit reduzierten PEF-Wert auch ohne Bezug auf MEF75 zu erkennen
und dabei die aufgrund der Volumenintegration stabileren Werte von
FEV1 und FVC zugrunde zu legen. Ein Mangel
an initialer, maximaler Anstrengung wird den PEF-Wert stärker reduzieren
als den Wert von FEV1 und somit, vollständige Ausatmung
und korrektes FVC vorausgesetzt, den Tiffeneauindex.
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Beim
Obstruktiven ist der Peak Flow oftmals deutlich gemindert, jedoch
sinkt auch die forcierte Einsekundenkapazität und damit der Tiffeneauwert.
Somit soll auch hier ein bestimmter Grenzwert des Quotienten von
PEF und TIFF nicht unterschritten werden, sofern die Ausatmung korrekt
erfolgte. Bei einem anfänglichen Mangel
an Anstrengung sinkt der PEF stärker
als das FEV1.
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6 ist
eine Darstellung des Verlaufs des Quotienten PEF/TIFF, wobei die
X-Achse die Zeit in Sekunden (s) und die Y-Achse einen Fluss in
Liter (L) angibt. Für
die Kurve 1 ist zu erkennen, dass der Peak Flow von 12 L/s auf 5
L/s fällt
(Faktor 0,417), während
die Kurve 2 zeigt, dass FEV1 von 4,35 L
auf 3,50 L absinkt (Faktor 0,805). Der Quotient PEF/TIFF wird also
kleiner. Auch bei ungenügender
Ausatmung sinkt der Quotient (jedoch nur geringfügig) ab, da der Tiffeneauindex
im Nenner steigt.
-
PEF/FVC > Mindestwert
(= D)
-
Sinkt
der Quotient PEF/FVC unter einen Wert D, so ist davon auszugehen,
dass der Beginn der Ausatmung unzureichend und somit der PEF zu
niedrig war. Hierbei eliminiert die Bezugnahme auf FVC vollständig die
Abhängigkeit
von der Tatsache, dass auch der Wert von FEV1 von
der initialen Anstrengung abhängt. Andererseits
wird eine vollständige
Ausatmung erfordert, denn sonst ist der Wert von FVC zu niedrig
und damit der Quotient hoch, mit der Folge, dass das Kriterium fälschlicherweise
erfüllt
ist.
-
7 zeigt
eine Darstellung des Verlaufs des Quotienten PEF/FVC, wobei die
X-Achse ein Volumen in Liter (L) und die Y-Achse eine Flussgeschwindigkeit
in Liter pro Sekunde (L/s) angibt. Bei einem Mangel an initialer
Anstrengung sinkt vor allem der Peak Flow (siehe Kurve PEF' verglichen mit der
ebenfalls dargestellten Kurve PEF) und somit (bei vollständiger Exspiration)
auch das Kriterium PEF/FVC.
-
In
den genannten multiplen Abhängigkeiten äußert sich
die Tatsache, dass Mitarbeitsmängel
in der Regel mehrere Messgrößen affizieren
und daher von vornherein zu erwarten steht, dass ein einzelnes Kriterium
nicht ausreicht. Ein besonderes Problem stellt eine korrekt geatmete
exspiratorische Fluss-Volumen-Kurve dar, der jedoch eine ungenügende Inspiration
vorherging und deren Volumina aus diesem Grunde erniedrigt sind.
-
Neben
der zu erwartenden relativ hohen Variabilität von Manövern mit einer ungenügenden Einatmung
kann eine Möglichkeit
zur Fehlererkennung darin liegen, dass die Kurvenform sich zu unwahrscheinlichen
Werten hin ändert.
-
Anhand
der 8 wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens
der Erfindung mit konkreten Werten beschrieben. Wie zu erkennen
ist, umfasst das gezeigte Diagramm zwei Hauptpfade, die abhängig von
dem Tiffeneauwert bzw. dem Tiffeneauindex beschritten werden. 8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Verfahrens der Erfindung, wobei das in 8 gezeigte
Diagramm die zwei Hauptpfade 200 und 200' aufweist. Abhängig von
dem Tiffeneauindex 202 wird entweder der linke Pfad 200 oder
der rechte Pfad 200' verfolgt.
-
Liegt
der Tiffeneauindex 202 unter einem Wert von 0,745, geht
das Verfahren in den rechten Pfad 200', und bei einem Tiffeneauindex,
der größer oder
gleich 0,745 ist, geht das Verfahren in den linken Zweig 200. Wird
bei 204 festgestellt, dass der Tiffeneauindex 0,95 übersteigt,
so werden die zu untersuchenden Messergebnisse bei 206 der
Kategorie „0" zugeordnet, also
als nicht plausibel angesehen und daher verworfen.
-
Liegt
der Tiffeneauindex 202 oberhalb von 0,745, so geht das
Verfahren, wie erwähnt,
in den linken Pfad, wo zunächst
bei 208 überprüft wird,
ob die Flussgeschwindigkeit MEF75 größer ist als die Flussgeschwindigkeit
MEF50. Ist dies nicht der Fall, so geht das Verfahren zum Schritt 206,
wo die Messergebnisse verworfen werden. Bei 210 wird überprüft, ob die
Flussgeschwindigkeit MEF50 größer ist
als das 1,95fache der Flussgeschwindigkeit MEF25. Ist dies nicht
der Fall, geht das Verfahren wieder zum Schritt 206 und
die Messergebnisse werden verworfen. Bei 212 wird überprüft, ob der
Spitzenfluss PEF größer ist
als das 1,02fache der Flussgeschwindigkeit MEF75. Ist dies nicht
der Fall, geht das Verfahren zum Schritt 206, wo die Messergebnisse
verworfen werden. Bei 214 wird bestimmt, ob das Verhältnis aus Spitzenfluss
zu Tiffeneauindex größer als
6,8 ist. Ist dies nicht der Fall, werden die Daten bei 206 wieder
verworfen. Bei 216 wird bestimmt, ob das Verhältnis des
Spitzenflusswertes zum Wert FVC 1,15 überschreitet. Ist dies nicht
der Fall, werden die Daten bei 206 verworfen.
-
Wurde
jedoch festgestellt, dass alle Bedingungen, die in 208 bis 216 aufgestellt
sind, erfüllt
sind, so geht das Verfahren zu 218, wo die zu überprüfenden Messergebnisse
der Kategorie „1" zugeordnet werden, was
bedeutet, dass die Messergebnisse plausibel sind und damit verwendbar
und akzeptierbar.
-
Liegt
der Tiffeneauindex 202 unterhalb von 0,745, geht das Verfahren,
wie erwähnt,
in den rechten Pfad 200',
in dem die gleichen Überprüfungen durchgeführt werden,
wie im linken Pfad, was durch die entsprechenden Bezugszeichen,
die mit einem Apostroph versehen sind, angedeutet ist. Lediglich
die Grenzwerte unterscheiden sich, wie dies aus 8 ohne
weiteres zu erkennen ist.
-
Der
Grund für
die Aufteilung bei diesem Ausführungsbeispiel
ist, dass sich die Relationen zwischen den Messgrößen bei
abnehmendem Tiffeneauindex, das heißt dem Quotienten von FEV1 zu FVC, in ihrer Wertigkeit deutlich unterschieden.
Die für
die Aufteilung gewählte
Grenze des Tiffeneauwertes TIFF ist 0,745 und wurde empirisch bestimmt.
Atemwegsgesunden Patienten liegen oberhalb und alle Patienten mit
Atemwegsobstruktion liegen unterhalb dieses Wertes. Es sei darauf
hingewiesen, dass diese Grenze keinen interpretativen oder diagnostischen
Wert besitzt, sondern lediglich dazu dient, Spezifität und Sensitivität des entstehenden
Algorithmus zu verbessern. Eine Messung, die den Zweig „Tiffeneau < 0,745" des Algorithmus
durchläuft, wird
im als „obstruktiv" bezeichnet, unabhängig von
der klinischen, beispielsweise vom Alter abhängigen, Wertung einer obstruktiven
Ventilationsstörung.
-
Die
Grenzwerte wurden durch Messungen an gesunden und atemwegserkrankten
Probanden empirisch bestimmt.
-
Das
Verfahren ist so angelegt, dass bei Nichterfüllung eines der Kriterien die
gesamte Messung als unplausibel (Kategorie ,0') deklariert wird.
-
Für TIFF ≥ 74,5% sind
die Bedingungen bei diesem Ausführungsbeispiel
wie folgt gewählt:
- • PEF > MEF75 > MEF50 > MEF25
- • MEF50/MEF25 > 1,95
- • PEF/MEF75 > 1,02
- • PEF/FVC > 1,15
- • PEF/TIFF > 6,8
- • TIFF ≤ 0,95
-
Mit
diesem Ausführungsbeispiel
erhält
man ein Verfahren mit den nachstehend genannten Spezifitäten und
Sensitivitäten:
- • Spezifität bei gesunden
Probanden: 94,6%
- • Spezifität bei denjenigen
gesunden Probanden, welche die gesamte Versuchsreihe inklusive der
willkürlich
falschen Messungen durchführten:
91,7%
- • Sensitivität bei inkorrekten
Atemmanövern
gesunder Probanden: 83,3%
- • Sensitivität bei inkorrekten
Atemmanövern
mit TIFF ≥ 0,745:
75,3%
-
Da
alle Datensätze
der inkorrekten Manöver
mit einem Tiffeneauindex ≥ 0,745,
welche der Quotient PEF/FVC als unplausibel deklarierte, bereits
zuvor durch eines der anderen Kriterien als unplausibel erkannt werden,
ergibt sich durch Einbeziehen dieses Kriteriums keine weitere Sensitivitätsverbesserung.
Die Spezifität
blieb unverändert.
Eine Verschlechterung durch den Quotienten PEF/FVC ist aber auch
nicht gegeben, da dieser auch bei minimalem Peak Flow und maximaler
forcierter Vitalkapazität
den Wert von 1,15 stets deutlich übersteigt.
-
Trotz
der unveränderter
Summe aus Spezifität
und Sensitivität
verbleibt der Quotient PEF/FVC im Verfahren, da ein Mangel an Mitarbeit
zu Beginn der Exspiration zu einer Fluss-Volumen-Kurve führen kann,
die nur durch dieses Kriterium auffällig wird.
-
Für TIFF < 74,5% sind die
Bedingungen bei diesem Ausführungsbeispiel
wie folgt gewählt:
- • PEF > MEF75 > MEF50 > MEF25
- • MEF50/MEF25 > 2,05
- • PEF/MEF75 > 1,09
- • PEF/FVC > 0,8
- • PEF/TIFF > 5,5
-
Daraus
resultierten folgende Spezifitäten
und Sensitivitäten:
- • Spezifität bei allen
obstruktiven Probanden: 93,3%
- • Spezifität derjenigen
obstruktiven Probanden, welche die gesamte Versuchsreihe inklusive
der willkürlich falschen
Messungen durchführten:
94,2%
- • Sensitivität bei allen
obstruktiven Probanden: 76,0%
- • Sensitivität bei inkorrekten
Atemmanövern
mit TIFF < 0,745:
80,4%
-
Zum
Kriterium PEF/FVC ist festzuhalten, dass dieses zwar in der Lage
ist, Manöver
mit konstant submaximalen Flussraten als unplausibel zu deklarieren,
jedoch ist es isoliert zur Erkennung fehlerhafter Fluss-Volumen-Kurven
nicht geeignet, da der Quotient PEF/FVC bei anderen Fehlern (z.
B. vorzeitig abgebrochene Exspiration) sogar ansteigt.
-
Somit
kann die folgende sequentielle Abfolge der Kriterien gewählt werden,
wobei die Kriterien vor allem zur Identifikation folgender Fehler
dienen:
• PEF/MEF75: | mangelnde
Anstrengung zu Beginn des Manövers
oder Husten |
• MEF50/MEF25: | vorzeitig
abgebrochene Exspiration |
• PEF/TIFF: | konstant
submaximale Flussraten durch mangelnde Anstrengung oder durch ungenügende Inspiration
vor dem Exspirationsmanöver |
• PEF/FVC: | ungenügende initiale
Anstrengung |
• MEF75 > MEF50 | Husten
oder Inspiration während
des Exspirationsmanövers |
• TIFF < G: | vorzeitig
abgebrochene Exspiration |
-
Sind
alle Kriterien erfüllt,
so wird das Ergebnis akzeptiert (Kategorie ,1').
-
9 zeigt
schematisch die Einbringung von Variabilitäten von PEF, FEV1 und
FVC. Wie zu erkennen ist, wird zur Einbringung der Variabilitäten bei 300 zunächst überprüft, ob eine
Mehrfachmessung vorliegt, also ob zusätzlich zu der ersten Lungenfunktionsprüfung Messergebnisse
einer weiteren Lungenfunktionsprüfung vorliegen.
Ist dies nicht der Fall, so werden die Messergebnisse der Kategorie „C" bei 302 zugeordnet,
und zwar entweder der Kategorie „C1" für
akzeptable Ergebnisse oder der Kategorie „C0" für
nichtakzeptable Ergebnisse. Liegt eine Mehrfachmessung vor, so werden
die bei 304 gezeigten Grenzwerte für die verschiedenen Werte überprüft. Sind
diese Grenzwerte erfüllt,
liegen die entsprechenden Werte also unterhalb dieser Grenzwerte,
so werden die Messergebnisse der Kategorie „A" zugeordnet. Falls die Grenzwerte überschritten werden,
wird bei 308 eine zweite, höhere Grenzwerte überprüft. Für den Fall,
dass diese erfüllt
sind, werden die Messergebnisse bei 310 der Kategorie „B" zugeordnet. Ansonsten
werden die Messergebnisse bei 312 der Kategorie „D" zugeordnet.
-
Variabilitätskategorie A
-
Liegt
mindestens eine Vergleichsmessung vor, so sind gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung die folgenden Abweichungen von dem jeweiligen Maximalwert
erlaubt (,d' steht
für Abweichung):
- • dPEF ≤ 10% oder
dPEF ≤ 0,550
L/s, falls PEFmax < 5,50 L/s und
- • dFEV1 ≤ 5%
oder dFEV1 ≤ 75 mL, falls FEV1max < 1500 mL und
- • dFVC ≤ 5% oder dFVC ≤ 75 mL, falls
FVCmax < 1500
mL
-
Variabilitätskategorie B
-
Liegt
mindestens eine Vergleichsmessung vor, so sind gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung die folgenden Abweichungen vom jeweiligen Maximalwert
erlaubt:
- • dPEF ≤ 15% oder
dPEF ≤ 0,825
L/s, falls PEFmax < 5,500 L/s und
- • dFEV1 ≤ 10%
oder dFEV1 ≤ 150 mL, falls FEV1max < 1500 mL und
- • dFVC ≤ 10% oder
dFVC ≤ 150
mL, falls FVCmax < 1500 mL
-
Variabilitätskategorie C
-
Es
liegen keine Vergleichsmessungen innerhalb 60 Minuten vor oder der
Patient wurde zwischenzeitlich Allergenen ausgesetzt bzw. es wurden
Medikamente verabreicht.
-
Variabilitätskategorie D
-
Es
liegen Vergleichsmessungen vor, wobei mindestens ein Kriterium die
obigen Grenzen überschreitet.
-
Die
Variabilitätskriterien
A, B und D können
nur bei Datensätzen
angewandt werden, die innerhalb einer Stunde und ohne zwischenzeitliche
Einwirkung von Medikamenten oder Allergenen auf den Patienten erfasst
wurden, da die Variabilität
auch Ausdruck einer Atemwegsantwort auf ein Allergen oder ein Medikament sein
kann. Große
Zeitintervalle zwischen den Manövern
können
ebenfalls die Reproduzierbarkeit der Messung herabsetzen.
-
Sofern
die Zeitpunkte der Datenerhebungen mehr als eine Stunde auseinanderliegen
oder zwischenzeitlich ein Ereignis mit Auswirkung auf die Lungenfunktion
des Patienten eingetreten sein, so kann stets Kategorie ,C' vergeben werden
und somit kann nur die Akzeptabilität des Manövers für die Auswertung der Plausibilität herangezogen
werden.
-
In
der Kombination lassen sich die einzelnen Messungen in die Gruppen
A1, B1, C1, D1 und A0, B0, C0, D0 einteilen, wobei gelten kann:
A1,
B1, C1: | korrektes
Manöver |
D1: | zu
stark variierend und somit wahrscheinlich inkorrektes Manöver |
beliebig
(,X') 0: | inkorrektes
Manöver |
-
Die
Unterteilung der als plausibel anzusehenden Variabilitätskategorien
,A' und ,B' erfolgte, um dem befundenden
Arzt Auskunft darüber
zu geben, wie hoch die Schwankungsbreite einzelner Manöver war.
-
Das
hier beschriebene Verfahren kann eine Plausibilitätskontrolle
vor allem für
solche Messdaten darstellen, die ohne Aufsicht, beispielsweise an
einem mobilen Spirometer, gewonnen werden. Bei so erhaltenen Datensätzen ist
eine Kontrolle der Durchführung
des Manövers
ebenso wenig möglich
wie beispielsweise eine Überprüfung der
Körperhaltung
des Patienten. Somit entfallen folgende Punkte der Empfehlung von
ATS und ERS zur Akzeptabilitätskontrolle:
- 1.) Die maximale Inspiration vor dem forcierten
Exspirationsmanöver
kann weder während
der Messung noch danach überprüft werden,
da mobile Spirometer in aller Regel, unter anderem aus hygienischen
Gründen,
ausschließlich
die Exspi ration aufzeichnen. Die vorausgehende Inspiration wird
nicht am Gerät
vorgenommen und somit nicht archiviert. Es muss weiterhin davon
ausgegangen werden, dass dies nicht zwangsläufig zu auffällig hohen
Variabilitäten
einzelner Messungen führt,
sofern der Patient stets um etwa das gleiche Volumen zu wenig einatmet.
Somit kann eine submaximale Inspiration vor dem Messmanöver bei
der Befundung unbemerkt zu fälschlicherweise
niedrigen Flussraten und Lungenkapazitäten führen und sogar eine Atemwegsobstruktion
vortäuschen,
sofern das FEV1 isoliert betrachtet wird.
Wichtig ist anzumerken, dass insbesondere bei einer Einzelmessung
die Ausatemkurve völlig
plausibel und korrekt erscheinen kann und dennoch alle Werte zu
niedrig sind, da sie von einem zu geringen Inspirationsvolumen ausgingen.
-
Auch
eine Atempause von länger
als einer Sekunde in maximaler Inspirationslage vor Beginn des forcierten
Exspirationsmanövers
kann nicht ohne Aufsicht festgestellt werden, da sich der Patient
zum Zeitpunkt der Einatmung noch nicht am Mundstück befindet.
- 2.)
Die Kriterien, welche das Testende definieren, sind ohne Aufsicht
schwer zu erfassen, da nicht beurteilt werden kann, ob der Patient
trotz größter Anstrengung
nicht mehr weiter auszuatmen in der Lage war. Eine ungenügende Exspirationsleistung,
hervorgerufen durch die erhöhte
Anstrengung beim Atemwegsobstruktiven oder durch Mitarbeitsmängel beim
Gesunden, kann ebenso ein Plateau in der Flussgeschwindigkeit bedingen.
- 3.) Husten während
des Manövers
wird von einigen mobilen Spirometern nicht registriert. Somit können Artefakte
bestenfalls bei der Beurteilung der Fluss-Volumen-Kurve entdeckt
werden, vorausgesetzt, das mobile Spirometer zeichnet nicht nur
Daten, sondern auch die zugehörigen
Graphen quasi kontinuierlich auf; dies ist in der Regel nicht der
Fall. Bei ausschließlicher
Aufzeichnung einzelner Stützpunkte
bleiben Artefakte zwischen diesen unbemerkt.
- 4.) Ein teilweiser Verschluss des Mundstückes wird ebenso wenig erkannt
wie am Mundstück
vorbeiströmende
Luft. Auch hier kann ein Fehler im Umschließen des Mundstückes, wenn
er wiederholt gemacht wird, nicht zwingend anhand der Variabilität erkannt
werden und führt
damit bei der Befundung zu mangelhaften Ergebnissen.
- 5.) Ob die Exspirationsleistung während des gesamten Versuches
maximal ist, kann ohne Aufsichtsperson nicht beurteilt werden. Als
Folge werden Datensätze,
die mit mangelhafter Compliance des Patienten entstehen, als korrekt
und möglicherweise
fälschlich
als Hinweise auf eine Erkrankung angenommen.
-
Diese
Tatsachen machen eine konventionelle Akzeptabilitätskontrolle
nach ATS/ERS-Kriterien für
ein portables Spirometer praktisch unmöglich. Sie führen dazu,
dass Plausibilitätskontrollen
an derartigen Geräten allenfalls
durch die Kontrolle der Exspirationsdauer und der Variabilität von direkt
aufeinanderfolgend durchgeführten
Manövern
vollzogen werden.
-
Somit
stellt das hier dargestellte Verfahren nicht einfach eine Weiterentwicklung
der bisherigen Standards dar, sondern eine völlig neue Kontrollmethode,
die vor allem bei der Vorauswahl großer Datenmengen, die ohne Aufsicht
gewonnen werden, eine große
Bedeutung haben kann. Doch auch bei Anwesenheit eines Arztes oder
einer technischen Assistenzkraft während der Lungenfunktionsmessung
kann der Algorithmus ergänzend
zu den gängigen
Standards verwendet werden. In diesem Falle kann die Einteilung
dieser Methode in die Kategorien „plausibel" oder „nicht plausibel" als Empfehlung und
Hinweis angesehen werden.
-
10 zeigt
eine Darstellung der Einbettung des Verfahrens in eine Lungenfunktionsprüfung. Die 10 zeigt
eine Darstellung eines Beispiels für eine Lungenfunktionsprü fung. In
einem anfänglichen
Schritt 400 wird zunächst überprüft, ob das
für die
Lungenfunktionsprüfung
vorgesehene Gerät,
z. B. das Spirometer, eine ausreichende Messqualität aufweist,
die eine Verwendung mit Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ermöglicht.
Anschließend
erfolgt bei 402 eine Kalibrierung. Nachfolgend wird bei 404 der
Patient befragt und instruiert, wie die Anordnung zu benutzen ist,
beispielsweise durch Vorführung
des durchzuführenden
Manövers.
Bei 406 wird die Messung unter Aufsicht durchgeführt und
bei 408 wird die Akzeptabilität und Variabilität nach den
ATS/ETS-Kriterien überprüft. Bei 410 erfolgt
eine Messung ohne Aufsicht, und sowohl die Messergebnisse aus 408 als
auch die Messergebnisse aus 410 werden für eine Akzeptabilitäts- und
Variabilitätskontrolle
durch einen Algorithmus, der Ausführungsbeispiele der Erfindung
implementiert, überprüft und bei 414 werden
die besten Datensätze
bzw. die brauchbaren Datensätze
ausgegeben, und für eine
klinische Befundung und Interpretation bei 416 bereitgestellt.
-
Ebenfalls
sei darauf hingewiesen, dass der Algorithmus keine Beurteilung der
Lungenfunktion im Sinne der klinischen bzw. diagnostischen Befundung
umfasst; derartige Algorithmen sind verfügbar und teils schon in Lungenfunktionsgeräte integriert.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung können
in vielerlei Hinsicht Verwendung finden, z. B. für den Einbau in spirometrische
Hardware, oder bei der Off-Line-Prüfung großer Datensätze, wie sie beispielsweise
in der Telemedizin anfallen.
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Die
gefundenen Grenzwerte bzw. Parameter sind flexibel angelegt. Die
getroffene Unterscheidung zwischen Tiffeneauwerten ≥ 0,745 und < 0,745 kann variabel
gehandhabt werden. Grundsätzlich
ist eine stufenlose Grenzwerteinteilung der Relationen je nach Tiffeneauindex
möglich,
sofern ausreichend große
Datensätze
zwecks Validierung zur Verfügung
stehen.
-
11 zeigt
eine schematische Darstellung eines Spirometers. In 11 sind
die verschiedenen Komponenten eines Spirometers gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Kern des
Spirometers besteht in der spirometrischen Hardware 500,
die dazu dient, die entsprechenden Signale aufzunehmen. Ferner ist
ein Algorithmus 502 vorgesehen, der ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung implementiert. Im Block 504 erfolgt eine
Messung der Exspirationsdauer. Die spirometrische Hardware bewirkt
die Ausgabe eines Videosignals 506 und/oder eines Audiosignals 508,
wobei über
das Videosignal ein Demonstrations-Video bezüglich der korrekten Durchführung des
Manövers
ausgegeben werden kann, wie dies beim Block 510 gezeigt
ist. Über
das Videosignal 506 und/oder das Audiosignal 508 können akustische
und/oder visuelle Fehlermeldungen 512 ausgegeben werden,
wobei eine Fehlermeldung 512a bei starken Flussschwankungen,
eine Fehlermeldung 512b bei einer Inspiration während eines
forcierten Exspirationsmanövers,
eine Fehlermeldung 512c betreffend die nicht vorhandene
Plausibilität
der Messergebnisse und eine Erklärung
der Fehlermeldung bei 512d ausgegeben werden kann. Ferner
können
Messdaten bei 512e, welche trotz des Fehlers verwertbar
sind, maskiert werden.
-
Ferner
kann dem Benutzer im Falle eines ungenügenden Messmanövers ein
Feedback geliefert werden, z. B. durch Sprachausgabe, die auf den
Mitarbeitsfehler sowie die Art der korrekten Durchführung hinweist.
In Kombination mit einem fakultativ auf dem Display dargebotenen
Video, welches die korrekte Durchführung des Manövers in
anschaulicher Weise darstellt, könnte
die Qualität
der aufgezeichneten Daten deutlich verbessert werden. Durch den
Ansatz, unplausible und unglaubwürdige
Datensätze
zu markieren, kann sich auch der zeitliche Arbeitsaufwand des befundenden
Arztes reduzieren. Dies ist für
die Telemedizin, ein arbeitsmedizinisches Monitoring und auch für langfristig
angelegte Therapiestudien gleichermaßen bedeutsam.
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Da
nicht alle Messdaten fehlerbehafteter Manöver gänzlich verworfen werden müssen (so
können
z. B. bei vorzeitig abgebrochener Exspiration das forcierte Einsekundenvolumen
und der Peak Flow oft verwertbar sein), kann vorgesehen sein, neben
einer Markierung des jeweiligen fehlerhaften Manövers auch Auskunft darüber zu geben,
welche Daten dennoch verwertbar sind.
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Abhängig von
den Gegebenheiten kann das Verfahren der Erfindung in Hardware oder
in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem
digitalen Speichermedium, z. B. einer Diskette oder CD, mit elektronisch
auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren
Computersystem zusammenwirken können,
dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht
die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit
auf einem maschinenlesbaren Träger
gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner
abläuft.
In anderen Worten ausgedrückt
kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode
zur Durchführung
des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf
einem Computer abläuft.