DE102010047546A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Auswertung und Analyse eines Kapnogramms und Computerprogramm zur Implementierung des Verfahrens sowie Computerprogrammprodukt mit einem solchen Computerprogramm - Google Patents

Abstract

Es werden ein z. B. als Software implementiertes Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur automatischen Auswertung und Analyse eines Kapnogramms angegeben, wobei für das Atemgas eines Probanden Messwerte für ein ausgeatmetes Volumen – Volumenmesswerte – und Messwerte für eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration – Konzentrationsmesswerte – aufgenommen werden, wobei eine automatische Approximation zumindest eines Teils des Verlaufs der Konzentrationsmesswerte über den Volumenmesswerten erfolgt, indem zur Approximation drei aneinander anschließende Geraden verwendet werden, wobei mit Hilfe der dritten Geraden die Flächenbestimmung gemäß Fowler für die Bestimmung des seriellen Totraumes Vds erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Auswertung und/oder Analyse eines sogenannten Kapnogramms, insbesondere eines volumetrischen Kapnogramms, sowie eine korrespondierende Vorrichtung, die zur automatischen Ausführung des Verfahrens vorgesehen und geeignet ist. Als Vorrichtung kommt dabei jedes Gerät in Betracht, bei dem die Untersuchung der Atmung oder der Lungenfunktion eines Probanden oder Patienten eine Rolle spielt, also z. B. ein Anästhesiegerät oder ein Beatmungsgerät. Während ein Beatmungsgerät zumindest teil- oder zeitweise die Atmung eines Probanden oder Patienten, im Folgenden zusammenfassend als Proband bezeichnet, unterstützt, sind andere Geräte, z. B. Kapnometer, ohne eine derartige aktive Funktion im Wesentlichen für Analysezwecke vorgesehen, z. B. für nicht invasive Methoden zur Unterstützung einer Diagnose von insbesondere krankhaften Veränderungen der Lunge oder zur Beobachtung von therapeutischen Erfolgen bei einer Lungenbehandlung, usw. Hier und im Folgenden werden sämtliche Geräte der oben genannten Art unter dem Begriff Vorrichtung oder Gerät zusammengefasst. Für das Verfahren kommt eine Implementierung als Software in Betracht, so dass die Erfindung auch ein entsprechendes Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt mit einem solchen Computerprogramm betrifft.
• Bei bekannten Beatmungsgeräten ist die Darstellung eines so genannten volumetrischen Kapnogramms üblich, um zum Beispiel bei einem in der Intensivmedizin verwendeten derartigen Gerät dem Betreuungspersonal eine Beurteilung des Atemvorgangs zu erlauben.
• In 1 ist ein solches volumetrisches Kapnogramm exemplarisch dargestellt.
• Zum Erhalt eines solchen volumetrischen Kapnogramms werden für das Atemgas eines Probanden Messwerte für ein Maß für ein ausgeatmetes Volumen und Messwerte für ein Maß für eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration – kurz CO₂ Konzentration – aufgenommen. Als Maß für ein ausgeatmetes Volumen kommt z. B. eine mit einem Durchflusssensor messbare Luftstrommenge in Betracht. Als Maß für eine CO₂-Konzentration kommen z. B. die tatsächliche CO₂-Konzentration (F_CO2) selbst oder ein CO₂-Partialdruck (P_CO2) in Betracht. Zur Messung der CO₂-Konzentration kommt ein CO₂-Sensor in Betracht. Die Messwerte werden üblicherweise zu vorgegebenen oder vorgebbaren, normalerweise äquidistanten Zeitpunkten aufgenommen, so dass sich eine Mehrzahl von Wertepaaren ergibt.
• Jeweils zwei zum gleichen oder zumindest im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt aufgenommene Messwerte bilden ein Wertepaar. Bei den aufgenommenen Messwerten handelt es sich jeweils um Messwerte für ein Maß für die Kohlenstoffdioxid-Konzentration, im Folgenden kurz als Konzentrationsmesswerte bezeichnet, und um Messwerte für ein Maß für das ausgeatmete Volumen, im Folgenden entsprechend kurz als Volumenmesswerte bezeichnet. Jedes Wertepaar umfasst dementsprechend einen Konzentrationsmesswert und einen Volumenmesswert. Bei einer graphischen Darstellung der während eines Ausatemvorgangs aufgenommenen Messwerte in einem kartesischen Koordinatensystem, nämlich bei einer Darstellung der Konzentrationsmesswerte über den jeweils zugehörigen Volumenmesswerten, ergibt sich ein linienförmiger Verlauf und die Gesamtheit der so dargestellten Messwerte bildet das volumetrische Kapnogramm. Dabei werden auf der Abszisse die Volumenmesswerte und auf der Ordinate die Konzentrationsmesswerte abgetragen.
• Das volumetrische Kapnogramm weist erkennbar drei Abschnitte auf, die in der Fachliteratur von links beginnend als Phase 1, Phase 2 und Phase 3 bezeichnet werden und in 1 mit P1, P2 und P3 bezeichnet sind.
• Zu Beginn der Ausatmung gelangt Atemgas (Gas) aus den Atemwegen zum jeweiligen Sensor, z. B. zum CO₂-Sensor, das nicht am Gasaustausch mit dem Blut teilgenommen hat. Es enthält entsprechend nur einen geringen oder keinen CO₂-Anteil (Phase 1). Erst wenn Gas aus den Alveolen der Lunge den CO₂-Sensor erreicht, steigt die messbare CO₂-Konzentration merklich an (Phase 2). Zum Ende der Anstiegsphase erreicht die CO₂-Konzentration ein Plateau, wobei auch innerhalb des Plateaus die CO₂-Konzentration normalerweise zumindest leicht weiter zunimmt (Phase 3).
• Bei der Auswertung des Kapnogramms sind zwei Kenngrößen von besonderer Bedeutung: Zum Einen das Volumen, ab welchem die CO₂-Konzentration ansteigt, und zum Anderen die Änderung der CO₂-Konzentration im Bereich des Plateaus.
• Das Volumen, ab welchem die CO₂-Konzentration ansteigt, beschreibt die ausgeatmete Gasmenge, die nicht die Alveolen erreicht hat und deshalb nicht am Gasaustausch mit dem Blut teilnehmen konnte. Zu dieser Gasmenge gehört zumindest der Gasinhalt von Mund, Rachen und oberer Luftröhre des Probanden. In diesem Atemvolumenbereich findet kein Gasaustausch über die Alveolen statt. Die CO₂-Konzentration wird folglich im Wesentlichen der CO₂-Konzentration der zuvor eingeatmeten Luft entsprechen. Dieses Volumen wird als serieller Totraum bezeichnet oder nach Abzug des Messgeräte-Gasvolumens auch als anatomischer Totraum. Er wird in der Literatur mit dem Formelzeichen Vds bezeichnet. Der Totraum oder eine Veränderung des Totraums während einer Therapie oder während einer länger andauernden Beobachtung eines Probanden kann als Anhalt für Veränderungen der Lunge oder der Atemwege herangezogen werden.
• Die Änderung der CO₂-Konzentration im Bereich des Plateaus ist ganz allgemein ein Maß für die Qualität des Gasaustausches in der Lunge.
• Für die Bestimmung dieser beiden Kennwerte hat sich das Verfahren von Fowler (Fowler W. S., Lung function studies II: The respiratory dead space, Am. J. Physiol., Bd. 154: (1948), S. 405–416) durchgesetzt und wird häufig angewendet.
• Der Messwerteverlauf in 1 wird zur weiteren Erläuterung auch als FCO2-Kurve bezeichnet, denn der Messwerteverlauf stellt die Kohlenstoffdioxid-Konzentration (F_CO2) während des Ausatemvorgangs, also über den Volumenmesswerten, dar. Das Verfahren nach Fowler beginnt damit, dass ”mit freiem Auge” eine Gerade durch das Plateau der FCO2-Kurve in Phase 3 gelegt wird. Anschließend wird eine senkrechte Linie in den Verlauf der FCO2-Kurve in Phase 2 positioniert. Die Position der senkrechten Linie wird dabei so gewählt, dass eine Fläche links von der senkrechten Linie und eine Fläche rechts von der senkrechten Linie gleich oder zumindest annähernd gleich sind. Die dabei betrachtete Fläche rechts von der senkrechten Linie wird einerseits durch die Linie selbst, dann die FCO2-Kurve und schließlich die zuvor durch das Plateau gelegte Gerade begrenzt. Die Fläche links von der senkrechten Linie wird ebenfalls durch die Linie selbst und die FCO2-Kurve sowie die Abszisse des Koordinatensystems (FCO2-Nulllinie) begrenzt. 2 stellt diesen Sachverhalt bildlich dar. Die beiden Flächen links und rechts von der senkrechten Linie sind in der Darstellung mit A1 bzw. A2 bezeichnet. Eine solche Auswertung wurde bisher von insoweit geschultem medizinischen Personal aufgrund einer Betrachtung des Kapnogramms durchgeführt, wobei die Position der senkrechten Linie im Hinblick auf die Gleichheit der rechts und links angrenzenden Flächen im Wesentlichen geschätzt wurde. Eine tatsächliche Bestimmung der Inhalte der beiden rechts und links angrenzenden, Flächen und damit eine exakte Positionierung der senkrechten Linie zur Ermittlung des seriellen Totraums hat im Wesentlichen für wissenschaftliche Publikationen und dergleichen stattgefunden.
• Eine automatische Auswertung eines volumetrischen Kapnogramms, dort als Exspirogramm bezeichnet, ist aus der DE 10 2004 039 194 A bekannt geworden. Auf dieses Dokument wird zur Vermeidung von hier unnötigen Wiederholungen verwiesen, z. B. im Hinblick auf die Erläuterung einzelner Fachbegriffe wie ”Totraum” oder generell im Hinblick auf die Erläuterung der physiologischen Grundlagen zum Gausaustausch in der Lunge.
• Der Ansatz aus der DE 10 2004 039 194 A verwendet einen bestimmten Funktionstypen, der einem idealen Kapnogramm nahe kommt. Ein solcher Ansatz ist nicht genügend flexibel, um davon erheblich abweichende und damit unbrauchbare Kapnogramme ohne menschliche Interaktion zu identifizieren. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein genügend flexibles Verfahren zur automatischen Auswertung eines volumetrischen Kapnogramms anzugeben, welches sowohl die für den Fowler-Algorithmus anzugebende Gerade durch Phase 3 ermittelt als auch in der Lage ist, unbrauchbare Kapnogramme zu identifizieren.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu sind bei einem Verfahren zur automatischen Auswertung und Analyse eines Kapnogramms, z. B. bei einem Verfahren zum Betrieb eines Beatmungsgeräts oder allgemein bei einem Verfahren zum Betrieb eines Gerätes zur Analyse der Atmung und/oder der Lungenfunktion, die nachfolgenden Schritte vorgesehen:
  Für das Atemgas eines Probanden werden Messwerte für ein Maß für ein ausgeatmetes Volumen und Messwerte für ein Maß für eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration aufgenommen. Die Messwerte für ein Maß für die Kohlenstoffdioxid-Konzentration und die Messwerte für ein Maß für das ausgeatmete Volumen werden hier und im Folgenden kurz als Konzentrationsmesswerte bzw. Volumenmesswerte bezeichnet.
• Ein Verlauf der Konzentrationsmesswerte über den Volumenmesswerten bildet eine Basis für eine automatische Analyse der aufgenommenen Messwerte mit den folgenden weiteren Schritten:
  Es erfolgt eine automatische Approximation des Verlaufs der Konzentrationsmesswerte über den Volumenmesswerten mit Hilfe von drei Geradenabschnitten.
• Für die automatische Approximation zumindest eines Teils des Verlaufs der Konzentrationsmesswerte über den Volumenmesswerten kommt ein computerimplementierter, nummerischer Optimierungsalgorithmus, z. B. der Levenberg-Marquardt-Algorithmus, in Betracht, bei dem es sich bekanntlich um einen nummerischen Optimierungsalgorithmus zur Lösung nichtlinearer Ausgleichs-Probleme mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate handelt. Die Methode der kleinsten Quadrate ist an sich als mathematisches Standardverfahren zur Ausgleichungsrechnung bekannt und wird beim Levenberg-Marquardt-Algorithmus zur Bewertung des Optimierungsfortschritts verwendet. Allgemein wird zu einer durch Messwerte vorgegebenen Punktmenge eine Kurve gesucht, die möglichst nahe an den Punkten der Punktmenge verläuft. Die bei der hier betrachteten Problematik durch Messwerte vorgegebene Punktmenge sind die einzelnen Punkte des Kapnogramms, und die Approximation erfolgt derart, dass sechs Parameter bestimmt werden, bestehend aus einem Konzentrationsanfangswert F0, einem ersten und zweiten Wertepaar (V1, F1), (V2, F2) und einem Konzentrationsendwert F3. Zusammen mit den festliegenden Anfangs- und Endvolumenwerten V0 und V3 legen diese Parameter drei aneinander anschließende Geraden fest, mit deren Hilfe das Kapnogramm approximiert wird, wobei das erste Wertepaar den Endpunkt des ersten Abschnitts und den Startpunkt des zweiten Abschnitts und das zweite Wertepaar den Endpunkt des zweiten Abschnitts und den Startpunkt des dritten Abschnitts definieren.
• Anhand der ermittelten Parameter wird als automatische Analyse der aufgenommenen Messwerte ein Maß für den seriellen Totraum der Lunge des Probanden entsprechend der Methode von Fowler ermittelt.
• Die o. g. Aufgabe wird ebenfalls mit einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gelöst. Eine solche Vorrichtung zeichnet sich durch die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs aus. Als Vorrichtung kommt ein Beatmungsgerät oder jedes andere Gerät, das die Atmung unterstützt oder zur Atmungsanalyse oder dergleichen vorgesehen ist, in Betracht, speziell ein Kapnometer. Die Vorrichtung kann auch als im wesentlichen separate Funktionseinheit von einem Gerät mit weiteren Funktionen umfasst sein.
• Als derartiges, die Vorrichtung als Funktionseinheit umfassendes Gerät kommt wiederum ein Beatmungsgerät in Betracht.
• Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der zugrunde liegende Ansatz eine einfache Implementierung des oben beschriebenen Verfahrens und ggf. auch seiner nachfolgend erläuterten Ausführungsformen erlaubt. Entsprechendes gilt für die Schaffung einer Vorrichtung oder eines Gerätes, welche bzw. welches das Verfahren ausführt, nach dem Verfahren arbeitet oder zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen ist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des in Bezug genommenen unabhängigen Anspruchs durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
• Das Maß für den seriellen Totraum der Lunge des Probanden lässt sich automatisch besonders einfach anhand eines Abstands der jeweils zum ersten und zweiten Wertepaar gehörenden Volumenmesswerte abschätzen, z. B. indem die Mitte der beiden Volumenmesswerte als Maß für den seriellen Totraum angenommen wird. Wenn die Volumenmesswerte des ersten und zweiten Wertepaars jeweils symbolisch mit V1 und V2 bezeichnet werden, ergibt sich als Maß für den seriellen Totraum – Formelzeichen Vds – ein numerischer Wert als Vds = V1 + (V2 – V1)/2 = (V2 + V1)/2.
• Das automatisch ermittelte Maß für den seriellen Totraum der Lunge des Probanden lässt sich automatisch gemäß Fowler iterativ verbessern. Dazu wird der zunächst ermittelte Wert für den seriellen Totraum und im Weiteren der schrittweise neu ermittelte Wert für den seriellen Totraum im Koordinatensystem nach rechts oder links verschoben, bis eine erste Fläche und eine zweite Fläche vor und nach dem ermittelten Wert übereinstimmen. Die dabei betrachtete erste und zweite Fläche vor und nach dem ermittelten Wert sind die auch bei dem Verfahren von Fowler betrachteten Flächen und insoweit wird auf deren Darstellung in 2 verwiesen. Die iterative Verbesserung beginnt mit einem z. B. in der Mitte zwischen den beiden zum ersten und zweiten Wertepaar gehörenden Volumenmesswert liegenden Wert als anfänglichem Maß für den seriellen Totraum. Für diesen Wert werden die Inhalte der beiden Flächen A1 und A2 ermittelt. Sodann wird in Richtung der größeren Fläche Messpunkt für Messpunkt vorangeschritten und die Flächeninhalte neu bestimmt. Dabei wird die kleinere Fläche vergrößert und die größere verkleinert. Wenn der Messpunkt erreicht wird, bei dem die kleinere Fläche zur größeren wird, bricht das Verfahren ab. Abschließend kann die Fläche zwischen diesem und dem vorhergehenden Messpunkt durch Interpolation geeignet auf A1 und A2 verteilt werden, so dass Gleichheit erreicht wird. Das so bestimmte Volumen ist der gesuchte Wert Vds.
• Anhand des zweiten Wertepaars und eines weiteren, letzten Wertepaars, mit einem Endvolumenmesswert und einem zugehörigen Konzentrationsmesswert, kann ein Maß für eine Qualität eines Gasaustausches in der Lunge des Probanden ermittelt werden. Bekannt ist, dass die Steigung der Konzentrationsmesswerte im Bereich des Plateaus in Phase 3 des Kapnogramms ein Maß für die Gasaustauschqualität in der Lunge ist. Mit dem zweiten Wertepaar und dem letzten Wertepaar und den davon jeweils umfassten Volumen- und Konzentrationsmesswerten, hier und im Folgenden symbolisch mit V2 und F2 bzw. V3 und F3 bezeichnet, lässt sich die Steigung der Konzentrationsmesswerte im Bereich des Plateaus in Phase 3 wie folgt ausdrücken: dFCO2/dV = (F3 – F2)/(V3 – V2).
• Anhand des ersten und zweiten Wertepaars und des letzen Wertepaars kann automatisch eine Abschätzung einer Qualität der Approximation und/oder eine Abschätzung einer Brauchbarkeit der aufgenommenen Messwerte erfolgen. Z. B. kann eine Unterschreitung eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwerts für eine Differenz des Endvolumenmesswerts V3 und des zum zweiten Wertepaar gehörenden Volumenmesswerts V2 automatisch als mangelnde Brauchbarkeit der Messwerte ausgewertet werden. Eine solche Bewertung kann sich, wie in dem vorangehenden Beispiel, nur auf das zweite und das letzte Wertepaar beziehen. Andererseits kann sich die Bewertung auch auf das erste und das zweite Wertepaar oder auf das zweite Wertepaar und das letzte Wertepaar beziehen, indem z. B. die Steigungen der dazwischen jeweils verlaufenden Geraden, also der Geraden in Phase 2 und Phase 3 des Kapnogramms, verglichen wird. Für einen solchen Vergleich werden zulässige Relationen definiert und geeignet verfügbar gemacht, also z. B. in einem Speicher hinterlegt, und die automatische Auswertung als mangelnde Qualität der Approximation oder mangelnde Brauchbarkeit der Messwerte kann davon abhängig gemacht werden, ob der so definierte Bereich zulässiger Relationen verlassen wird. Weitere Kriterien können aus einem Vergleich einer Länge der Phase 3 mit Werten z. B. für V3 oder Vds abgeleitet werden, usw.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Das Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Abänderungen und Modifikationen möglich, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.
• Es zeigen
• 1 ein sogenanntes volumetrisches Kapnogramm, also hier einen Verlauf von Messwerten, die eine CO2-Konzentration in ausgeatmeter Atemluft darstellen, über Messwerten für das ausgeatmete Gasvolumen,
• 2 das Kapnogramm aus 1 mit zwei darin eingepassten Geraden zur Auswertung des Kapnogramms nach der Methode von Fowler,
• 3 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zur automatischen Auswertung und Analyse eines Kapnogramms,
• 4 ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Steuerungsprogramms, unter dessen Kontrolle die automatische Auswertung und Analyse eines Kapnogramms erfolgt,
• 5 eine vereinfachte Darstellung eines Ergebnisses einer automatischen Auswertung und Analyse eines Kapnogramms und
• 6 eine vereinfachte Darstellung einer automatischen Verbesserung des Ergebnisses nach einem ersten Auswertungs- und Analyseschritt wie in 5 dargestellt.
• 1 zeigt, wie bereits erwähnt, einen Verlauf von Messwerten, die eine CO2-Konzentration in ausgeatmeter Atemluft darstellen, über Messwerten für das ausgeatmete Gasvolumen. Die Darstellung der Messwerte, wie in 1 gezeigt, wird als volumetrisches Kapnogramm bezeichnet. Die Messwerte für die CO2-Konzentration – Konzentrationsmesswerte (z. B. symbolisch als F_k, F_k+1, F_k+2, ... F_k+n geschrieben, wobei k bis k + n Abtastzeitpunkte für die Aufnahme der Messwerte bezeichnen) – werden in dem dargestellten kartesischen Koordinatensystem als FCO2 entlang der Ordinate abgetragen. Die Messwerte für das ausgeatmete Gasvolumen – Volumenmesswerte (z. B., analog wie oben bei den Konzentrationsmesswerten, symbolisch als V_k, V_k+1, V_k+2, ... V_k+n geschrieben) – werden als V entlang der Abszisse abgetragen. Der Verlauf der Messwerte wird als FCO₂-Kurve bezeichnet und in dieser sind drei Abschnitte oder Phasen P1, P2, P3 erkennbar. Wichtige Kenngrößen der FCO2-Kurve sind ein symbolisch als Vds bezeichnetes Maß für den seriellen Totraum etwa in der Mitte der zweiten Phase P2 und eine Steigung dFCO2/dV der dritten Phase P3.
• 2 zeigt, wie ebenfalls bereits erwähnt, den Ansatz zur Bestimmung der oben genanten Kenngrößen mit dem Verfahren von Fowler (a.a.O.). Dazu wird eine erste Gerade im Bereich der dritten Phase 3 an die FCO2-Kurve angepasst und anschließend eine senkrechte Linie so in den Bereich der zweiten Phase P2 gelegt, dass die Inhalte der rechts und links von der senkrechten Linie und der FCO2-Kurve begrenzten Flächen A1, A2 gleich oder zumindest im Wesentlichen gleich sind.
• 3 zeigt schematisch vereinfacht eine Vorrichtung 10 zur automatischen Bestimmung zumindest einer der beiden oben genanten Kenngrößen. Als Vorrichtung 10 kommt ein Beatmungsgerät oder ein Gerät der eingangs beschriebenen Art in Betracht. Genauso kann ein solches Gerät oder ein Beatmungsgerät die Vorrichtung 10 als Funktionseinheit umfassen. Im letzteren Fall kommt auch eine modulare Ausführung der Vorrichtung 10 in Betracht, so dass die Vorrichtung mit bestehenden Geräten kombiniert werden kann, um deren Funktionsumfang zu erweitern.
• In eine Leitungseinheit 12, die entweder von der Vorrichtung 10 oder von einem die Vorrichtung 10 umfassenden Gerät umfasst ist, strömt von einem Probanden 14 ausgeatmete Atemluft ein. Bei einer Verwendung der Vorrichtung 10 in einem Beatmungsgerät wird der Proband 14, je nach Ausführungsform des Beatmungsgeräts, über die Leitungseinheit 12 mit einem insbesondere mit Sauerstoff angereichertem Atemgas versorgt. Das vom Probanden 14 ausgeatmete Gas gelangt jedenfalls zu einem ersten Sensor zur Erfassung von Volumenmesswerten, z. B. einem Durchflusssensor oder Flowsensor 16, welcher den Volumenstrom (Flow) misst, und zu einem zweiten Sensor zur Erfassung von Konzentrationsmesswerten, z. B. einem CO2-Sensor 18, der die CO2-Konzentration oder den CO2-Partialdruck misst. Die Reihenfolge der Sensoren 16, 18 ist beliebig und die Konzentrationsmesswerte können genauso in der Leitungseinheit 12 vor den Volumenmesswerten oder an etwa gleicher Stelle in der Leitungseinheit 12 aufgenommen werden. Beide Sensoren 16, 18 geben die jeweils aufgenommenen Messwerte an eine Auswerteeinheit 20 der Vorrichtung 10. Die Sensoren 16, 18 können Bestandteil der Vorrichtung 10 oder Bestandteil eines die Vorrichtung 10 umfassenden Gerätes sein. Im letzteren Fall umfasst die Vorrichtung Mittel, also z. B. eine Schnittstelle, zur Übernahme der Messwerte von den Sensoren 16, 18. Zur Vorrichtung 10 gehört zumindest ein Speicher 22 und eine Verarbeitungseinheit 24 nach Art eines Mikroprozessors oder dergleichen. Von den Sensoren 16, 18 eingehende Messwerte werden in einem Datenspeicherbereich 26 des Speichers 22 abgelegt. Die Funktion der Auswerteeinheit 20 wird durch ein in einem Programmspeicherbereich 28 des Speichers 22 abgelegtes, hier als Steuerungsprogramm 30 bezeichnetes Computerprogramm bestimmt. Unter der Kontrolle des Steuerungsprogramms 30 erfolgt die Entgegennahme und das Abspeichern der von den Sensoren 16, 18 gelieferten Volumen- und Konzentrationsmesswerte in dem Datenspeicherbereich 26. Des Weiteren erfolgt unter Kontrolle des Steuerungsprogramms 30 eine Auswertung und Analyse der so abgespeicherten Messwerte. Als Ergebnis der Auswertung/Analyse wird auf einer Anzeigeeinheit, z. B. einem optischen Anzeigegerät nach Art eines Bildschirms 32, zumindest ein Maß für den seriellen Totraum der Lunge des Probanden 14 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich wird ein Maß für die Qualität des Gasaustausches in der Lunge des Probanden 14 dargestellt. Die dabei dargestellten oder ggf. dargestellten Werte sind die für Vds und dFCO2/dV ermittelten Werte. Die Anzeigeeinheit kann Bestandteil der Vorrichtung 10 oder des diese umfassenden Geräts sein oder extern von dieser bzw. diesem angeordnet und mit dieser bzw. diesem kommunikativ verbunden sein.
• 4 stellt einzelne Aspekte des Steuerungsprogramms 30 (3) graphisch anhand eines Flussdiagramms dar.
• Das Steuerungsprogramm 30 umfasst einen ersten Programmcodeblock 34 mit zumindest einer Programmcodeanweisung zur Aufnahme der Messwerte, nämlich der Konzentrations- und Volumenmesswerte, deren graphische Darstellung bereits in 1 und 2 gezeigt war. Der erste Programmcodeblock 34 umfasst Programmcodeanweisungen, um den Beginn und das Ende eines Ausatemvorgangs des Probanden 14 (3) zu erkennen, so dass eine Folge aufgenommener Messwerte genau einem Ausatemvorgang zugeordnet werden kann. Der Beginn und das Ende eines Ausatemvorgangs ist z. B. an einer Vorzeichenumkehr der Volumenmesswerte erkennbar, weil ein Ausatemvorgang an einen Einatemvorgang anschließt und sich an einen Ausatemvorgang ein weiterer Einatemvorgang anschließt. Möglichkeiten zum Erkennen des Beginns und des Endes eines Ausatemvorgangs sind an sich bekannt. Die Erwähnung der Vorzeichenumkehr der Volumenmesswerte erfolgt deshalb hier nur beispielhaft. Der erste Programmcodeblock wird ausgeführt, bis alle zu einem Ausatemvorgang gehörigen Messwerte aufgenommen und im Datenspeicherbereich 26 des Speichers 22 der Auswerteeinheit 20 abgelegt sind.
• Sodann erfolgt die Analyse der aufgenommenen Messwerte. Dafür ist ein zweiter Programmcodeblock 36 vorgesehen. Dieser umfasst z. B. einen computerimplementierten, an sich bekannten Levenberg-Marquardt-Algorithmus. Die Algorithmus ist vorgesehen, um drei Geraden zu ermitteln, die den Verlauf der aufgenommenen Konzentrationsmesswerte über den aufgenommenen Volumenmesswerten, also z. B. die FCO2-Kurve, möglichst genau beschreiben.
• Ausgehend von der Methode nach Fowler könnte dabei zunächst damit begonnen werden, eine Gerade zu ermitteln, die den Verlauf des Plateaus in der dritten Phase P3 des Kapnogramms oder der FCO2-Kurve möglichst genau beschreibt. Dafür müssen Volumenmesswerte ermittelt werden, die den Start- und Endpunkt einer solchen Gerade beschreiben. Der zum Endpunkt der Geraden gehörige Volumenmesswert (Endvolumen) liegt mit dem letzten zum Ausatemvorgang aufgenommenen Wert fest. Ein für einen Startpunkt der Geraden in Frage kommender Volumenmesswert (Anfangsvolumen) liegt aber gleichsam mitten im Diagramm und ist zunächst in keiner Weise festgelegt.
• Zur automatischen Approximation zumindest eines Teils des Verlaufs der Konzentrationsmesswerte über den Volumenmesswerten ist daher vorgesehen, dass drei aneinander anschließende Geraden bestimmt werden, die den Verlauf der Messwerte möglichst genau beschreiben. Im Folgenden wird alternativ für die Formulierung einer möglichst genauen Beschreibung der Messwerte oder FCO2-Kurve oder eines Teils derselben durch eine oder mehrere Geraden auch die Formulierung benutzt, dass eine oder mehrere Geraden an die Messwerte oder die FCO2-Kurve angepasst (gefittet) werden. Wenn hier und im Folgenden der Begriff FCO2-Kurve verwendet wird, ist damit jede Menge von Messwerten gemeint, die auf ein Maß für die Kohlenstoffdioxid-Konzentration zurückgehen, also z. B. auch eine Kurve, die nicht direkt auf eine gemessene Kohlenstoffdioxid-Konzentration, sondern auf Messwerte für einen Kohlenstoffdioxid-Partialdruck zurückgeht, usw.
• Allgemein lässt sich eine Gerade im kartesischen Koordinatensystem bekanntlich durch eine Geradengleichung ausdrücken, deren allgemeine Form lautet y = m + nx, wobei n die Steigung der Geraden und m den y-Achsenabschnitt der Geraden, also den Punkt, in dem die Gerade die Ordinate des Koordinatensystems schneidet, bezeichnet.
• Eine Gerade mit der oben angegebenen Geradengleichung ist durch alle Punkte x, y definiert.
• Bei der vorliegenden Situation sind an die FCO2-Kurve drei aneinander anschließende, aber je für sich separate Geraden anzupassen, so dass sich damit jeweils ein eingeschränkter Gültigkeitsbereich ergibt. Jede der gesuchten Geraden soll nur für die erste, zweite oder dritte Phase P1, P2, P3 der FCO2-Kurve definiert sein. Entsprechend werden als Anfangs- und Endvolumenwerte der ersten Gerade für die erste Phase P1 die Werte V0 und V1, als Anfangs- und Endvolumenwerte der zweiten Gerade für die zweite Phase P2 die Werte V1 und V2 und als Anfangs- und Endvolumenwerte der dritten Gerade für die dritte Phase die Werte V2 und V3 festgelegt. Dabei sind zumindest die Volumenwerte V1 und V2 durch eine geeignete automatische Ermittlung zu bestimmen.
• Die zugehörigen Funktionsgleichungen der drei Geraden lauten:
  Gerade für die erste Phase P1 (erste Gerade) mit einem Gültigkeitsbereich von V = V0...V1: FCO2 = F0 + (V – V0)·(F1 – F0)/(V1 – V0)
• Gerade für die zweite Phase P2 (zweite Gerade) mit einem Gültigkeitsbereich von V = V1...V2: FCO2 = F1 + (V – V1)·(F2 – F1)/(V2 – V1)
• Gerade für die dritte Phase P3 (dritte Gerade) mit einem Gültigkeitsbereich von V = V2...V3: FCO2 = F2 + (V – V2)·(F3 – F2)/(V3 – V2)
• Die Parameter F0, F1, F2, F3 sowie V1 und V2 der drei Geradengleichungen müssen so bestimmt werden, dass sich eine möglichst gute Annäherung der drei Geraden an die FCO2-Kurve entsprechend der aufgenommenen Messwerte ergibt. Dafür ist ein Optimierungsalgorithmus nach Art des Levenberg-Marquardt-Algorithmus (Marquardt, D. W.; Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics; Bd. 11 (1963); S. 431–441) geeignet. Mit dem jeweiligen Optimierungsalgorithmus erfolgt sukzessive eine Verbesserung der jeweils gefundenen Werte für die zu bestimmenden Parameter, hier F0, F1, F2, F3, V1, V2, und eine Bewertung einer Qualität der jeweils gefundenen Parameter erfolgt anhand der Quadratsumme der Abweichung der durch die Parameter definierten Geraden von dem zu approximierenden Messwerteverlauf. Ziel ist eine minimale Abweichung, also eine Minimierung der jeweils sich ergebenden Quadratsumme.
• 5 zeigt das Ergebnis einer Anpassung dreier Geraden, nämlich einer ersten Gerade 38 in der ersten Phase P1, einer zweiten Gerade 40 in der zweiten Phase P2 und einer dritten Gerade 42 in der dritten Phase P3 an die bereits in 1 und 2 gezeigte FCO2-Kurve. Die Parameter werden dahingehend überprüft, dass sie in sinnvollen Verhältnissen zueinander stehen, anderenfalls wird die Auswertung des Kapnogramms verworfen.
• Das zweite Wertepaar 46 definiert einen Endpunkt der zweiten Gerade und einen Startpunkt der dritten Gerade 42, also des dritten approximierten Abschnitts. Anhand des ersten und zweiten Wertepaars 44, 46 ist ein erster Schätzwert für den seriellen Totraum der Lunge des Probanden 14 nach Fowler, ermittelbar, z. B. als Vds = (V2 + V1)/2. Die zugehörigen Flächen A1 und A2 werden durch nummerische Integration ermittelt. Anschließend wird Vds so verändert, dass A1 gleich A2 wird. Für diese Auswertung der aufgenommenen Messwerte ist im Anschluss an deren Analyse ein dritter Programmcodeblock 50 (4) vorgesehen.
• Anhand des zweiten Wertepaars 46 mit dem Volumenmesswert V2 und dem Konzentrationsmesswert F2 und eines weiteren, letzten Wertepaars 48, mit einem Endvolumenmesswert V3 und einem zugehörigen Konzentrationsmesswert F3 lässt sich ein Maß für eine Qualität eines Gasaustausches in der Lunge des Probanden 14 ermitteln, z. B. als dFCO2/dV = (F3 – F2)/(V3 – V2). Für diese optionale Auswertung ist ein vierter Programmcodeblock 52 (4) vorgesehen.
• Die Funktionalität des dritten und vierten Programmcodeblocks 50, 52 kann auch zusammengefasst sein.
• 6 zeigt abschließend eine Möglichkeit zur Verbesserung der Approximation der dritten Gerade 42. Wie man in 5 erkennen kann, schneidet die dritte Gerade 42 den Messwertewertlauf nahe bei dem Punkt V2. Dieser Schnittpunkt ist in 6 symbolisch mit Vx bezeichnet. Die dritte Gerade 42 kann nun neu approximiert werden, indem nur die Volumen- und zugehörigen Konzentrationsmesswerte oberhalb des Schnittpunkts Vx berücksichtigt werden. Dann entfällt der nach unten ziehende Einfluss des Knickpunkts im Messwerteverlauf bei V2.
• Als Teilfunktionalität des dritten und/oder vierten Programmcodeblocks 50, 52 des Steuerungsprogramms 30 (4) oder in Form eines separaten Programmcodeblocks (nicht dargestellt) umfasst das Steuerungsprogramm 30 Programmcodeanweisungen zur Ansteuerung der Anzeigeeinheit, also z. B. des Bildschirms 32, um die ermittelten Werte für Vds und/oder dFCO2/dV auszugeben.
• Der in 4 mit dem ersten, zweiten, dritten und vierten Programmcodeblock 34, 36, 50, 52 dargestellte Teil des Steuerungsprogramms 30 kann einmalig, kontinuierlich oder mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Anzahl von Wiederholungen durchlaufen werden, wobei bei einem kontinuierlichen oder einem mehrfach wiederholten Durchlauf ein Abbruch durch einen Benutzer möglich ist. Dies wird durch den Fallunterscheidungsblock 54 dargestellt, der in der Darstellung in 4 das Struktugramm abschließt.
• Einzelne Aspekte der obigen Ausführungen lassen sich wie folgt kurz zusammenfassen: Es werden ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur automatischen Auswertung und Analyse eines Kapnogramms angegeben, wobei für das Atemgas eines Probanden 14 Messwerte für ein Maß für ein ausgeatmetes Volumen und Messwerte für ein Maß für eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration aufgenommen werden, wobei die Messwerte für ein Maß für die Kohlenstoffdioxid-Konzentration Konzentrationsmesswerte – über den Messwerten für ein Maß für das ausgeatmete Volumen – Volumenmesswerte – eine Basis für eine automatische Analyse der aufgenommenen Messwerte bilden, wobei eine automatische Approximation zumindest eines Teils des Verlaufs der Konzentrationsmesswerte über den Volumenmesswerten durch drei aneinander anschließende Geraden erfolgt, die den Verlauf der Konzentrationsmesswerte über den Volumenmesswerten in einen approximierten ersten, zweiten und dritten Abschnitt unterteilen, wobei die dritte Gerade als Begrenzungsgerade für die Bestimmung des seriellen Totraumes nach Fowler verwendet wird indem als erster Schätzwert für Vds die Volumenmitte der 2. Geraden genommen wird.
• Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

12

Leitungseinheit

14

Proband

16

Sensor

18

Sensor

20

Auswerteeinheit

22

Speicher

24

Verarbeitungseinheit

26

Datenspeicherbereich

28

Programmspeicherbereich

30

Steuerungsprogramm

32

Bildschirm

34

erster Programmcodeblock

36

zweiter Programmcodeblock

38

erste Gerade

40

zweite Gerade

42

dritte Gerade

44

erstes Wertepaar

46

zweites Wertepaar

48

letztes Wertepaar

50

dritter Programmcodeblock

52

vierter Programmcodeblock

54

Fallunterscheidungsblock

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102004039194 A [0013, 0014]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Fowler W. S., Lung function studies II: The respiratory dead space, Am. J. Physiol., Bd. 154: (1948), S. 405–416 [0011]
• Marquardt, D. W.; Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics; Bd. 11 (1963); S. 431–441 [0051]

Claims (10)

1. Verfahren zur automatischen Auswertung und Analyse eines Kapnogramms, wobei für das Atemgas eines Probanden (14) Messwerte für ein Maß für ein ausgeatmetes Volumen und Messwerte für ein Maß für eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration aufgenommen werden, wobei die Messwerte für ein Maß für die Kohlenstoffdioxid-Konzentration – Konzentrationsmesswerte – über den Messwerten für ein Maß für das ausgeatmete Volumen – Volumenmesswerte – eine Basis für eine automatische Analyse der aufgenommenen Messwerte bilden, wobei eine automatische Approximation zumindest eines Teils des Verlaufs der Konzentrationsmesswerte über den Volumenmesswerten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Approximation drei aneinander anschließende Geraden verwendet werden, wobei mit Hilfe der dritten Geraden die Flächenbestimmung gemäß Fowler für die Bestimmung des seriellen Totraumes Vds erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei anhand der Steigung der dritten Geraden ein Mail für eine Qualität eines Gasaustausches in der Lunge des Probanden ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei anhand der bestimmten Parameter automatisch eine Abschätzung der Brauchbarkeit der aufgenommenen Messwerte erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Unterschreitung eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwerts für eine Differenz des Endvolumenmesswerts und des zum zweiten Wertepaar (46) gehörenden Volumenmesswerts automatisch als mangelnde Qualität der Approximation oder mangelnde Brauchbarkeit der Messwerte ausgewertet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dritte Gerade neu bestimmt wird, indem der linke erste Schnittpunkt der Geraden mit der Kurve als neuer linker Anfangsvolumenwert für einen erneuten Fit der dritten Geraden verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Approximation durch einen computerimplementierten Optimierungsalgorithmus, insbesondere den Levenberg-Marquardt-Algorithmus, erfolgt.
7. Vorrichtung mit Mitteln zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einem ersten Sensor (16) zur Aufnahme von Messwerten für ein Maß für ein von einem Probanden (14) ausgeatmetes Volumen und einem zweiten Sensor (18) zur Aufnahme von Messwerten für ein Maß für eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration in dem ausgeatmeten Volumen oder mit einer kommunikativen Verbindung zu solchen Sensoren (16, 18), mit einem Speicher (22) und einer Verarbeitungseinheit (24), wobei in einem in dem Speicher (22) gebildeten Datenspeicherbereich (26) im Betrieb der Vorrichtung aufgenommene Messwerte der Sensoren (16, 18) abspeicherbar sind und mit einem ebenfalls in dem Speicher (22) gebildeten Programmspeicherbereich (28), in dem ein Steuerungsprogramm (30) mit Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gespeichert ist.
9. Steuerungsprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wenn das Steuerungsprogramm auf einem Computer, insbesondere durch eine Verarbeitungseinheit (24) einer Vorrichtung gemäß Anspruch 8, ausgeführt wird.
10. Speichermedium mit einem durch einen Computer oder eine Verarbeitungseinheit (24) einer Vorrichtung gemäß Anspruch 8 ausführbaren Steuerungsprogramm gemäß Anspruch 9.

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