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"Rheopneumometer" Französische Priorität vom 27. Februar 1968 aus
der französischen Patentanmeldung Nr. 141 368 (Seine) Die Erfindung betrifft ein
Rheopneumometer mit veränderlicner Impedanz zur Bestimmung der Hauptparameter der
Atmung unter Ausschluß von plötzlicnen lnlpedanzänderungen der Brust und von Störsignalen.
Ein derartiges Meßgerät ermöglicht es, ausgehend von der essun der änderungen der
Impedanz des Brustkastens die Hauptparameter der Atmung, die Atnungsfrequenz, das
laufende Luftvoluraen, das Luftvolumen pro Minute, usw. ... zu bestimmen.
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Wie bei der Rheoencephalographie werden die die Lungenflügel betreffenden
Messungen durch ein vollständig elektrisches Verfahren ohne Verwendung von elektromechanischen
Fühler, d.h. durch Eingabe eines schwachen Wechselstromes zwischen zurnindest zwei
Elektroden durchgeführt.
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Die Änderung der Brustraumimpedanz @ Z ist tatsächlich quasi proportional
dem laufenden Luftvolumen # V, das die Lungenalveolen während jedes Atmungszyklus
füllen, der aus einer Einatmung und einer Ausatmung besteht.
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Ausgehend von der Messung von # Z ist es möglich, einerseits die
Atmungsfrequenz und andererseits das laufende Luftvolumen und durch Integration
das Luftvolumen pro Minute zu bestimmen.
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Dennoch ergeben sich zwei Hauptschwierigkeiten: Pür die Messung der
Atmungsfrequenz dürfen als Atmungszyklus nicht die plötzlichen Änderungen der Impedanz
berück sichtigt werden, -die auf übermäßige Bewegungen des untersuchten Objektes
oder auf schlechte Kontakte der Elektroden auf der-Haut zurückzuführen sein können0
Diese plötzlichen Änderungen können außerdem eine lange allgemeine Blockierung der-Vorrichtung
hervorrufen und so noch mehr die Messung verfälschen0 Die genaue Bestimmung des
Proportionalitätskoeffizienten \T und # Z Z ist schwierig Diese Koeffizient ist
hauptsächlich' bestimmend für die absolute:. Volumenmessung, wie die Messung des
laufenden Luftvoluriiens in Millilitern und vor allem des Volumens pro Minute (in
Litern)O Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rheopneumometer der eingangs
genannten Art zu schaffen, das unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile
in sicherer leise das in einem längeren Zeitraum, z,BD 24 Stunden, geatmete Volumen
bestimmen und die Atmungsfrequenz in diesem Zeitraum zählen läßt4 Diese Aufgabe
ist erfindungsgemäß gelöst vor allem durch eine mit das Luftvolumen in elektrische
Spannung umformenden Wandlern versehene elektronische Eichvorrichtung, einen das
in einem längeren Zeitraum geatmete Luftvolumen feststellenden Zähler, einen das
Luftvolumen einer Minute angebenden Anzeiger9 einen die Atmungsfrequenz über einen
längeren Zeitraum feststellenden Zähler und ferner durch einen nach Frequenz und
Ampli tude ausgelösten selektiven Schalter, eine Schaltung zur Messung der Atmungstillstandsverzögerung
und schließlich durch eine Vorrichtung zur Auslösung der Lungenradiographie in der
gewünschten Atmungsphase.
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Das erfindungsgemäße Rheopneumometer ermöglicht es, Störsignale zu
beseitigen, Alarmsignale für einen Atmungsstillstand auszulösen, der eine vorher
festgelegte Atmungstillstandsverzögerung
überschreitet, und eine
Lungenradiographie in der gewünschten Atmungsphase auszulösen.
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1;ine vorteilhafte Ausfüiirungsform des erfingsgemäßen Rheopneumeters
besteht darin, daß die elektronische E.ichvorrichtung einen Volumcn- Spannungswandler
aufweist, der ein erstes durch eine unabhängige Quelle gespeistes Potentiometer,
dessen Schleifer mit den beweglichen Teil eines Spirometers vcrl,unden ist und einen
Verstärker umfaßt, dessen Eingang an den Schleifer liegt und dessen Ausgang an Hasse
über ein zweites Potentiometer liert, bei dei-- die Stellung dessen Schleifer die
für die Eichung verwendete genaue Spannung (t U2 ) in Ilillivolt pro Volumeneinheit
bestimmt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfingungsgemäßen Rheopneumometers
besteht darin, daß die elektronische Eichvorruchtung einen Volumen-Spannungswandler
aufweist, der eine veränderliche Impedanz besitzt, die einerseits mit dem bewegeichen
Teil eines Spirometers und andererseits mit einem Eichrheometer verbunden ist, dessen
Ausgang an Masse über ein Potentiometer liegt, bei dem die Stellung dessen Schleifer
die iür die Eichung verwendete genaue Spannung (#U2) in Millivolt pro Volumeneinheit
bestimmt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rheopneumometers
besteht darin, daß die elektronische Eichvorrichtung miniaturisiert ist, und einen
Volumenspannungswandler aufweist, der aus einem Gehäuse mit zwei Abteilen und zwei
Ventilen besteht, von denen eins auf der beiden Abteilen gemeinsamen Trennwand sitzt,
daß ferner ein Abteil zumindest ine Photozelle, eine Lichtquellc und dazwischen
zwei drehbare Teile, wic Flügelschrauben, umfaßt und daß schließlich die Photozelle
mit einem Impulsgenerator verbunden ist, dessen Impulse in einer Integrierschaltung
integriert werden, die mit einem Verstärker verbunden ist, dessen Ausgang an Masse
über
ein Potentiometer liegt, bei dem die Stellung dessen Schleifer
die für die Eichung verwendete genaue Spannung in Millivolt pro Volumeneinheit bestimmt
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs gemäßen Rheopneumometers
besteht darin, daß die Auslösevorrichtung der Bungenradiographie einen beweglichen
und über den Lauf des Galvanometerzeigers des das laufende iuftvolumen anzeigenden
Anzeigers regelbaren Kontakt aufweist, der mit der Steuerschaltung eines zugehörigen
lSöntgenstrahlengenerators verunden isto Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rheopneuflometers besteht darin, daß der das pro Minute geatmete
Luftvolumen feststellende Zähler Schaltungen mit Feldeffekttransistoren zur Errichtung
langer Zeitkonstanten umfaßt0 Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Rheopneumometers besteht darin, daß der die Atmungsfrequenz feststellende Zähler
die Kombination einer selbsttätigen Schaltung zur Verringerung der Zeitkonstanten
eines Niederfrequenzverstärkers und des nach Frequenz und Amplitude ausgelösten
selektiven Schalters umfaßt, der für einen gewählten Bereich der Atmungsfrequenz,
z.B. 10 bis 120 Atmungen pro Minute, geregelt ist und an einen monostabilen Multivibrator
zur Formgebung, der seinerseits mit einer i'requenzintegrierschaltungverbunden ist
und die Schaltung zur Messung der Atmungsstill standsverzögerung steuert, und an
einen Anzeiger der Ateung.sfrequenz angeschlossen ist, Eine weitere vorteilhafte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rheopneunometers besteht darin, daß der monostabile
Multivibrator nur durch Umkehr der Atmungsphase durch den selektiven Schalter auslösbar
ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform--de.s erfindungsgemäßen
Rheopneumometers besteht darin, daß die Schaltung zur Messung der Atmungsstillstandsverzögerung
eine Zeitbasisschalw tung , eine Schaltung zur Impedanzanpassung mit Peldeffekttransistoren
und einen gegengekoppelten Integrierverstärker aufweist, der mit einem Potentiometer
verbunden ist, das an einem Auslöser von Sicht- und/oder Tonalarm angeschlossen
ist.
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Weitere Merkmale und. durch sie erzielte Vorteile gehen aus der Beschreibung
der Zeichnung hervor, in der beispielsweise gewählte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Rheopneunometers schematisch veranschaulicht sind0 Es zeigen: Fig. 1 ein Beispiel
eines Spirogramms und des entsprechenden Rheogramms mit plötzlichen Impedanzänderungeng
die auf. übermäßige Bewegungen des untersuchten Objekts zurückzuführen sind, Fig.
2 ein Übersichtsschema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rheopneumometers
mit einer -elektronischen Etchvo.rrichtung, Figo- 3 éin Schema der -charakteri s:tis
chen Schaltungen eines erfindungsgemäßen Rheopneumometers, . Fig. 4, 5 und 6 dri
Ausführungsbeispiele von elektronischen Vorrichtungen zur volumetrischen Eichung.
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In Fig, 1 ist mit Kurve t ein Beispiel eines Spirogramms dargestellt.
Die Zeit ist auf der Abszisse- in Sekunden abgetragen. Die Änderung des Volumens
#V befindeten sich auf den Ordinaten in Millilitern. Das entsprechende Rheogramm
ist mit Kurve 2 ebenfalls in Fig.1 dargestellt. Die Brustraumimpendanz # zu Z ist
auf der Ordinate in Ohm abgetragene Als Beispiel wurden in dem
Rheogramm
auf eine .Störwirkung zurückzuführende plötzliche Impedanyänderungen A und B angegeben.
In jeder Kurve 1 und 2 | entsprechen die ansteigenden Flanken der Einatmungsphase
und die abfallenden Flanken der Ausatmungsphase.
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In Fig0 2 ist ein vereinfachtes Schema eines-erfindung's-' gemäßen
Rheopneunometers dargestellt, das als bedeutende Verbesserung eine elektronische
Eichvorrichtung aufweist, die unerläßlich für die genaue Messung, des laufenden
Luftvolumens und vorallem des Volumens pro Minute ist. Die bekannten Methoden des
vispellen Vergleichs der Anzeigen eines Rheopneunometers und eines üblichen Spirometers
sind viel zu ungenau. In Fig. 2 ist fie Gesamtheit des Rheopneunometers mit der
Bezungsziffer 3 und die Gesamtheit der Eichvorrd'chtung mit derBezugsziffer 4 bezeichnet.
Ein Generator 5, dessen Frequenz beispielsweise 40 KHz beträgt, schickt einen dank
der Widerstände 6 und 7 hohen Wertes, beispielsweise 100 k#, konstanten Wechselstrom
zu den Elektroden E1 und E2, die auf dem Brustkasten eines Untersuchungsobjekts
S angeordnet sind. Die Spannung an den Klemmen dieser Elektroden ist einer geringen
Amplitudenmodelation aufgrund der Impedanzänderung Z der spezifisch'en Lungenzellen
im Lauf der Atmungszyklen unterworfen0 Tatsächlich ändert sich das volumetrische
Verhältnis Luft/ Gewebe zwischen den beiden Elektroden E1 und E2 entsprechend dem
t Zu'stand der Füllung der Lungenalveolen. Es erhöht sich beim Einatmen u;nd verringert
sich beim Ausatmen. Der amplitudenmodulierte Träger wird in einem Hochfrequenzverstärker
8 verstärkt.
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Eine weitere Ausführungsform besteht darin, die Verbindung zwischen
den Elektroden E1, E2 und dem Verstärker 8 durch einen Sender herzustellen, der
auf dem Untersuchungsobjekt angeordnet ist und unmittelbar an eine mit dem Verstärker
8 verbundenen Empfänger sendet.
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Der Verstärker 8 ist mit einem Detektor 9 verbunden» der ein Filter
umfaßte Der Detektor 9 stellt die auf die Atmung zurückzuführende' langsame Komponente
fest, Das Filter begrenzt die Frequenz, beispiels-weise auf 3 Hz, d.h. 180 Atmungen
pro minuten Die langsame Komponente wird dann durch einen Niederfrequenzverstärker
10 verstärkte Dieser Verstärker 1Q hat die Aufgabe, die Nutzerscheinungen - hier
die Atmung - zu verstärken und jede mögliche Störung, die beispielsweise auf übermäßige
Bewegungen des Untersuchungs objekts S oder auf schlechte Kontakt-e der elektroden
mit der Elaut' zurückzuführen sind, auf Null zu setzen. Er sperrt sich nicht und
nimmt seinen Betrieb wieder auf unmittelbar nach dem Verschwinden des StörungsgrundesO
Seine Aufgabe ist äußerst bedeuten, vor allem bei den Atmungsmessungen, bei denen
die Prequenz der unterhalb 0,2 Hz abfallenden Erscheinungen sehr große Zeitkonstanten
- größer als 6 Sekunden - erfordert Unter diesen Bedingungen wäre die Blockierungszeit
nach jeder Störung eines gewöhnlichen Verstärkers zu lange Im Lauf einer intensiven
Uberwachung wären viele Nutinformationen, die das Volumen und die Atmungsfrequenz
betreffen, verloren.
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Der Verstärker 10 ist mit einer vorzugsweise in integrierter Schaltweise
gebildeten Ausgangsstufe 11 verbunden, die es ermöglicht, die Änderung der Spannung
# U, die den Änderungen der Brustraumimpedanz a Z entspricht, auf die sehr geringe
Impedanz eines mit Masse verbundenen Potentiometers 12 zu legen. Da Potentiometer
12 hat beispielsweise einen Wert von 200 Ohm.
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So ist unabhangig von der Stellung des Schleifers 13 des Potentiometers
12 der Bruchteil #U3 der Spannung # U stets auf Null bezogen. Der Abgleich der Schaltung
ist nicht gestört, selbst wenn ein bedeutender Strom geliefert werden muß, beispielsweise
um einen Spirographen 14 in Betrieb zu setzen, Die
Stellung des
Schleifers 13 ist genau während der für jeder Anordnung der Elektroden E1, E2 und
für jedes Untersuchungsobjekt durchgeführten Eichung eingestellt, bevor dieses der
Unterst chung des Rheopneumometers 3 während einer intensiven Überwachung anvertraut
wird.
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Die Eichung des Rheopneunometers besteht.in der Bestimmung Proportionalitäts-koeffizienten
zwischen #Z und bV für jeden besonderen Halle Bei dem erfindungsgemäßen Rheo-pneumometer
ist die Eichvorrichtung 4 elektronisch0 Während jeder Eichung atmet das Objekt S
während einiger Minuten in eine nicht dehnbare Maske 15, die über einen nicht dehnbaren
Buftleiter mit einem Volumen-Spannungswandler 17 verbunden ist, der in mehreren
Ausführungsformen im folgenden beschrieben werden wird und der das von dem Untersuchungsobjekt
empfangene Luftvolumen # V in eine Spannung #U1 umformt. Die Eichvorrichtung 4 ist
mit einer Aus gangsstufe geringer Impedanz gegenüber Masse versehene Die Eichung
wird mittels eines Potentiometers 18 durchgeführt, um eine gegebene bekannte Spannung
für eine gegebene Volumeneinheit zu erhalten - beispielsweise 5 mV/ml.-Diese Spannung
# U2 muß sich in umgekehrter Phasenlage gegenüber der an dem Schleifer 13 des Potentiometers
12 abgenommenen Spannung #U3 befinden.
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Die Ausgangseichspannung aU2 wird über die Verbindung 19 -20 an das
gleiche Meßgerät 21 wie die von dem Schleifer 13 des Rheopneumometers gelieferte
Spannung gelegt, Das Meßgerät 21 zeigt das laufende Luftvolumen an. Indem der Schleifer
13 verschoben wird, stabilisiert man den Zeiger des Meßgeräts 21 auf die Stellung
0. Dies ist die genaue Kompensation der Spannung #U2 durch die Spannung #U3. Diese
Methode kann vollkommen autor matisch sein, wenn der Schleifer 13 durch einen Motor
angetrieben wird, der durch die Differenz #U3 - #U2 gesteurt wird. Diese beiden
Spannung können ebenfalls in einem Oszilloskop oder jec. dem anderen Anzeiger verglichen
werden.
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In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel sind die Werte der Widerständev22
und 23 gewählt, um den vollen Zeigerausschlag des Meßgeräts 21 nach links für -2,5
V und nach rechts für +2,5 V zu erhaltene Nach einmal beendeter Eichung entspricht
die Gesamtablenkung des Zeigers - links und rechts -dem laufenden Luftvolumen von
1 000 ml, d.h. + 500 ml für Einatmung und Ausatmung. Das Meßgerät 21 umfaßt einen
beweglichen Kontakt 24, der durch die Bewegung des Zeigers dieses Gerätes regelbar
ist und an einen Röntgenstrahlengenerator angeschlossen das Auslösen einer radiographischen
Untersuchung der Lungen in der gewünschten Atmungsphase ermöglicht.
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Die Zwischenabstufung ist quasi linear, Wenn die Eichung des laufenden
Volumens auf dem Gesamtmaßstab mit einer guten Genauigkeit durchgeführt wurde, ergibt
sich nach Wleichrichtung in der Gleichrichterbrücke 34 auf dem Anzeiger 26 der genaue
Wert des Volumens pro Minute0 Der Anzeiger 26 ist beispielsweise von 0 bis 20 Liter
eingeteilt oder besitzt noch besser eine numerische Anzeige. Wenn die Integration
über eine sehr lange Zeit, beispielsweise 3 Minuten, durchgeführt werden muß, umfaßt
die Integrierschaltung 25 erfindungsgemäß Feldeffekttransistoren, die es ermöglichen,
sehr lange Integrationst zeitkonstanten zu erhalten Durch die Erfindung wird eine
weitere bedeutende Verbesserung bei der Zählung der Atmungsfrequenz durch gleichzeitige
Anwendung der in dem Verstärker 10 enthaltene Schaltung zur automatischen Verringerung
der Zeitkonstanten, die im Fall einer Störung auftritt, und eines Selektivschalters
27 herbeigeführt, der nur in dem Atmungsfrequenzbereich, beispielsweise 1Q - 120
Atmungen pro Minute, und auf die Umkehrung der Atmungsphase in dem Pall anspricht,
daß die Störungen die Atmung überdecken.
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Tatsächlich wird jede bedeutende Störung bei der Einatmungsphase
unterhalb der Grundlinie durch den Verstärker 10
während einer
sehr kurzen Zeit, beispielsweise 40 ms dank der Schaltung zur automatischen Verringerung
der Zeitkonstanten auf Null gesetzt und ergibt nur sehr kurze positive Impulse,
deren Frequenzspektrum außerhalb des Ansprechbereichs des Schalters 27 liegt0 Dieser
löst daher nicht den Formgebungsnniltivibrator 28 aus, an den er angeschlossen ist,
und der einerseits einen Frequenzintegrierer 29 speist, der mit einem Anzeiger 30
der Atmungsfrequenz verbunden ist, und andererseits die Steuerung der Schaltung
31 bildet, die die Verzögerung des Atmungsstillstandes mißt0 Wenn die Störung in
der Ausautmungsphase auftritt, gibt er ebenfalls nur sehr kurze negative Impulse
ab, die ebenfalls nicht den Multivibrator 28 auslösen, Nur die Phasenumkebr löst
diesen Multivibrator aus, Selbst wenn das Untersuchungsobjekt S bewegt wird und
Störungen häufig auftreten, zeigt so der Anzeiger 30 die reile Frequenz der Atmung
anO Aus Vorhergehendem ergibt sich, daß für eine beliebige Erscheinung, die durch
ein erfindungsgemäßes Gerät erfaßt wird, diese eine Dauer und eine Amplitude haben
muß, die sich im Bereich der Atmung, befinden0 Beide Bedingungen werden kaum durch
Störungen erfüllt Eine weitere durch die Erfindung herbeigeführte Verbesserung besteht
darin, in dem Rheopneunometer 3 einen Zahler 32 vorzusehen, der die gesamte Anzahl
der Atmungen während einer sehr langen Zeit von beispielswegfiwiß Stunden angibt.
Dieser durch die übliche Spirometrie sehr/zu erhaltende Parameter bildet e-ine bedeutende
Tagesanzeige.
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Eine weitere durch die Erfindung herbeigeführte Verbessez rung besteht
darin, in dem Rheopneunometer 3 einen Zähler 33 des täglich aufgenommenen Luftvolumens
vorzusehen, der vorteils hafterweise ein elektrochemischer Integrator ist,
Das
erfindungsgemäße Rheopneumometer umfaßt außerdem einen Anzeiger 35 für die Verzögerung
des Atmungsstillstandes, der Sicht- und/oder Tonalarme im Fall des Stillstehens
der Atmung auslöst Diese Messung wird mittels eines elektron nischen Integrators
31 durchgeführt, der sich selbsttätig auf Null setzt, wenn die in Fig. 3 von X,
Y, Z durch a kommenden Informationen anzeigen, daß eine wirksame Atmung - eine Folge
von beispielsweise 10 .Atmungen - stattgefunden hat0 Diese Informationen kommen
von dem Selektivschalter 27, der nur auslöst, wenn die Atmungsamplitude einen durch
das Potentiometer 36 gegebenen Schweliwert überschreitet (Fig. 3).
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In Fig. 3 sind charakteristische Schaltung eines erfindungsgemäßen
Rheopneumometers schematisch dargestellt4 In Übereinstimmung mit Fig. 2 besitzen
die dort bereits bezeichneten Elemente in Fig. 3 die gleichen Bezugsziffern.
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Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Rheopneumometers sind hauptsächlich
auf diese Schaltungen sowohl bei der Überwachung als auch bei der funktionellen
Lungenuntersuchung zurückzuführen.
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An erster Stelle wurde der Niederfrequenzverstärker 10 mit der Schaltung
zur selbsttätigen Verringerung der Zeitkonstanten den speziellen Erfordernissen
der Atmungsmessung durch Hin-' zufügung eines monostabilen Multivibrators 37 angepaßt,
der die vollständige Verringerung der Zeitkonstanten R1 C1 und R2 C2 in einer gegebenen
Zeit t ermöglicht, während die Aufhebung der Vorspannung der Feldeffekttransistoren
Q1s Q2 dem Abfall des Drain-Source-Widerstandes von beispielsweise 1010 Ohm bis
uf einige hundert Ohm hervorruft. So setzt jede Störung, die den durch den Verstärkungsgrad
des Gleichstromverstärkers 38 bestimmten Pegel unterschreitet, die untersuchte Erscheinung
- hier das Rheopneumogramm - auf die Grundlinie - beispiels
weise
Bezugslinie Jull während einer gegenüber seiner Periode sehr kurzen Zeit t zurück
t kann in der Größenordnung von 40 ms für eine Atmungsperiode von 4 Sekunden liegen,
Wenn die Störung andauert, wird von dem Verstärker 11 eine Reihe von Impulsen von
beispielsweise 40 ms abgegeben; jedoch keiner dieser Impulse wird durch den Atmungsfrequenzanzeiger
30 dank des Selektivschalters 27 gezählt, der die Feldeffekttranw sistoren Q52 Q6
und Q7 umfaßt0 Tatsächlich lösen diese kurzen Impulse den 8elektivschalter 27 nach
Erreichen der durch das Potentiometer 36 bestimmten Schwelle aus* wählen jedoch
nicht durch die aus dem Widerstand R11, dem Kondensator C4 und der Diode D1 gebildeten
Schaltung integriert und lösen nicht den monostabilen Multivibrator 28 aus.
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Es ist zu bemerken, daß bei genauen Volumenmessungen die Fläche dieser
Impulse sich von der Fläche abzieht, die durch die Atmungskurve begrenzt ist, und
einen Fehler in das laufende Volumen und vor allem das Volumen pro Minute einführt,
In diesem Fall wird der Multivibrator 37 ausgeschaltet, indem der Schalter F in
die Stellung 2 a gesetzt wird So arbeitet -die Schaltung zur automatischen Verringerung
der Zeitkonstanten einfach durch Begrenzung der Amplitude der Störungen, die sich
der Atmungskurve hinzufügen wurden. Diese ist Jedoch nicht gestört. Ein Nachteil
besteht nun darin, die Beständigkeit der Grundlinie zu verlieren. In gewissen Fällen,
beispielsweise bei der funtionellen Lungenuntersuchung, ist es günstig, die Kondensatoren
Ci, C2, die einen kontinuierlichen Verbindungskanal bilden kurz zu schließen. In
diesem Fall kann die sich aus der Gleichrichtung des Trägers ergebende Spannung
durch Einführung einer Gegenspannung am Eingang des Verstärkers SP kompensiert werden.
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Die der Atmung entspreehenden Impulse lösen den monostabilen Multivibrator
28 aus, der sie umformt, um sie in dem Integrator
29 integrieren
zu können und die mittlere Frequenz in dem Aneiger 30 beispielsweise über 3 Minuten
messen zu können0 Unter diesen Bedingungen weist der Integrator 29 vorzugsweise
Feldeffekttransistoren auf. Der Frequenzanzeiger 30 besitzt eine bewegliche Anzeige,
die mit Ton- und Sichtalarmsystemen verbunden ist welche in Gang gesetzt werden,
sobald die vorher gewählte Schwelle - Minimum oder Maximum - überschritten wird.
Bei der Krankenhausüberwachung tritt # häufig der Fall auf, daß die mittlere Atmungsfrequenz,
die beispielsweise über 3 Minuten integriert wird, innerhalb der normalen Grenzen
bleibt, während das Untersuchungsobjekt längere At#ungsausfälle von 15 Sekunden
und selbst mehr erleidet. Um diese Atmungsausfälle dem Uberwachungspersonal anzeigen
zu können, umfaßt zu t das erfindungsgemäße Rheopneunometer als zusätzliche Verbesserung
eine Spezialschaltung 31, die, es ermöglicht, auf dem Anzeiger oder Periodenmesser
35 die Dauer des Atmungsstillstandes im Fall eines Atmungsausfalls anzuzeigen. So
ermöglicht der bewegliche Anzeiger 39, der sich auf dem in Sekunden unterteilten
Zifferblatt des Meßgerätes 35 befindet, vorher eine Zeitschwelw le für Ton" und
Sichtalarm im Fall eines Atmungsstillstandes einzustellen.
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Die Schaltung 31 für die Messung der Dauer des Atmung stillstandes
verwendet vorteilhafterweise die große Eingangsimpedanz und die durch die Feldeffekttransistoren
gebotenen Schalteigenschaften. Ble ist vor allem aus einer Zeitbasisschaltung gebildet,
die einen sehr hohen Widerstand R13 von || beispielsweise 100 M# und einen Kondensator
C6 von beispiels-|| weise 3 µ F aufweist, wodurch eine gute Linearität selbst über
60 Sekunden gewährleistet ist. Ein derart hoher Wert für den Widerstand R13 konnte
verwendet werden wegen der Schaltung zu Anpassung der Impedanz mit Feldeffekttransistor
Q8, beispielsweise den Kanal , der als gesteuerte Quelle arbeitet und am
Ausgang
die Verwendung eines gegengekoppelten Integrationsverstärkers 40 ermöglicht, um
den vollen Ausschlag des Periodenmessers 35 in einer gewünschten Zeit, die durch
die Widerstände R15, R16 und R17 bestimmt ist, beispielsweise in 15,30 oder 60 Sekunden,
zu erhalten Zwischen dem Integrationsverstärker 40 und dem Periodenmesser 35 ist
die Schaltung 41 zur Anpassung der Spannung angeordnet, die die am Ausgang des Verstärkers
40 abgenommene Spannung von -5 Volt derart auf Null zurückführt, daß der Zeiger
des Periodenmessers 35 während der normalen Atmung auf Null bleibt.
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Das Potentiometer 42 dient dazu, die Null-Stellung des Periodenmessers
einzustellen, die am Ausgang des Verstärkers 40 der pinch-Spannung des Feldeffekttransistors
Qg, beispielsweise -5 Volt entspricht. Dieser legt die Ausgangsspannung fur die
Entladung des Kondensators C6 unabhängig von der Atmungsfrequenz fest. Beim Ausfall
der Atmung beginnt der Zeiger des Periodenmessers mit der Geschwindigkeit auszuschlagen,.
die durch die Stellung des Schalters K3 bestimmt ist, bis zum Auslösen der Alarme
in dem durch den beweglichen Kontakt 39 angezeigten Augenblick. Wenn jedoch im Lauf
des Zeigerausschlags das Untersuchungsobjekt seine normale Atmung wieder auf'wnmt,
erscheinen eine Reihe von positiven Impulsen vom Multivibrator 28, durchqueren die-Diode
43 und werden durch die aus dem Widerstand R12 und dem Kondensator C6 gebildeten
Schaltung integriert, wodurch ein schrittweises Abfallen des Potentials am Aus gang
des Verstärkers 40 hervorgerufen wird, das die Ruckkehr des Zeigers des Periodenmesssers
35 nach Xull zur Folge hat.
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Unter diesen Bedingungen wird die Gitterelektrode des Umschalt-Feldeffekttransistors
Q9, beispielsweise Kanal § immer weniger negativ. In einem durch die pinch-Spannung
beispielsweise - 5 Volt, bestimmten Au.':'genblick sinkt der Drain-
Source-Wi#derstand
beispielsweise von 1010# bis 100#. Der Kondensator C6 lädt sich nicht mehr auf und
der Zeiger des Periodenmessers bleibt bei Null.
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Wenn die normale Atmung anhält und wenn sich der Schalter K4 in der
Stellung 0 ohne Integrationswiderstand befindet, zeigt der Periodenmesser 35 dann
den augenblicklichen Wert der Periode jedes Atmungszyklus an. Die Möglichkeit, diese
Messung durchzuführen, hat eine große Bedeutung, da der Frequenzmesser 30 nur die
über 3 Minuten integrierte mittlere Frequenz anzeigt.
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Wenn der Schalter K4 geöffnet ist, findet das Rücksetzen auf Null
stufenweise über mehrere Atmungen statt So ist für längere Atmungsstillstandsdauern
die Sicherheit, daß der Periodenmesser 35 durch eine Störung nicht auf Null zurückgesetzt
wird, erhöht. Es ist zu bemerken, daß die zu niedrige Atsungsfrequenz (beispielsweise
weniger als 10 Atmungen pro Minute) sowie das Lösen einer Elektrode auf dem Untersuchungsobjekt
oder die oberflächliche Atmung, deren Amplitude durch das PoZ tentiometer 36 bestimmt
wird, die Auslösung von Alarmen durch den Periodenmesser 35 durch das gleiche Verfahren
zur Folge hat.
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Tatsächlich treten in all diesen Fällen die Impulse X, Y und Z nicht
auf und Schaltung 31 verhält sich, als wenn das Untersuw chungsobjekt aufhörte zu
atmen, und alarmiert das Überwachungspersonal, das leicht feststellt, ob es sich
um einen Atmungsstillstand oder das Lösen einerSlektrode handelt.
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Wie im vorhergehenden ausgeführt, kann das erfindungsgemäße Rheopneunometer
für relative Volumenmessungen verwendet werden, beispielsweise zur Registrierung
von Änderungen des Spirogramms, das von dem Spirometer 14 während Atmungskrisen
oder nach Verabreichung von Medikament-enw wie bronchienverengenden oder -erweiternden
Mitteln u.s.w., aufgezeichnet wird.
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Die gleichzeitige Verwendung von 4, 8 oder selbst mehr Rheopneumometern,
die über mehrere auf dem Brustkasten angeordo
nete elektroden angeschlossen
sind, ergibt die Möglichkeit einer vergleichenden Atmungsuntersuchung der betreffenden
BungenteileO Pür absolute und gesamte Volumenmessungen des laufenden Luftvolumens,
des Luftvolumens pro Minute, u.s.w... wurde festgestellt, daß die Elektroden Ei,
E2 anders als auf dem' Brustkörper angeordnet sein müssen, um örtliche Erscheinungen
zu beseitigen und # Z zu messen das die Gesamtheit des geatmeten Buftvolumens #V
von nicht allein die Anderung des Luftvolumens in einem Teil der Lunge, wie in Fig.
2 dargestellt, betrifft.
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Es wurden gute Ergebnisse erzielt, indem eine elektrode auf der rechten
Hand und die andere auf dem linken Bein angel ordnet wurde, was der zweiten elektrokardiographischen
Ableitung entspricht0 Es ist zu bemerken, daß die gleichen Elektroden des Elektrokardiogramms
und selbst der Hämodynamik verwendet werden können für die Aufnahme der AtmungserscheinungenO
So durchquert der elektrische Hochfrequenzstrom die Gesamtheit der Zungen und die
Änderung der Impedanz a Z wird streng proportional der Volumenänderung # V. Es ist
jedenfalls zu bemerken, 'daß die Empfindlichkeit dieser Methode größer ist, als
wenn man 4 Elektroden benutzte, beispielweise ein Paar von mit dem-Generator 5 verbundenen
Elektroden auf jedem Bein und das andere mit dem Eingang des Verstärkers 8 ve-rbundene
Paar auf jeder Hand, Unabhängig von dem verwendeten Verfahren zur Gewinnung der
absoluten Volumenwerte ist es stets nötig, vorher eine Eichung durchzuführen, um
den Proportionalitätskoeffizienten zwischen #Z und #V zu bestimmen.
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In den Fig. 4, 5 und 6 sind drei Ausführungsformen von Volumen-Spannungswandlern
dargestellt, die verwendet werden, um eine genaue Volumeneichung nach dem im vorhergehenden
beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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In der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform speist die Spannungsquelle
44 über den Widerstand 45 das Potentiometer 46, dessen Schleifer 47 durch die durch
die Änderung des 1 laufenden Luftvolumens T V hervorgerufene Bewegung des beweglichen
Teils 48 in Richtung der Pfeile F1, F2 eines üblichen Spirometers 49 angetrieben
wird0 Der Schleifer wird durch das Kabel 50 angetrieben, das in bekannter Weise
mit dem beweglichen Zeiger 51 eines Ablesegeräts 52 verbunden ist, auf dem der Ab-|
solutwert von a V in Millilitern abgelesen werden kann0 Zwischen den Punkten 53
und 54, d.h. zwischen dm Schleifer des Potentiometers und Masse erscheint eine #V
proportionale Wechselkompo-| nente. Diese Komponente durchquert den Kondensator
55 und wird durch den Verstärker 56 verstärkt. Am Ausgang dieses Verstärkers ermöglicht
das Potentiometer 57 genau die gewünschte Anzahl von Millivolt pro Volumeneinheit
zwischen dem Schleifer 58 des Potentiometers und Masse einzustellen0 Die so gebildete
Spannung u2 dient zur eichung des Rheopneumometers, indem sie in Punkt 20 der Schaltung
nach Fig. 2 angelegt wird. ine weitere Ausführungsform eines Volumen-Spannungswandlers
ist in Fig. 5 dargestellt. Ebenso wie bei der im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsform
wird vorzugsweise ein'üblichtes Spirometer 59 verwendet, bei dem die der Volumenänderung
| #V proportionalen Bewegungen des beweglichen Teils 60 die Anderung einer Impedanz
61, Potentiometers, Kondensators oder Spule hervorrufen, die am Eingang eines Eichrheometers
62 angeordnet ist, das an der Basis des Rheopneumometers vorgesehen ist0 Es ist
so möglich, am Ausgang des Rheometers mit dem Potentiometer 62 die Anzahl der pro
Volumeneinheit gewünschten Millivolt zu erhalten Diese SpannungAU2 wird wie im vorhergehenden
Pall zu Eingang 20 des Rheopneumometers geführt (Fig. 2).
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Eine dritte Ausführungsform eines Volumen-Spannungswandl'ers ist
in Fig. 6 dargestellt. Die den Teilen des Rheopneumow meters nach Fig. 2 entsprehcnenden
Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet0 Es handelt sich hier um
eine
miniaturisierte Vorrichtung4 Der Wandler besteht aus einer
Röhre 63, die mit dem Eingang des Luftstroms verbunden istp Die Röhre 63 besitzt
zwei Abteile 64 und 65 mit einer gemeinsamen Trennwand, Das Abteil 64 weist ein
Ventil 66 auf, das sich bei jeder Einatmung öffnet. In der gemeinsamen Trennwand
ist ein Ventil 67 vorgesehen, das sich beim Ausatmen öffnet und den Luftstrom in
das Abteil 65 gelangen läßt, in dem eine Flügelschraube 68 angeordnet ist. Diese
beginnt sich zu drehen.
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Die von ihr erreichte Umdrehungszahl ist proportional dem Volumen
dv des Luftstromes. Die Flügelschraube ist zwischen einer Lichtquclle 69 und einer
photoelektrischen Zelle 70 angeordnet.
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Jede vollständige Umdrehung der Flügelschraube löst mittels der Photozelle
70 den Impulsgenerator 71 aus. Dabei ist zu bemerkern, daß mehrer Photoelemente
in dem Behälter 65 vorgesehen sein könnens Die von dem Generator 71 kommenden Impulse
werden durch die aus dem Widerstand 72 und dem Kondensator 73 gebildete Schaltung
integriert und ergeben nach Anpassung der Impedanz durch den Transistor Q9 eine
Spannung am Ausgang des Verstärkers 74, die proportional dem Volumen der geatmeten
Luft ist0 Diese Spannung ß U2 nach Eichung durch das Potentiometer 75 dient zur
Eichung des Rheopneumometers. In diesem Fall schaltet man in die Schaltung des Anzeigers
21 des laufenden Buftvolumens eine Diode 76 durch Offnung des Schalters K6 e ein,
um die durch das Rheopneumometer registrierte Einatmungsphase zu unterdrücken, Durch
das erfindungsgemäße Rheopneumometer erden insbesondere folgende Vorteile erreicht:
Es wird die mittlere Atmungsfrequenz angezeigt, wobei die Möglichkeit besteht, Minimal-und/oder
Maximal-Alarme auszulösen.
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Es kann die Verzögerung zwischen den Atmungsvorgängen angegeben werden.
Es können Alarme für Atmungsunterbrechungen gegeben
werden, die
eine vorher eingestellte Stillstandsverzögerung übeischreiten. Es ist möglich, ein
Spirogramm aufzuzeichnen0 Nach Eichung kann das laufende Luftvolumen und das Volumen
pro Minute angezeigt werden0 Es kann das während sehr langer Periode, bei'spielsweise
innerhalb von 24 Stunden, geatmete Luftvolumen zusammengezählt werden Es kann die
Anzahl der Atmungen in einer sehr langen Periode, beispielsweise 24 Stunden, gezählt
werden. Es ist möglich, eine radiologische Lungenprüfung in der gevvunschten Atmungsphase
durchzuführen.
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Die verwendeten Schaltungen, wie die Schaltung zur automatischen
Verringerung der Zeitkonstanten, der Selektivschalter, die Schaltung zur Messung
der Zeit nach dem Stillstand eines Oszillators unabhängig von der Schwingungsfrequenz
können in der medizinischen und der allgemeinen Elektronik Anwendung | finden.