DE1913337A1 - Atmungswiderstandsmesser - Google Patents

Description

PATEJiTA₁NWAJiTB:

PIPL.-lIiG H.

HANNOVER Hannover, der* 14..

THBATEIiSTIC. a ·■ TBJJBFOJi; 8-491.1;

Anmeldert

Betr. ι N 12:6/A/Eg - Firma Nihon Kolidem Kogyo Etet,

4, Slj.l-choine, Nishioeihiai,,

-kui, Tokyo ( )

Atmungswiderstandsmesser

Die Erfindung betrifft Verbesserungen für ein Viskositätsviiderstandsnießgerät fü._r Lungen-Brustkasten-Systeme naeh der Qszillationsmethode, insbesondere einen verbesserten Atinungswiderstandsmesser, der nidit durcti den Ansaug- und Einatniungsdruck sowie durch die Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung durch das Lungen-Brustkasten-Systein beeinflußt wird.

In diesem Zusammenhang soll· zunächst ein_; Verfahren zum Messen des Viskositätswiderstandes des Lungen-Brustkasten-Systems nach der Oszillationsmethode beschrieben werden.

Eine der Aufgaben der Lungen, ist,die Ätmungsbewegungeii des Brustkasten-Systems durchzuführen, um den Lungen— zellen frische Luft zu liefern. Die Atmungsbewegungen umfassen die Dynamik der Luftwechsel, welche auf den ^tmungsbewegungen des Lungen-Brustkasten-Systems basieren,und

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gemäß den. pbysi kalis chen Gesetz en durchgefüfert werden:,

Sfo.-enso- wie aus der Betrachtung der liynaislk. der physiologischen Struktur Schlüsse gezagsn weruem können, ist zu beachten* daß ein Eungen—3i?ustkasten-System folgende drei Elemente enthält:

Bin· elastisches Element, das> die £ä»öße bzw. den Umfang, der Ausdehnung der Lunge darstellt, ein Vikositätselenient, daß den Widerstand gegen .den Luftstrom darstellt und
ein Trägheitsei eiaent,

Werden diese Elemente durch ein elektrisches System simuliert, so kann das elastische Element normalerweise als ein Federungswiderstands-Ele^ent bezeichnet werden, daß einem elektrischen kapazitiven Widerstand äquivalent ist. Das Vikositätswiderstands-Element und das Trägheitselement entsprechen einem Eigenwiderstand und der Induktanz.

Wenn nun angenommen wird, daß das Lungen-Brustkasten-System umfaßt wird von einem Oszilla'tionssysteia von: einem Freiheitsgrad, dann kann das Lungen-Brustkasten-System dargestellt werden durch einen äquivalenten,

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elektrischen Schwingkreis, wie in Figur 1 gezeigt, so daf5 durch die Messung des Wertes von R in diesem Kreis der Viskositätswiderstand des Lungen-örustkasten-Systeins b^bxinrat- werden, kann.

Nachfolgend soll ein Verfahren zum Messen des Widerstandswertes von R des in Figur 1 gezeigten Kreises betrachtet werden, und zwar unter Ausnutzung seiner Resotlanzerscheinung. Es ist bekannt, daü bei einem durch den in Figur 1 dargestellten Kreis fließenden Strom

I = Io sin wt . (1)

die Spannung dieses Systems entsprechend durch

E - Eo sin w(t +φ) .. (2)

ausgedrückt werden kann. Hierbei sind

Eo ^R² +>L - l_c)²' . Io (3)

φ = tan -^{1 wL} - ^C . (4)

wobei φ den Phasenwinkel zwischen der Stromstärke I und der Spannung E darstellt.

Im Resonanzzustand oder bei wL = -ψ ( Frequenz

¹T' ) verschwindet die Phasendifferenz zwischen E und I, so daß der Widerstand unabhängig von der Kapazität und der Induktanz wird. Im Resonanzzustand nimmt demnach die Gleichung (3.) folgende Form an:

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Eo =Yr² +(WL-^₀)² . Io = Y R .Io = R.Io ....ο. (5) Λ E= Eo sin (wt + φ ) = Rio sinwt (6)

Daraus folgt, daß der Wert des Widerstandes durch das Verhältnis von Spannung und Strom bestimmt werden kann.

Entsprechend werden hier E und I ausgewählt, um eine Lissajoustsche Figur da&ustellen, die im Resonanzzustand als gerade Linie erscheint, wobei der Widerstandswert durch die Neigung dieser Geraden bestimmbar ist.

lter Grundgedanke dieses Meßverfahrens ist^ daß ein Oszillationssystem den Resonanzzustand oszillieren wird, indem eine äußere Kraft auf das System einwirkt,

(Viskositätswiderstand)

um die Widerstandskomponente / von der kapazitiven Komponente ( elastischer Widerstand ) und d.ei? induktiven Komponente ( Trägheitsmasse ) zu trennen.

diesem Grundgedanken aufbauend, können verschiedene Verfahren zum Messen des Viskositätswiderstandes de» Lungen-Brustkasten-Systems hergeleitet werden.

Als typisches Beispiel zeigt Figur 2 ein Verfahren unter Verwendung eines Lautsprechers. Wie gezeigt, wird ein elektrisches Signal durch einen Oszillator

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erzeugt, daß durch den Verstärker 2 verstärkt und
zum· Lautsprecher 3 geführt wird. Der „äitriefo des
Lautsprechers 3 besteht aus einer Flüssigkeitsquelle ( oder eine Pruokquelle ) zur Erzeugung
eines oszillierenden Systems, das von einem Lungen-Brustkasten-System zur Oszillierung umfaßt ist. Sin durch diese Quelle erzeugter Flüssigkeitsstrom entspricht einem Strom in einem elektrischen Kreis,
während der Druck P in diesem Flüssigkeitsstroinkreis der Spannung Ei in dem elektrischen Kreis entspricht und über einen Verstärker 6 auf der Y-Äehse eines Qszilloskops angegeben wird. Die Strömungsgeschwindigkeit V dieser Strömung entspracht dem Strom I und wird auf der X-iichse des Oszillokops nach der Verstärkung
durch den Verstärker 7 angezeigt.

Während der Widerstand R dieses elektrischen Kreises durch den vorstehend beschriebenen apparat gemessen werden kann, wird in der tatsächlichen Praxis die
folgende Methode angewendet.

Die Membranbewegung des Lautspreehers wird zma Betrieb des Lungen-Brustkasten-Systems benötigt. Die
Frequenz des Oszillators 1 ist so eingestellt, daß
die Lissajous'sche Figur von Druck- und Strömungsgeschwindigkeit in dem Flüssigkeitskreis sich aus geraden Linien zusammensetzt.

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Sobald die geraden Linien erhalten werden", kann deren Neigung gemessen werden, um den Viskositätswiderstand des Lungen-Brustkas^cen-Systeias #ä£, zu bestimmen.

Die Lissajous »sehe Figur, wie sie auf^inem kop im Resonanzzustand dargestellt wird, zeigt Fig. Der Grund, warum die Lissajous»sehe Figur nicht die Form einer einzigen geraden Linie annimmt, liegt darin,, daß der ^usatmungsdruck, der Einatmungsdruck und die Einatmungsströmungsgeschwindigkeit von dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit überlagert werden, die durch den Lautsprecher zttr Qszillierung aes Lungen-Brustkästen-Systems erzeugt werden. Die Bewegung in Richtung des zweiten Quadranten stellt die iiusataaupgs^ phase dar, während in Rxehtung des vierten ^uadrantea die Einatmungsphase gezeigt wird. Sie Längen a, b und ψ c stellen die veränderlichen Komponenten des Druckes

und der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder der Luft, die durch den Betrieb des Lautsprechers erzeugt werden, dar, Ba diese Komponenten tatsächlich den Antrieb des Lungen-Brustkasten-Systems bewirken, gibt die Neigung dieser geraden Linien den Viskositätswiderstand des Systems an. Der Viskositätswiderstand Rl für die höchste Flüssigkeitsgeschwindigkeit beim .ausatmen, ist also durch tan 01 gegeben, während der 2ähx£-

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keitswiderstand R 2 für die höchste Flüssigkeitsgeschwindigkeit beim Einatmen, durch tan θ 2 gewonnen
werden kann.

Die Messung" des Viskositätswiderstandes des Lungen-Brustkasten-Systems während der Höchstgeschwindigkeit des aus- und des Einatmens ist wichtig für
Kliniken, aus der Lissajous»sehen Figur gemäß Figur 3 geht hervor, daß bei kurzen, geraden Teilen
während der Höchstgeschwindigkeit bei Ausatmung und der Einatmung das Messen der entsprechenden. Neigungen durch z. B. Winkelmesser sehr schwierig ist, so daß keine genauen Resultate festgestellt werden können. Insbesondere nimmt während der Höchstgeschwindigkeit von Ausatmung und Einatmung; die Schwingungsamplitude der Lautsprechermembran ab, während dagegen der Druck der Ausatmung und der Einatmung zunimmt, wodurch es unmöglich wird, das Lungen-Brustkasten-System unter konstanter Luftströmung zu oszillieren. ..

Der Grund für diese Erscheinung ist, daß die kegelförmig ausgebildete Papiermembran des Lautsprechers durch den iius- und Einatmungsdruck stark ausschlägt, um die Antriebsspule aus dem Magnetfeld zu bringen, so daß die Antriebskraft des Lautsprechers für ein angegebenes elektrisches Signal von einem Oszillator stark abnimmt.

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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung; einen verbesserten rttinungswiderstandsinesser zu schaffen, der frei xst von den vorstehend beschriebenen Nachteilen. Weiterhin gehört es zur Erfindungsaufgabe, die Einwirkung des übsaugedruckes oder Einatmungsdruckes auf den. ktiiiungswiderstandsiiiesser auf ein Minimum herabzusetzen, oder auch die Einwirkung der äußeren Kraft eines Lautsprechers auf die Flüssigkeitsdruckquelle entscheidend herabzusetzen,

«ils weitere Aufgabe kann genannt werden, daß der verbesserte ,iVtmungswiderstanäsraesser eine bessere itusgleichscliarakeristik und Phasencharakeristik aufweist.

Beispiel einer erfinuuiigsgemäßen Lösung; kann angegeben werden, daß'der Atmungswiderstandsmesser aus einein Lautsprecher zur Erzeugung eines Flüssigkeitsdruckes für den antrieb eines Lungen-Brustkasten-Systems axt einem Signalgeber zum antrieb des Lautsprechers und aus einem auf die Strömungsgeschwindigkeit-und den Druck der Flüssigkeitsströmung durch das Lungen-Brustkasten-Syston ansprechendem Oszilloskop besteht, daß den Atmungswiciorstand des Lungen-Srustkasten-Systeins anzeigt, wobei ϊ-Iittel zum Erfassen der Membranbewegüngsn des Lautsprechers oder der Veränderung des Flüssigkeitsdruckes zur Herstellung einer negativen Rückkupplung mit den .intriebsmitteln des Lautsprechers vorge-

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sehen sind.

In der Zeichnung ist ein ^lusführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt und näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild

eines Gerätes zum Messen des Viskositätswiderstandes in einem Lungen-Brustkasten-System nach der Oszillationsmethode,

Fig. 2 ein bekanntes Gerät zum Messen des Viskositätswiderstandes,

Fig. 3 ein Beispiel einer Lissajous»sehen Figur, dargestellt von einem Oszilloskop,

Fig. 4 ein Verbindungsschema, teilweise in

Blockdarstellung eines Beispiels eines Atmungswiderstandsmessers unter Verwendung einer verstellbaren Rüekkupplung und

Fig. 5 eine Lissajous»sehe Figur , dargestellt durch einen iitmungs wider Standsmesser gemäß Figur 4.

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Xn den folgenden Absätzen, werden die noch nicht beschriebenen Figuren 4 und S abgehandelt, wobei Figur 4 nur Einzelheiten ira vergrößerten Maßstab einer Druckquelle ( oder einer Flüssigkeitsdruckquelle ) der gesamten Vorrichtung zeigt, da dio verbleibenden Teile dieser Vorrichtung entsprechend der Figur 2'- ausgebildet sind. Das Ausgangssignal vom Oszillator 11 wird durch den Verstärker 12 verstärkt,um den Lautsprecher 13 von herkömmlicher ausbildung anzutreiben. Der Unterschied zwischen der Vorrichtung· gemäß Figur 4 und der Vorrichtung gemäß Abbildung 2 besteht darin, daß der Ausschlag der kegelförmigen Papiermembran des Lautsprechers 13 durch einen Meßwandler I4 aufgenommen wird* und --dieses Signal durch den Verstärker 15 verstärkt,mit der-i Verstärker 12 rückgekoppelt wird. Mit dieser beweglichen Rückkopplung kann der Ausschlag der kegelförmigen Papienneiabran des Lautsprechers, der durch den Druck des Einatmens und Ausatmens erzeugt wird, also durch den Meßwandler I4 festgestellt und dann axt dem

en

Lautsprecher-Verstärker 12 rückgekoppelt wer 4^ um diesen Ausschlag der Membran auszugleichen. Nur so kann die Bewegung der Lautsprechermembran, die durch den Druck des Ein- und Ausatinens hervorgerufen wird, vernachlässigbar klein gehalten werden, sofern die Rückkopplung genügend ausgedehnt wird. Jedoch muß die Ein-

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gan^ssigiialspaniiung vom Oszillator entsprechend zur Unterstützung- aer verstellbaren Rückkapplung vergrößert werden.

Die von einem Oszilloskop aargestellte Wellenform bei Verwendung einer Rückkopplung ist in Figur 5 uargestellt. Ss ist daraus zu sehen, daß die geraden Linienteile a', b* und c* die variablen Komponenten des Druckes und der St runnings geschwindigkeit während uer Höchstgeschwindigkeit des Einuna ^usatmens darstellt, wobei diese Geraden im wesentlichen gleich groß sind, so, daß das Messen der ileigung dieser Geraden sehr einfach durchgeführt

und eine hohe
werden kann, enauigkeit der* Meßergebnisse ergibt . Zur gleichen Zeit wird das Lungen-Brustkasten-Systeii dazu angehalten, mit einem konstanten Druck oder einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit während ues £±i\- und jtusatmens zu oszillieren, so, daß es als ^uelle eines konstanten Druckes oder einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit wirken kann»

Oujjleich in deni vorstehend beschriebenen Beispiel eines ^tniungswiderstandsiaessers ein Lautsprecher verwenuet wird und der Detektor der verstellbaren Rückkopplung auf den Ausschlag der Faplsrmenibran des Lautsprechers anspricht, kann eine solche negative jiückkepplung; ebenso durch irgend einen Parameter,

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. wie Strömungsgeschwindigkeit oder Druck, die in einem Luftströmungskreis vorherrschen, vorgesehen werden« um eine Ähnliche Funktion zu erhalten. Wenn andere Antriebsmittel, wie z. B. eine Pumpenantriebevorrichtung verwendet wird als Druckrolle oder als Flüssigkeitsströmungsquelleι anstatt eines Lautsprechers, kann das oben beschriebene Rückkapplungssystem trotzdem

^ mit gleichen Resultaten verwendet werden. Also kann in Bezug auf die Erfindung die Wirkung des Einatmungs*- bzw. Ausatmungsdruckes auf das Atmungswiderstandsmeßgerät oder die Wirkung einer äußeren Kraft des Lautsprechers auf eine Druckquelle oder auf eine Flüssigkeitsströmungsquelle sehr stark reduziert werden, da die Wellenform des Druckes oder der Strömungsmenge _f die durch den Lautsprecher erzeugt werden, stark verbessert werden kann,, und zwar durch Verbesserungen der Auegleichscharakteristik ebenso wie durch die

Ψ Phasencharakteristik, Das Ätmungswiderstandsraeßgerät mit seiner Rückkupplung hat also einen hohen praktischen Nutzen.

Vorstehend wurde die Erfindung an Hand eines bevorzugten Beispiels beschrieben, die Erfindung umfaßt jedoch alle Veränderungen und Abwandlungen, die auf dem Erfindungsgedanken beruhen.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   1". j Vorrichtung zum Messen des AtmungswiderWtandes bestehend aus einer Flüssigkeitsdijttckquelle zum Betreiben eine« Lungen-Bruetk*eten-Sy*tema und Mitteln zu* Betreiben der Flüssigkeitsdruckquellei wobei auf die Strömungsgeschwindigkeit sowie den Druck de« PlüseigkeiteetroaeS durch da* Lungen-Bruetkasten-Syste* ansprechende Mittel zum Anaeigen dessen Ataungswiderstandes rorgesehen sind, gekennzeichnet durch Mittel zum Erfassen von Druckabweichungen der Flüseigkeitsdruckquelle zur Her'· Stellung einer nefstiren Rückkopplung mit den Antriebsaitteln der FlUsaigkeitsdruokquelle.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdruckquelle» einen Laut-

   , Sprecher mit einer durch elektrische Signale angedrehten Membran enthält, wobei die Meaibranatt«hläge mit den Antriebemitteln des Lautsprechers negativ rückgekoppelt werden.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel ein Ossilloskop enthalten, dessen Y-Achse den elektrischen Wert des Druckes

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   in dem Lüngen-Bruetk**t;en-Sy*t*!a and die: Χ-den elektrischen Wer* der in dem Lungen-Bruetkststen-Sy«tem anzeigt,

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