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Anordnung zur elektronischen Berechnung des Atemwiderstandes und des
thorakalen Gasvolumens mit einem Ganzkörperplethysmographen.
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Zur Feststellung von krankheitsbedingten Veränderungen im menschlichen
Atemtrakt sind Messungen des Atemwegswiderstandes und des thorakalen Gasvolumens
mithilfe eines Ganzkörperplethysmographen bekannt. Das Gerät besteht aus einer geschlossenen
druckstabilen Kammer, in welcher der Proband eingeschlossen wird. Er atmet darin
über einen Pneumotachorgraphen, der den Atemluftstrom V mißt, Luft aus der Kammer.
Zur Berechnung des Atemwegswiderstandes R und des thorakalen Gasvolumens TGV müssen
noch gemessen werden Die Druckdifferenz zwischen Alveolarraum uild Atmosphäre APaiv
und die Druckdifferenz Kammerdruck und Atmsphäre APk und zwar letzteres, wenn das
luftzuführende Rohr zwischen Patient und Atemeinheit geöffnet, und ersteres, wenn
es geschlossen ist und der Patient gegen den Widerstand des Verschlussas ein- und
auszuatmen versucht.
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Das thorakale Gasvolumen läßt sich berechnen aus der Beziehung:
Pk(1) und Palv gemessen bei geschlossenem Rohr k1 = Korrekturkonstante für den Barometerdruck
k2 = Korrekturkonstante für das Probandenvolumen Der Widerstand der Atemwege wird
bestimmt aus der beziehung:
Pk(2) und V gemessen bei geöffnetem Rohr Zur Berechnung des thorakalen Gasvolumens
wsd des Atemwiderstandes hat man bisher die notwandigen Größen elektrisch mithilfe
eines X - Y Schreibers als Kurven Alveolardruck (Palv) über Kammerdruck (Pk(1))
(Verschlußdruckkurve) und Atemstrom (V) über Kammerdruck (Pk(2)) (Kammerdruck-Strömungs-Diagramm
aufgezeichnet
uad aus den ermittelten Kurven die gewünschten Großen errechnet. Dies Verfahren
ist relativ umständlich und zeitraubend. Die Erfindung zeigt demegenüber eine Anordnung,
mit der Atemwiderstand und thorakales Gasvolumen elektronisch berechnet werden können,
wobei eine wesentliche Schwierigkeit darin besteht, daß die gemessenen Werte des
Kammerdruckes, des Druckes im Alveolarraum und des Atemluftstromes im Rythmus der
Atemfrequenz zwischen einem Maximtim und einem Minimum um einen Nullwert schwanken
und dieser Nullwert seinerseits @edingt durch thermische Einflüsse in der Meßkammer-auch
gewissen Schwankungen unterworfen ist, so daß damit diese Werte einer elektronischen
Berechnung nicht ohne weiteres zugänglich sind. um diese Schwierigkeiten zu beseitigen,
ist die Anordnung gemaß der Erfindung derart ausgebildet, daß die durch elektrische
Spannungen dargestellten Werte durch Einfügung einer dem Abstand des Maximums oder
Minimums von der Nullinie proportionalen Zusatzspannung so angehoben werden, daß
sie durch eine Messung gegen ein der Nullinie entsprechendes Potential dargestellt
werden können.
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Gemäß der weiteren Erfindung werden zur Ermittlung der Zusatzspannung
die gemessenen Werte einem elektrischen Speicher sowie einer Differenzierschaltung
zugeführt, welch letztere die Brreichung des gesuchten Maximums oder Minimums feststellt
und in diesem Augenblick den elektrischen Speicher von der gemessenen Spannung abschaltet
und die Spannung des Speichers mit umgekehrtem Vorzeichen der gemessene,1 Spannung
zuschaltet.
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Gemäß der weiteren Erfindung ist eine einfache Division ohne Benutzung
üblicher Dividierschaltungen dadurch möglich, daß zur Bildung des Quotienten aus
zwei Meßwerten, die zu gleicher Zeit von einem einer Nullinie entsprechenden Potential
mit gleichem Vorzeichen ansteigen, für den als Divisor bestimmten Meßwert eine Einheitsgröße
festgelegt wird, bei deren Erreichen der als Dividend bestimmte Meßwert ein Maß
für die Größe des Quotienten bildet.
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Fig. 1 zeigt eine Verschlußdruckkurve mit den Beziehungen zwischen
Palv und P Pk(1)o Aus ihr ersieht man, wie beim Ein-und
Ausatmen
der Druck im Atemraum und in der Kammer positive und negative Werte annehmen kann0
Um eine Messung gegen die Nullinie vornehmen zu können, muß die Kurve so um die
Werte Palv* und Pk* verschoben werden, daß sie eine Lage erhält, wie dies in Fig.
2 dargestellt ist. Dies wird erreicht in einer sogenannten Schiebestufe, welche
Fig0 ) für den Meßwert Pk zeigt0 An die Klemmen a und b der Emitterfolgeschaltung
wird die Eingangsspannung UE gelegt, welche bei dem gewählten Beispiel im Rhythmus
des Kammerdruckes Pk zwischen. einem Maximum bei Punkt A in Fig. 1 und einem Minimum
bei Punkt B schwankt. Die Frequenz ist durch die Atemfrequenz gegeben und wird dem
Patienten mit ca. o,2 - 0,5 Iiz vorgeschrieben, Der Basisspannungsteiler 1,2,3 des
Transistors 6 wird unter Beachtung der am Widerstand 4 auftretenden Spannung so
bemessen, daß der Transistor im Ruhezustand, d.h. wenn die Eingangsspannung UE =
0 ist, Strom fahrt und etwa in der Mitte seiner Kennlinie arbeitet. Entsprechend
der Steuerung des Transistors 6 durch die Spannung UE folgt die Spannung am Widerstand
4 kon- -tinuierlich und über den Kondensator 7, der eine um etwa zwei Zehnerpotenzen
größere Kapazität als der Kondensator 8 besitzt, folgt auch die Spannung am Widerstand
5. Die an diesem Widerstand liegende Spannung wird über den Kontakt 9.1 auch dem
Kondensator 8 zugeleitet, dessen badezustand also ebenfalls den Schwankungen der
Eingangsspannung UE folgt.
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Die dem Kammerdruck Pk entsprechende Spannung UE wird nun noch zusätzlich
einer nicht dargestellten Differenzierschaltung zugeführt, welche bei Erreichen
eines Minimums Signal gibt, d.h.
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wenn der Wert von Pk im Punkte 3 gerade die Größe Pk hat. In diesem
Augenblick liegt am Kondensator 8 eine der Größe Pk* proportionale Spannung. Das
Signal der Differenzierschaltung bewirkt ein Schließen des Stromkreises für das
Relais 9 über das als Kontakt dargestellte Schaltglied 10. Das Relais 9 betätigt
seine beiden Kontakte 9,1 und 9.2. aber den Kontakt 9.1 wird der Kondensator 8 von
der Ladespannung abgeschaltet und wird über den Kontakt 9.2 mit umgekehrter Polarität
in Reihe
mit der am Widerstand 3 anstehenden Spannung an die Ausgangsklemme
c gelegte Die zwischen den beiden Ausgangsklemmen c und d liegende Spannung JA entspricht
dann einer Meßgröße Pk, die von Pd = 0 bis zu Pk = Maximum ansteigt. Die Spannung
UA wird einem Differenzverstarker mit hohem Eingangswiderstand zugeführt. Auf diese
Weise wird eine hohe Entladezeit des Kondensators 8 sichergestellt, dessen Spannung
Up = U8 während einer Meßperiode nicht meßbar abfällt. k Der Kondensator 11 ersetzt
bei angezogenem Relais 9 den Kondensator 8, damit von der Eingangsseite her gesehen
die Impedanz der Schiebestufe konstant bleibt und: damit keine Signaländerungen
durch Lastschwankungen auftreten.
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In gleicher Weise wie die dem Kammerdruck Pk entsprechende Spannung
Upk wird auch die dem Alveolardruck entsprechende Spannung Upalv einer Schiebestufe
der inFig. 3 dargestellten Art zugeführt, inFig. 4, welche die Gewinnung einer der
Größe @@@@ proportionalen Spannung zeigt, sind die Schiebestufen schematisch dargestellt
und mit 12 und 13 bezeichnet.
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Der Wert
aus der Gleichung des thorakalen Gasvolumens entspricht dem cotα. Wobei α
den Neigungswinkel der Verschlußdruckkurve,.wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, bildet.
Man kann diesen Wert dadurch darstellen, daß man für den Alveolardruck Paiv einen
bestimmten Wert als Einheit festlegt und die Größe des Kammerdruckes Pk ermittelt,
welche dem Einheitswert von Palv zugeordnet ist. In Fig. 2 entspricht dar Einheitswert
von Palv der Ordinatenstrecke 1 3. Die entsprechende Größe des Kammerdruckes ist
mit Um bezeichnet.
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Es wird dann cotα = Um/1 = Um Die Gleichung für die berechnung
des thorakalen Gasvolumens kann also vereinfacht lauten: TGV = k1 x k2 x Um Die
dem Wert cotα = Um entsprechende Meßgröße wird folgender maßen gebildet: An
den Ausgängen beider Schiebestufen 12 und 13 erscheinen
Spannungen
entsprechend UP und Up , die gleichzeitig von 0 k Die Spann @alv zu einem Maximim
ansteigen. Die Spannung UP wird über Kontakte 1501 und 15.2 sowie Kontaktsätze I
und II des Schrittschaltwerkes SSW einem der Speicherkondensatoren 16, 17, 18, 19
zugeführt.
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Die Spannung Up wird einem Meßglied 14 zugeleitet, welches bei Erreichen
enXr dem Wert 1 E entsprechenden Spannung das Relais 15 betätigt. Dieses schaltet
mit den Kontakten 15.1 und 15.2 den jeweils angeschalteten Speicherkondensator 16,
17, 18, 19 ab, sodaß also diese Kondensator mit einer der Spannung Um entsprechenden
Ladung beaufschlagt ist.
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Um Zufälligkeiten bei der Messung auszugleichen, ist es zweckmäßig
mehrere Messungen vorz-unehmen und aus ihnen den Mittelwert zu bilden. Hierzu dient
die in Fig. 4 dargestellte Schrittschaltwerkschaltung. Die dargastellte Schaltung
ist geeignet für die Mittelwertbildung aus 4 Messungen. Da für die be.stimmung des
thorakalen Gasvolumens nur der endexepiratorische Wert (gemessen beim Ausatmen),
für die Bestimmung des Atemwiderstandes jedoch der Mittelwert aus endexspiratorischem
und endinspiratorischem Wert der Größen Pk und Palv verwendat wird, muß die Apparatur
so beschaffen sein, daß beide Werte bestimmt wurden können, jedoch für die Messung
des thorakalen Gasvolumens nur der endexspiratorische Wert zur Berechnung gelangt.
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Flir die bestimmung der endexspiratorischen Werte von cot wird die
Taste 20 gedrückt, welche zwei Kontakte 20.1 und 20.2 besitzt, Dabei wird über Kontakt
20.1 und die Ruhestellung des Schrittschaltwerkes ein Stromkreis für den Schaltmagneten
21 geschlossen. Das Schrittschaltwerk geht nach Stellung 1. Über Kontaktsatz 1 ist
dann der Speicherkondensator 16 in die Messung eingeschaltet. Über Kontakt 20,2
wird ein Stromkreis für das Relais 22 geschlossen. Dieses Relais besitzt Abfallverzögerung
und gewährleistet eine Berechnung des TGV über Kontakt 22.1 nur dann, wenn vorher
die Taste 20 gedrückt war. Damit soll vermieden werden, daß das thorakale Gasvolumen
aus endinspiratorisch gespeicherten Meßwerten berechnet wird.
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Sowie bei Messung von um der Einheitswert erreicht ist und das Relais
15 anspricht, alv wird über den Kontakt 15.3 der Stromkreis
für
den Schaltmagneten geschlossen, sodaß das Schrittschaltwerk in Stellung 2 geht.
Es wird nunmehr der Kondensator 17 bea;ufschlagt. Wenn alle vier Kondensatoren 16,
17, 18, 19 zur Speicherung herangezogen wurden, kommt das Schrittschaltwerk in Stellung
5 zur Ruhe. Es muß dann die Taste 23 betätigt werden, welche die Kontakte 23.1,
23.2, 23.3 besitzt. Über den Kontakt 23.1 und den noch geschlossenen Kontakt 22.1
wird ein Stromkreis für die Relais 24 und 25 geschlossen0 Das Relais 25 spricht
sofort an, fällt jedoch unabhängig von der Betätigungsdauer der Tasten 23 und 26
nach einer festgelegten kurzen Zeit wieder ab. Dieses Relais schaltet mit den Kontakten
25.1, 25.2, 25.3, 25.4, 25.5 die Kondensatoren 16, 17, 18, 19 in Reihe mit den Widerstanden
27 -und 30, die so dimensioniert sind, daß an dem Widerstand 30 eine Spannung Ucotα
auftritt, die ein Viertel der Summenspannung der vier Kondensatoren beträgt. Werden
nur drei Meßwerte übertragen, so kommt in Stellung 4 des Schrittschaitwerkes eine
Reihenschaltung der Kondensatoren 16, 17, 18 und der Widerstände 28 und 30 zustande.
Die Widerstände sind so dimensioniert, daß am Widerstand 5o eine Spannung anliegt,
die ein Drittel der Summenspannung der drei Kondensatoren beträgt. Bei zwei Meßwerten
erfolgt die Abfrage in Stellung 3 des Schrittschaltwerkes. Die Reihenschaltung umfaßt
dann die Kondensatoren 16 und 17 und die Widerstände 29 und 30. Die Spannung am
Widerstand 30 entspricht der halben Summenspannung.
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An den Ausgangsklemmen e und f erscheint also jewails der Mittelwert
aus den eingegebenen Spannungen Ucotα' welcher weiteren Speichergliedern zugeführt
wird.
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Das Relais 24, das gleichzeitig mit dem Relais 25 eingeschaltet wurde,
hat eine Anzugsverzögerung, dia größer ist als die Ansprechdauer des Relais 25,
sodaß dieses Relais seine Kontakte erst schließt wenn Relais 25 seine Kontakte bereits
wieder geöffnet hat. Das Relais 24 bewirkt mittels der Kontakte 24.1 und 24.2 eine
Rücksohaltung des Schrittschaltwerkes in die Nullstellung und diese soll erst erfolgen,
wenn die Verarbeitung und Weitergabe der Meßwerte aogeschlossen ist. Mittels dar
Taste 32 mit den Kontakten 32.1, 32.2, 32,3 kann das Schrittschaltwerk von jeder
Stellung aus zu einem Rücklauf in die Null stellung veranlaßt werden.
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Sollen die endinspiratorischen Werte von cotαbestimmt werden,
beginnt der Meßzyklus durch Drücken der Taste 31 mit dem Kontakt 3101e Die Speichervorgänge
und Weitergabe der Meßwerte laufen in fast gleicher Weise ab, wie für die endexspiratorischen
Werte von cotα beschrieben. Zur Einleitung der Mittelwertbildung wird jedoch
nicht die Taste 23 sondern die Taste 26 betätigt, die ebenfalls die Relais 24 und
23 zum Ansprechen bringt.
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Der Unterschied in der Wirkungsweise bei betätigung der Tasten 25
und 26 kommt erst bei der Weiterverarbeitung der Meßwerte, wie sie in Fig, 5 dargestellt
ist, zum Tragen.
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In Fig. j erscheint die Spannung UCotX als Eingangsspannung an Klemme
g. Diese Klemme entspricht den Ausgangsklemmen e und f in Fig. 4. Jedoch ist noch
ein Differenzverstärker zwischengeschaltet. Da in Fig. 5 eine Schaltung mit Schaltungsgliedern
dargestellt ist, deren Innenschaltung für die beschreibung der erfindungsgemäßen
Anordnung nicht wesentlich ist, wird hier eine einpolige, schematische Darstellung
gewählt.
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Für eine Ermittlung der endexspiratorischen und endinspiratorischen
Werte von Ucotα werden nach Speicherung der entsprechenden Spannungswerte
in den Kondensatoren 16, 17, 18, 19 die Tasten 25 oder 26 oetatigt, wodurch das
Relais 25 zum Ansprechen kommt, das in der Schaltung nach Fig, 4 mit den Kontakten
25.1, 25.2, 25.3, 25.4, 25.5 die Mittelwertbildung und Weitergabe der gemittelten
Werte veranlaßt. in der Schaltung nach Fig. 5 bewirken Kontakte 25.2 und 23.3 der
Taste 23, daß die Spannung Ucotα entweder dem Speicher 33 oder dem Speicher
34 zugeführt wird. Die vom Relais 25 betätigten Kontakte 25.6 und 25.7 geben eine
Beschickung der Speicher 33 bezw. 34 frei. Die einzelnen Aktivwertspeicher bestehen
aus einer Integriarschaltung mit integrierten Operationsverstärkern. Nach dem Öffnen
der Kontakte 25.6 und 25.7 entladen sich die Kondensatoren 35 bezw. 36 über den
sehr hochohmigen Eingang des zugehörigen Operationsverstär kers. Es lassen sich
hierbei Speicherzeiten von einigen Stunden erreichen. Für die beschrisbene Anordnung
soll die Entladung nach 5 Minuten 1 % nicht überschreiten.
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Für die bestimmung des Atemwegswi(lerstandes wird der Mittelwert
aus
den endexspiratorischen und endinspiratorischen Werten der Spannung Ucotα
in folgender Weise gebildet: Der endexepiratorische Wert wird bei Drücken dar Taste
23 dem Speicher 33 zugefihrt. Der endinspiratorische Wert gelangt bei Drücken der
Taste 26 (Fig; 4) über die Ruhestellung des Kontaktes 23.2 zu dem Speicher 34. Aus
beiden Speichern werden die Spannungen der Addierschaltung 37 zugeführt. An der
Ausgangsklemme h der Addierschaltung steht dann eine Spannung UCot α zur Verfügung,
die den gemittelten endexspiratorischen und endinspiratorischen Werten entspricht.
Sie kann für die berechnung des Atemwegswiderstandes weiter verwendet werden.
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Für die Bestimmung des thorakalen Gasvolumens wird bei Betätigen der
Taste 23 die Spannung des Speichers 33 über den Anpaßverstärker 38 einer Potentiometerschaltung
zugeführt, über welche die notwendigen Konstanten kl (abhängig vom Barometerdruck)
und k2 (abhangig vom Patientengewicht) mit dem Wert von cetN multipliziert werden.
Die Konstante k2 errechnet sich aus Kammervolamen V; und Patientengewicht W
Bei einem Kammervolumen von beispielsweise Vk 5 900 Litern und einem Patientengewicht
zwischen 40 und 150 kp liegt der Korreiturfaktor zwischen 0,9636 und o,8635. Durch
entsprechende Bemessung der Widerstände 42, 43, 44 kann eine derartige Aufteilung
der Spannung erreicht werden, daß am Ausgang der Wert Ucotαx k2 zur Verführung
steht. In entsprechender Weise geschient die Berücksichtigung des Barometerdruckes.
Die am Ausgang der Potentiometerschaltung anstehende Spannung entspricht dann dem
Werte des thorakalen Gasvolumens TGV und kann in dem eßgerät 45 angezeigt, gedruckt
oder auf andere Weise festgehal ten werden.
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In Fig. 6 ist die gesamte Apparatur schematisch dargestellt einschließlich
des Teiles, der noch zusätzlich notwendig ist, um den Atemwiderstand zu berechnen,
46, 47, 48 sind Eingangsverstärker, denen die Meßgrößen von den Meßwertgebern zugeführt
werden. 49, so, 51 sind die Schiebestufen.
52 ist die in Fig. 4
gezeigte Schaltung zur Zwischenspeicherung und Mittelwertbildung mehrerer Meßwertes
53 sind die in Fig. 5 dargestellten Speicher, 54 ist die Potentiometerschaltung.
55 ist ein Differenzierglied, welches jeweils den Wert Pk min ermittelt und bei
Erreichen dieses Wertes die Umschaltung des Kondensators 8 (Fig. 3) über das Relais
9 veranlaßt. 56 stellt das in Fig. 4 -gezeigte Meßglied 14 dar, welches den Einheitswert
von alv ermittelt. 57 und 58 sind Multiplikations- und Divisions- Schaltglieder.
45 und 59 sind anzeigende, schreibende oder druckende Meßeinrichtungen fJx die ermittelten
Werte des thorakalen Gasvolumens bezw. des Atemwiderstandes.
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Für die Ermittlung des Atemwiderstandes werden in schon beschriebener
Weise die endexspiratorischen und -endinspiratorischen Werte von cot q in dem Speicher
53 festgehalten und als Mittelwert aus beiden für die weitere Verwertung zur Verfügung
gestellt. Diese Messungen werden bei geschlossenem Atemrohr durchgeführt. Im Anschluß
daran findet ein neuer Meßzyklus bei geöffnetem Atemrohr statt, durch den die Werte
Pk(2) sowie V ermittelt werden In einem Multiplikator 57 werden die dem Atemluftstrom
V und dem Neigungswinkel der mittleren Verschlußdruckkurve cotα(ex 2 in) entsprechenden
Werte multipliziert.
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Der sich hierbei ergebende Meßwert Vx cotαwird ebenso wie der
Meßwert des Kammerdruckes Pk(2) dem Divisionsschaltglied 58 zugeführt. Es wird hier
die Division ###### durchgeführt, wodurch sich ein dem Atemwiderstand entsprechender
Meßwert ergibt, welcher der Meßeinrichtung 99 zugeführt wird. Die Multiplikations-
und Divisions- Schaltglieder sind in der Elektronik bekannte Geräte, sodaß hierzu
keine weiteren Erläuterungen notwendig sind.
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6 P a t e n t a n s p r ü c h e