DE1960640C3 - Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Atemrohr, an das zwischen dem mundseitigen und dem ins Freie mündenden Ende ein Differenzdruckmesser über zwei axial versetzte Ableitöffnungen angeschlossen ist, und einem Pulsgenerator, durch den das Atemrohr mit vorzugsweise sinusförmigen Druckschwankungen beaufschlagt wird.

Aus dem Artikel von A.B. D u b ο i s et al »Oscillation Mechanics of Lungs and Chest in Man« (J. Appl. Physiol. 8,587-593 [1956]) ist eine Methode zur Bestimmung des Atemwegwiderstandes bekannt, bei der man die zu untersuchende Person in ein Rohr mit einem Pneumotachographen atmen läßt und das Rohr gleichzeitig an einen Pulsgenerator für die Erzeugung von Druckschwankungen, die die Atmung überlagern, anschließt. Bei diesem Meßverfahren ist ein teueres (nicht wartungsfreies) Strömungsmeßgerät und eine zusätzliche Munddruckmessung erforderlich; außerdem kann der Atemwegwiderstand nur rechnerisch oder graphisch durch Division des Munddruckes durch die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden, wozu entweder teuere elektronische Rechner oder ebenfalls teuere Koordinatenschreiber erforderlich sind.

Eine andere Meßmethode zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes ist die Ganzkörperplethysmographie. Sie verläuft in der Weise, daß eine in einer sogenannten Plethysmographenkammer sitzende Untersuchungsperson in ein Strömungsmeßgerät (Pneumotachographen) atmet, wobei ebenfalls mittels eines analogen oder digitalen Rechners oder eines Schreibers aus der Strömungsgeschwindigkeit, der Atmung und den Kammerdruckschwankungen der Atemwiderstand

berechnet oder graphisch ermittelt wird. Diese Geräte sind wegen ihrer Größe (eine Plethysmographenkammer wiegt etwa 400 kg) und wegen des großen Aufwandes an mechanischen und elektronischen Meß- und Verarbeitungssystemen sehr teuer, so daß sie praktisch nur für Kliniken erschwinglich sind; auch wegen ihres großen Platzbedarfes sind diese Geräte für die Praxis eines Lungenarztes kaum geeignet

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Gerät der eingangs genannten Art zum Bestimmen des Atemwegwiderstandet anzugeben, welches billig ist, geringen Platzbedarf hat, störunanfällig ist und ohne Belästigung ■ der untersuchten Person direkt ausreichend genaue Werte bei kurzen Meßzeiten liefert Dem Lungenarzt soll durch das erfindungsgemäße Gerät ermöglicht werden, routinemäßig Atemwegwiderstandsbestimmungen bei seinen Patienten durchzuführen. Auch für Lungenreihenuntersuchungen soll das Gerät eingesetzt werden, damit Abweichungen von den Normalwerten schon im Frühstadium erfaßt werden und die Patienten zur weiteren Überwachung und frühzeitigen Therapie veranlaßt werden können.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Anschluß des Pulsgenerators am Atemrohr zwischen den Ableitöffnungen des Differenzdruckmessers, vorzugsweise symmetrisch und senkrecht dazwischen, erfolgt und daü das ins Freie mündende Ende des Atemrohres mit Strömungswiderständen unterschiedlicher Größe abschließbar ist.

Ein solches Gerät ist einfach, billig herzustellen und handlich, und es liefert in kurzer Zeit genügend genaue Meßwerte. Das Meßprinzip beruht darauf, daß die vom Pulsgenerator erzeugten Druckschwankungen keine Druckunterschiede an den Ableitöffnungen bewirken, solange der Luftwiderstand zwischen dem Anschluß des Pulsgenerators einerseits und den beiden Enden des Atemrohres andererseits gleich groß ist. Wenn die Atemwege der zu untersuchenden Person pneumatisch an das mundseitige Ende des Atemrohres angeschlossen sind und die öffnung des freien Endes des Atemrohres so weit mit einem Strömungswiderstand abgeschlossen wird, daß an den Druckableitöffnungen Druckgleichheit herrscht, so repräsentiert dieser Strömungswiderstand den Atemwegwiderstand.

Der Strömungswiderstand am freien Atemrohrende wird zweckmäßigerweise durch eine Irisblende gebildet, deren öffnungsweiten direkt in Widerstandswerten geeicht sind; die Größe der öffnung gibt dann direkt den Atemwegswiderstand.

Das erfindungsgemäße Gerät ist robust, braucht kaum gewartet zu werden und ist einfach zu handhaben.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, das anhand einer Figur erläuiert wird.

In der Figur ist mit 1 das aus einem Rohr mit lichter Weite von 25 mm bestehende Atemrohr bezeichnet. Mit 2 ist das mundseitige Ende und mit 3 das freie Ende des Atemrohres bezeichnet. Das Atemrohr 1 weist zwischen den Endöffnungen 2 und 3 den Anschluß 4 mit einem Durchmesser von ebenfalls 25 mm auf, an den das Rohrstück 5 gleicher lichter Weite angesetzt ist. Das Atemrohr 1 ist als T-förmiges Staudruckrohr ausgebildet, wobei das Rohrstück 5 den Fußteil des T-Stückes bildet und als Anschlußleitung zum Pulsgenerator dient. Die Gesamtlänge des Atemrohres beträgt 425 mm, der Abstand vom Anschluß 4 bis zum mundseitigen Ende 2 100 mm, und der Abstand vom Anschluß 4 bis zum freien Ende 3 300 mm. Der Untersc! _ü der beiden Abstände von 200 mm berücksichtigt, daß am mundseitigen Ende der Patiententotraum (nämlich Mundhöhle, Rachenhöhle und Luftröhre) noch vor dem eigentlichen Widerstandssystem der Lunge liegt.

Die freie Endöffnung 3 ist mit einer Iris-Lochblende 6 versehen, die mittels Motor 7 verstellbar ist. Als Pulsgenerator für die Erzeugung sinusförmiger Druckschwankungen arbeitet im Rohrteil 5 der sich unter der Wirkung des Exzenterantriebes 8 bewegende Kolben 9, welcher einen Hub von etwa 50 cm³ liefert (Kolbenpumpe). Die Frequenz der Druckschwankungen beträgt 4 Hz; sie liegt also über der Frequenz der Ruheatmung. Als Pulsgenerator kann auch eine schwingende Membran (Membranpumpe) verwendet werden.

In? Abstand von je 35 mm vom Anschluß 4 befinden sich auf der gegenüberliegenden Innenseite des Atemrohres zwei axial versetzte Ableitöffnungen, die glattrandig in das Atemrohr münden. Diese öffnungen 10 und 11 sind mittels der Leitungen 12 und 13 an der Differenzdruckmanometerdose 14 angeschlossen. Als Manometer ist ein Elektromanometer verwendet, welches eine elektrische, der Druckdifferenz an den Ableitöffnungen 10 und 11 des Atemrohres entsprechende Ausgangsspannung abgibt Das Ausgangssigna! des Elektromanometers wird in einem ersten Integrator 15 und in einem zweiten Integrator 16 weiterverarbeitet und an das Null-Punkt-Instrument (Meßinstrument mit Ruhe-Null-Stellung in der Skalenmitte) 17 geführt Es kann einer der beiden Integratoren eingespart werden, wenn das Meßinstrument selbst als integrierendes Meßinstrument ausgebildet ist. Das Meßinstrument ist mit zwei symmetrisch zum Null-Punkt der Skala angeordneten Grenzwertfühlern 18, 19 versehen, über welche bei Überschreitung der Grenzwerte ein elektrisches Signal an den Motor 7 gegeben wird zur Veränderung der Größe der Lochblende. Selbstverständlich können statt einer Lochblende beliebig andere Strömungswiderstände verwendet werden. Die Verstellung der Blende 6 durch den Motor 7 über die Grenzwertfühler 18 oder 19 soll im Sinne eines Null-Abgleiches des Meßinstrumentes erfolgen. Beim Ausführungsbeispiel ist auch eine nicht dargestellte Löschtaste vorgesehen, welche nach jeder Veränderung der Lochblendenweite betätigt wird und die Integratoren 15 und 16 löscht.

Die Aufgabe des ersten Integrators 15 ist es, eine Glättung der Wechseldruckkomponente des Pulsgenerators herbeizuführen. Der weitere Integrator 16 dient der Eliminierung des durch die Atmung entstehenden Wechseldruckes. Am Meßinstrument werden daher bei Symmetrie zwischen dem Widerstand des Patienten und dem das ins Freie mündende Ende des Atemrohres abschließenden Strömungswiderstand (Blende) keine Schwankungen mehr angezeigt, die durch den Pulsgene-, rator bzw. die Atmung des Patienten bewirkt sind. Bei Unsymmetrie der Widerstände weicht jedoch der Meßwert am Instrument 17 vom Null-Wert ab.

Zur Meßmethode wird noch folgendes bemerkt:

Wird z. B. das ins Freie mündende Ende 3 des Atemrohres durch die Blende teilweise verschlossen, so strömt durch das Atemrohrstriick zwischen dem Anschluß 4 und dem Ende 3 weniger Luft als durch das Roh. :eil zwischen Anschluß 4 und mundseitigem Ende 2 (sofern es die zu untersuchende Person noch nicht im Mund hat). Die an den Ableitöffnungen 10 und 11 gemessenen Drücke sind die Resultanten aus den hier herrschenden statischen Drücken und dem Einfluß der

Strömungsgeschwindigkeit an diesen Stellen. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist — gleichgültig in welcher Richtung —, um so niedriger ist der Meßwert für den Druck an dieser Stelle. Verschließt man das Ende 3 volkommen, so herrscht an der Ableitöffnung 10 nur eine ganz minimale Strömung, so daß während des Drückens und Saugens der Pumpeinrichtung (des Pulsgenerators) bei 10 ein größerer Druck herrscht als bei 11, weil an der Ableitöffnung 11 eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und daher nach der Benoulli-Gleichung dort der niedrigere Druck herrscht. Vorausgesetzt ist dabei, daß die Ableitöffnungen für das Druckmeßgerät glattrandig in das Atemrohr einmünden. Die Integration der Druckdifferenz zwischen den Ableitöffnungen 10 und 11 ergibt eine »positive« Drift eines nachgeschaiteten Meßinstrumentes. Läßt man nun das Ende 2 des Atemrohres von einer zu untersuchenden Person in den Mund nehmen und ist der Atemwegwiderstand dieser Person größer als derjeniger der teilweise verschlossenen Blende am Ende 3, so wird das vom Pulsgenerator verschobene Gasvolumen zu einem größeren Teil durch das Atemrohrende 3 bzw. die Blendenöffnung strömen als durch das mundseitige Atemrohrende 2. Die Strömungsgeschwindigkeit ist demzufolge an der Ableitöffnung 10 größer als bei der Ableitöffnung 11 und damit ist der Druck bei 10 niedriger als bei 11. Das von dem Differenzdruckmeßinstrument gelieferte und vom ersten Integrator integrierte Signal wird daher eine negative Drift des Meßinstrumentes bewirken. Entspricht der Widerstand der Blende 6 am Atemrohrende 3 demjenigen der zu untersuchenden Person am mundseitigen Atemrohrende 2, so tritt keine Drift mehr ein.

Diese Vorgänge werden von der Atmung der zu untersuchenden Person überlagert. Während der Inspiration und der Exspiration entsteht an den Ableitöffnungen 10 und 11 eine zusätzliche Strömung, die jedoch an beiden Stellen identisch ist. Da auch das Insprirationsvolumen und das Expirationsvolumen praktisch gleich groß sind (der Fehler infolge des respiratorischen Quotienten beträgt höchstens 1%), führt die fortlaufende Integration lediglich zu einem Pendeln des Anzeigeinstruments aber nicht zu einer Drift.

Bei stufenweiser Änderung des Lochdurchmessers der Blende während der Atmung der zu untersuchenden Person ist eine Gleichheit der Strömungswiderstände der Blende und der Atemwege der zu untersuchenden Person daran zu erkennen, daß der erste Integrator um einen gleichbleibenden Wert pendelt aber nicht mehr driftet. Das Quadrat des so ermittelten Blendenradius ist umgekehrt proportional dem Strömungswiderstand in den Atemwegen der zu untersuchenden Person.

Durch nochmalige Integration des Signals kann auch noch das Pendeln eliminiert werden, so daß die interessierende Drift allein übrigbleibt. Über die Grenzwertmeldung kann dann automatisch der Blendendurchmesser einer Irisblende oder durch Weiterschalten einer Lochscheibe um ein Loch beispielsweise um 0,5 mm vergrößert bzw. verkleinert werden. Gleichzeitig sind der Integrator 15 und 16 zu löschen, und ein Uhrwerk erneut zu starten. Wenn z. B. innerhalb von 10 bis 30 see kein positiver oder negativer Grenzwert erreicht wird, stimmt der Blendenwiderstand mit den Strömungswiderständen der Atemwege der zu untersuchenden Person überein und kann abgelesen oder angezeigt werden.

Außer einer Blende (Irisblende oder drehbare Scheibe mit verschiedenen Löchern, Durchmesser 2—13 mm in Stufen von je 0,5 mm) kann auch eine Serie von Widerständen nach Art eines Pneumotachographen verwendet werden (z. B. Fleisch'sche Düsen, Netze oder ähnliche lineare Strömungswiderstände).

Die Differenzdruckmeßdose muß den Bereich von Null bis 2 mm Wassersäule umfassen und soll linear sein.

Der theoretisch zu erwartende Einfluß der Größe des Lufigenvolumens, das dem Widerstand der Atemwege der zu untersuchenden Person nachgeschaltet ist, hai sich in Modellversuchen mit einer künstlichen Lunge und auch bei den untersuchten Personen als vernachlässigbar gering erwiesen, wenn das vom Pulsgeneratoi bewegte Volumen, also z. B. der Pumpenhub, nicht mehr als 50 cm³ und die Pulsfrequenz nicht über 4 H2 betragen.

Vorteile der Erfindung liegen in dem geringer apparativen Aufwand und dem geringen Preis, in dei Möglichkeit der Durchführung der Messungen be Ruheatmung und damit Unabhängigkeit von dei Mitarbeit der zu untersuchenden Person sowie in dei sehr einfachen Handhabung und Wartungsfreiheit de; Gerätes und der einfachen Auswertbarkeit der Messun gen. Wesentliche Bedeutung kommt der Erfindung füi die Frühdiagnostik chronisch-unspezifischer Atem wegserkrankungen zu.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I. Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Atemrohr, an das zwischen dem mundseitigen und dem ins Freie mündenden Ende ein Differenzdruckmesser über zwei axial versetzte Ableitöffnungen angeschlossen ist, und einem Pulsgenerator, durch den das Atemrohr mit vorzugsweise sinusförmigen Druckschwankungen beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (4) des Pulsgenerators (8, 9} am Atemrohr (1) zwischen den Ableitöffnungen (10,11) des Differenzdruckmessers (14), vorzugsweise annähernd symmetrisch und senkrecht dazwischen, erfolgt und daß das ins Freie mündende Ende (3) des Atemrohres (1) mit Strömungswiderständen (6) unterschiedlicher Größe abschließbar ist

   Z Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Atemrohr als T-förmiges Staudruckrohr ausgebildet und der Pulsgenerator am Fußteil des T-Stückes angeschlossen ist

   3. Gerüst nach Anspruch 1 —2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsgenerator nach Art einer Kolbenpumpe (8,9) arbeitet.

   4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenhub in der Größenordnung von etwa 50 cm³ liegt

   5. Gerät nach Anspruch 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Druckschwankungen einige, vorzugsweise 4 Hz beträgt

   6. Gerät nach Anspruch 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungswiderstand eine Irisblende (6) verwendet ist.

   7. Gerät nach Anspruch 1—5, gekennzeichnet durch eine verstellbare Lochscheibe, deren Löcher im Bereich von 2—13 mm um jeweils etwa 0,5 mm gestufte Durchmesser aufweisen und einzeln als Strömungswiderstände dienen.

   8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile des T-Stückes gleiche lichte Weiten haben.

   9. Gerät nach Anspruch 1 —8, dadurch gekennzeichnet, daß als Differenzdruckmesser ein Elektromanometer (14) mit nachgeschaltetem Meßinstrument (17) verwendet ist.

   10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßinstrument ein sog. Nullinstrument verwendet ist.

   II. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßinstrument mit Grenzwertfühlern (18,19) symmetrisch zum Null-Punkt ausgestattet ist.

   12. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektromanometer und dem Meßinstrument zur Glättung der vom Pulsgenerator stammenden Druckschwankungen ein Integrator

   (15) eingeschaltet ist.

   13. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgeschaltete Meßinstrument ein integrierendes Meßinstrument ist.

   14. Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektromanometer und dem Meßinstrument ein weiterer Integrator

   (16) zur Eliminierung des durch die Atmung gegebenen Wechseldruckes eingeschaltet ist.

   15. Gerät nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen von den Grenzwertfühlern gesteuerten motorischen Antrieb (7) für die Verstellung der Strömungswiderstände im Sinne eines Null-Abgleiches.

   16. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Atemrohr einen Durchmesser von etwa 25 mm besitzt

   17. Gerät nach Anspruch 1 — 16, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ableitöffnungen für den Differenzdruckmesser glattrandig in das Atemrohr münden.

   18. Gerät nach Anspruch 1 — 17, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der Ableitöffnungen vom Anschluß (4) des Pulsgenerators etwa 35 mm beträgt

   19. Gerät nach Anspruch 1 — 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Atemrohres etwa 425 mm beträgt

   20. Gerät nach Anspruch 1 — 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Absland des mundseitigen Endes (2) des Atemrohres vom Anschluß (4) des Pulsgenerators zum Ausgleich des Atemwegtotraumes beim Menschen um etwa 200 mm kürzer ist als der Abstand des freien Atemrohrendes (3) vom Anschluß (4) des Pulsgenerators.

   21. Gerät nach Anspruch 1 —20, dadurch gekennzeichnet daß der Abstand des mundseitigen Endes (2) des Atemrohres vom Anschluß (4) des Pulsgenerators etwa 100 mm beträgt

   22. Gerät nach Anspruch 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungswiderstände Pneumotachogiaphen, z. B. Fleischsche Düsen, Netze oder ähnliche lineare Strömungswiderstände, verwendet sind.