DE19628356C2 - Verfahren zur Normalisierung des Atemmusters von mit Atmungsgeräten ausgestatteten Personen, insbesondere von Sport- und Berufstauchern, sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Normalisierung des Atemmusters von mit Atmungsgeräten ausgestatteten Personen, insbesondere von Sport- und Be­ rufstauchern, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.

Betroffen sind alle Berufsgruppen, die mit Atemschutzgeräten ausgerüstet sind, d. h. die mit autonomer Luftversorgung (Preßluft) arbeiten müssen. Betroffen sind hier sowohl Berufs- als auch Freizeitbereiche, wie z. B. die Feuerwehr, medizini­ sche Therapien, der Katastrophenschutz, die Luft- und Raumfahrt, ABC-Schutz­ züge (biologisch) sowie auch Berufs- und Sporttaucher. Personen, die mit At­ mungsgeräten ausgerüstet sind und die zu der einen oder der anderen Gruppe zählen, verwenden diese Atemschutzgeräte, um sich entweder selbst oder andere vor Gefahren zu schützen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, geeignete Maßnahmen zu treffen, um in Atemnotsituationen der jeweiligen Lage durch entsprechende Reaktionen gerecht zu werden.

Insbesondere Tauchunfälle werden vielfach durch Hyperventilation ausgelöst und begleitet. Unter dem Begriff der Hyperventilation versteht der Fachmann eine Überatmung, die zu Bewußtseinsveränderungen führt, welche einen Tiefenrausch bzw. akute Atemnot auslösen können, der bzw. die im schlimmsten Fall zum Tod durch Ertrinken führen, sofern keine geeigneten Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Ziel der Sicherheit bei autonomer Atemluftversorgung, insbesondere der Tauch­ sicherheit, sollte die physiologisch gerechte Atemluftversorgung sein. Diese wird erreicht durch

• - einerseits ausreichende Versorgungssicherheit (Meßmöglichkeiten) bezüg­ lich der Luftmenge,
• - andererseits durch Sicherstellung eines physiologischen Atemmusters.

Beim allgemeinen, im Sport- und Berufstauchbereich bekannten Stand der Tech­ nik wird der Füllungsgrad der Preßluftflaschen durch sogenannte Finimeter ermit­ telt. Finimeter sind Druckmeßinstrumente zur Ermittlung des Flaschendruckes und damit zur Ermittlung der noch vorhandenen Luftmenge während eines Tauchvorganges. Finimeter sind keine geeigneten Instrumente, um Atemmuster zu erkennen oder herzuleiten. Nachteilig ist hier festzustellen, daß insbesondere dem Taucher keine konkreten Informationen über geeignete Verhaltensmaßnahmen bezüglich des physiologischen Atemmusters zugänglich gemacht werden, so daß er in den dargelegten Problemsituationen einem hohen Risiko ausgesetzt wird.

Durch die DE 34 06 135 A1 ist ein vielseitig verwendbares Langzeitatmungsauf­ zeichnungsgerät bekannt, das aus einem Geber besteht, der die Atemexkursionen des Thorax mittels eines Sensors mechanisch oder elektronisch mißt und die ermittelten Werte mechanisch, elektrisch oder drahtlos auf ein Aufzeichnungsgerät überträgt, das eine kontinuierlich zeitkonstant angetriebene, ggf. mit Zeitmarken versehene oder versehbare, beschriftbare oder magnetisch markierbare Papier- oder Folienbahn und einen Schreiber oder Magnetkopf aufweist, dessen Schreibhübe mechanisch oder elektromechanisch erfolgen, wobei der Geber an einem im Sternalbereich offenen, von Schulterträgern zwischen Mamillen und epigastrischen Rippenbögen gehaltenen Thoraxgurt gehalten ist, auf dem ein reibungsarm geführter Gleitgurt geführt ist, welcher im Sternalbereich mittels eines im Gegensatz zu den Gurten dehnelastischen Mittelstückes geschlossen ist, dessen atembedingte Längenänderung entweder mechanisch mittels eines steifen Streifen oder Drahtes oder elektronisch, z. B. mittels Dehnungsmeßstreifen, ge­ messen werden.

Weiterhin ist aus der DD-Patentschrift 56 699 ein Verfahren zur Rettung von Personen, insbesondere von Tauchern bekannt, bei dem physiologische Parameter des Menschen mit Atemfrequenz oder der Blutdruck, die Herztätigkeit bzw. die Anzahl der Pulsschläge je Zeiteinheit für Steuerungs-, Regelungs- und Anzeigezwecke ausgenutzt wird. Die gemessenen Parameter werden mit einem Sollwert verglichen und bei bestimmter Abweichung wird automatisch ein Auslöseimpuls für einen Rettungsvorgang ausgelöst.

Aus der DE 42 29 073 A1 ist eine Meßvorrichtung zum Erfassen und Überwachen der Atemtätigkeit durch die Atembewegung bei Mensch und Tier bekannt, wobei die Erfassung der Änderung des Körpervolumens durch ein oder mehrere Sensoren erfolgt, die die aus der Volumenänderung resultierenden Änderungen des Körperumfanges, z. B. von Brustkorb und Bauch erfassen, die aus elastischen elektrischen Leitern bestehen, deren Widerstand sich proportional einer Längenänderung verändert. Eine Auswertevorrichtung ermittelt aus den Sensorsignalen, ob eine Atemtätigkeit vorhanden ist, die im Falle eines Atemstillstandes einen Alarm auslöst.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zu konzipieren, mit welchem das Phänomen eines gefährlichen Atemmusters, insbesondere der Hyperventilation, nicht nur erkannt, sondern auch der jeweiligen mit Atmungsgerät ausgerüsteten Person, insbesondere dem Sport- und Berufstaucher, zugänglich gemacht werden kann, so daß diese Person, insbesondere der Sport- und Berufstaucher durch entsprechende eigene Verhaltensweisen frühzeitig und schrittweise insbesondere aus der Hyperventilation herausgeführt werden kann und wieder physiologisch gerechte Atemmuster entstehen, wobei letztendlich die Sicherheit der jeweiligen Sport- und/oder Berufsgruppe erhöht wird.

Dieses Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Normalisierung des Atemmusters von mit Atmungsgeräten ausgestatteten Personen, insbesondere von Sport- und Berufstauchern, durch folgende Schritte erreicht:

• - Erfassung von vitalfunktionalen Parametern der Person,
• - Ermittlung mindestens eines Atemmusters als Ist-Atemmuster aufgrund der erfaßten Parameter,
• - Vergleich des Ist-Atemmusters mit mindestens einem vorgegebenen Soll- Atemmuster,
• - Feststellung dahingehend, ob das Ist-Atemmuster innerhalb oder außerhalb des vorgegebenen Soll-Atemmusters liegt,
• - Information und Instruktion der Person dahingehend, daß das Ist- Atemmuster an das vorgegebene Soll-Atemmuster angepaßt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 8 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den zuge­ hörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung beinhaltet somit ein Frühwarnsystem im Hinblick insbesondere auf die Erkennung und Gegensteuerung der Hyperventilation von Personen, vor­ zugsweise von Sport- und Berufstauchern, durch welches eine aktive Sicher­ heitserhöhung der Person, insbesondere des Sport- und Berufstauchers durch Ateminstruktionen herbeigeführt wird. Die Erfassung der vitalfunktionalen Para­ meter wie beispielsweise der Herz- oder Kreislauffunktion, insbesondere jedoch der atemrelevanten Parameter, wie Atemzugvolumen und/oder Atemfrequenz und/oder der Aktivität des Einatemmuskelsystems und/oder der Aktivität des Ausatemmuskelsystems und/oder Einatemphasendauer und/oder Ausatempha­ sendauer können hierbei durch im medizinischen Bereich bekannte Meßverfahren erfaßt werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, einzelne oder mehrere der vorgenannten Parameter durch Anwendung von Differenzdruck-Meßverfahren, bei welchen entsprechende Meßelemente in den Lungenautomaten insbesondere des Gerätetauchers integriert werden, zu erfassen. Weitere Möglichkeiten, um einzelne oder mehrere der vorstehenden Parameter zu ermitteln, bestehen darin, die Kolben und/oder Membranbewegungen innerhalb der Lungenautomaten z. B. über elektronische Meßverfahren potentiometrisch, induktiv oder kapazitiv festzustellen und damit in elektronischer Form darzustellen.

Die so erfaßten Parameter, die nunmehr in elektronischer Form vorliegen, werden einer elektronischen Rechnereinheit zugeführt, welche die Signalwerte numerisch in Istwerte wandelt. In einer Speichereinheit sind, ebenfalls in numerischer Form, Sollwerte für die genannten Parameter enthalten. Die numerischen Werte für Soll- und Istwerte werden danach über die Rechnereinheit numerisch verglichen und einer Entscheidungsfindung zugeführt, über welche danach z. B. bestimmte Signale in Form von Instruktionstexten oder dgl. aktiviert und beispielsweise auf einem Display oder dgl. angezeigt werden können.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipskizze eines Tauchers mit mehreren Meßeinrichtungen.

Fig. 2 Diagramm zur Entstehung von Essoufflement (Hyperventilation).

Fig. 3 Regelschema zur Überwachung der Atmungsvorgänge insbesondere von Tauchern.

Fig. 4 Diagramm zur Unterdrückung des Easoufflement (Hyperventilation).

Fig. 1 zeigt eine Person 1, die beispielsweise ein Taucher sein kann, bei welcher die Atmungsvorgänge überprüft werden sollen. Zu diesem Zweck sind zwei ela­ stische Bänder 2, 3 am Brustkorb 4 der Person 1 angeordnet. Im Bereich der einzelnen Bänder 2, 3 sind Meßwertaufnehmer 5, 6, beispielsweise in Form von Dehnungsmeßstreifen, vorgesehen, welche die Dehnung der Bänder 2, 3 auf­ nehmen und einer hier nicht weiter dargestellten Auswerteelektronik zur Verfügung stellen. Die Person 1 kann in gleicher Weise der eingangs genannten Per­ sonengruppe angehören.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Entstehung von Essoufflement in den Bereichen A, B und C. Es sind erkennbar der Bereich A der Hyperventilation, der Bereich B der Hypoventilation sowie der Bereich C des Essoufllement. Die Kurve 7 definiert den Sauerstoffpartialdruck, während die Kurve 8 den Kohlendioxydpartialdruck widerspiegelt. Im Bereich D ist das Residualvolumen und im Bereich E die ex­ spiratorische Reserve angegeben. Durch den Bereich G ist der physiologisch gerechte Atembereich definiert. Mit der Kurve 9 ist die Atemmittellage bezeichnet. Der Bereich der Hyperventilation mit ihren Steigerungen (Hypoventilation sowie Essoufflement) ist mit F bezeichnet.

Die Hyperventilation wirkt CO₂ abbauend, was ein dysfunktionales Atemverhalten der Person, insbesondere des Sport- und Berufstauchers, bei Aufregung oder Anstrengung bewirkt.

Stimmt das Ist-Atemmuster mit dem vorgegebenen Soll-Atemmuster überein bzw. bewegen sich deren Parameter innerhalb der zulässigen Grenzwerte, ist die Person, insbesondere der Sport- und Berufstaucher nicht genötigt, seine Atmung zu verändern. Auch diese Werte können sporadisch oder kontinuierlich über bei­ spielsweise ein Display der Person, insbesondere dem Sport- und Berufstaucher, zugänglich gemacht werden. Mit beginnender Hyperventilation können darüber­ hinaus auch noch akustische Warnelemente vorgesehen werden, die die Person, insbesondere den Sport- und Berufstaucher, rechtzeitig darauf hinweisen, den übermittelten Signalen zu folgen.

Wie bereits angesprochen, werden im Brustbereich der Person, insbesondere des Sport- und Berufstauchers, mehrere, vorzugsweise zwei, Dehnungsbänder vor­ gesehen, von denen das eine im oberen Brustbereich vorgesehen wird, welches die Einatemtätigkeit mißt und das zweite etwa im unteren Brustbereich angebracht wird. Das zweite Band mißt die Ein- und Ausatem-Muskelaktivitäten.

Der Anwendungsbereich der Erfindung wurde bereits eingangs geschildert. Durch die erfindungsgemäßen Merkmale wird das allgemeine Wohlbefinden der Person, insbesondere des Sport- und Berufstauchers, wesentlich erhöht, wobei gleichzeitig eine Senkung des Luftverbrauches herbeigeführt werden kann. Wesentlich ist, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Absenkung der Wahrscheinlichkeit einer an sich ungewollten Panikreaktion herbeigeführt werden kann.

Als Meßvariable kommen im wesentlichen die Einatmung, die Pause nach der Einatmung, die Ausatmung sowie die Pause nach der Ausatmung zum Einsatz. Ist-Zustände können beispielsweise bei der Einatmung ein zu hohes Volumen, eine zu lange Zeit nach der Einatmung, wenig Volumen innerhalb kurzer Zeit bei der Ausatmung sowie eine nicht vorhandene Pause nach der Ausatmung sein.

Dem gegenüber werden als Sollzustände bei der Einatmung ein geringes Volu­ men, eine Reduktion auf Null bei der Pause nach der Einatmung, bei der Ausat­ mung ein großes Volumen über eine lange Zeit und eine längere Zeit bei der Pause nach der Ausatmung angesehen.

Essoufflement wirkt CO₂ anreichernd, was ebenfalls ein dysfunktionales Atem­ verhalten der Person, insbesondere des Sport- und Berufstauchers, bei Aufregung oder Anstrengung bewirkt.

Als atemrelevante Parameter werden angesehen: das Atemzugvolumen AZV, die Atemfrequenz AF, die Aktivität des Einatem-Muskelsystems EMS, die Aktivität des Ausatem-Muskelsystems AMS, die Einatemphasendauer EAD sowie die Ausatemphasendauer AAD.

Das Atemmuster wird eingeteilt in Gefahratemmuster, Hyperventilationsatemmu­ ster, Essoufflementatemmuster sowie Sicherheitsatemmuster.

Die Atemzüge bei der Hyperventilation sind tief und schnell. Hier findet weder nach der Einatmung noch nach der Ausatmung eine Pause statt. Der Modus der Ein- und Ausatmung ist jeweils aktiv, d. h. es wird mit Kraft und gewollt ein- und ausgeatmet. Bei der Hyperventilation, die man auch außerhalb des Tauchberei­ ches häufig findet, geschieht meistens vor Eintritt derselben eine Aufregung oder eine körperliche Anstrengung oder beides gleichzeitig. Die Aufregung wird von bestimmten Gedanken begleitet, wie z. B. "das ist aber jetzt schlimm" oder "das ist so furchtbar, daß ich es nicht mehr aushalten kann". Die emotionale Wirkung dieser Gedanken wird durch die Atmung verstärkt. Dies bewirkt körperliche Veränderungen, wie z. B. Erhöhung der Herzfrequenz und Erhöhung des Blutdruckes. Aufgrund des gestiegenen Blutdruckes steigt die Herzklopfwahr­ nehmung. Dies wird seitens der Person, insbesondere des Sport- und Berufstau­ chers, wahrgenommen. Diese Wahrnehmung scheint dann die katastrophalen Gedanken zu bestätigen. Die Gedanken werden verstärkt wiederholt. Dies bewirkt wiederum eine Verstärkung der Hyperventilation, die dann aufgrund immer weiter abnehmenden Atemzugvolumens und immer weiter zunehmender Atemfrequenz in den Bereich der Hypoventilation und des Essoufflement übergeht. Der Begriff des Essoufflement wird seitens des Fachmannes wie folgt definiert:
Essoufflement ist ein hochfrequentes, niedervolumiges Atemmuster in der inspi­ ratorischen Phase (Bereich F).

Fig. 3 zeigt ein Regelschema, mittels welchem Vitalfunktionen, insbesondere eines Tauchers, ermittelt, bewertet und dem Taucher in entsprechender Weise wieder zugänglich gemacht werden. Dargestellt ist wieder die Person gemäß Fig. 1, die insbesondere durch einen Sport- oder Berufstaucher repräsentiert werden kann. Ferner erkennbar sind die dehnbaren Bänder 2, 3. Durch die angedeuteten Pfeile wird der Signalfluß der hier nicht weiter dargestellten Meßwertaufnehmer (Fig. 1) erläutert. Im sich anschließenden Bereich 10 einer elektronischen Rechnereinheit R wird zunächst ein Algorithmus zur Ermittlung des Ist-Atemmusters erzeugt. Im Bereich 11 wird ein Vergleich des Ist- und des Soll-Atemmusters vorgenommen. Hierzu wird aus einer Speichereinheit 12 ein Soll-Atemmuster eingelesen. Im Bereich 13 wird ein angenähertes Soff-Atemmuster gebildet, während der Bereich 14 der Darstellung eines angenäherten Soll-Atemmusters dient. Über eine Signalleitung 15 wird der Person 1, insbesondere dem Sport- oder Berufstaucher, beispielsweise über ein Display 16 eine Information bezüglich seines gegenwärtigen Atemmusters übermittelt. Alternative Signaleinrichtungen auf akustischer Basis sind ebenfalls denkbar.

Fig. 4 zeigt ein Fig. 2 äquivalents Diagramm, bei welchem der Bereich F (Hyperventilation) dargestellt ist. Erkennbar ist, daß beispielsweise ein Sport- oder Berufstaucher sich in einem beginnenden kritischen Zustand der Hyperventilation befindet. Dieser Zustand wird über die hier nicht weiter dargestellten elastischen Bänder 2, 3 sowie die nachgeschaltete Rechnereinheit R erkannt und dem Taucher übermittelt. Sobald die Information von dem Taucher bewußt wahrgenommen worden ist, ist er über das Display 16 frühgewarnt. Die Frühwarnung hat das Ziel, einem unkontrollierten Hyperventilieren vorzubeugen bzw. dieses zu verhindern. Über die so an den Taucher vermittelten Instruktionen ist dieser in der Lage, sein Atemmuster in entsprechender Weise anzupassen, so daß er sich von seiner Atmung her wieder in den normalen Bereich G einpendeln kann.

Alternativ besteht neben dieser sogenannten Einzellösung auch die Möglichkeit, eine externe Leit- oder Überwachungsstelle vorzusehen, die computergesteuert die ihr seitens der taucherseitigen Meßeinheit per Datenfernübertragung übermittelten Daten auswertet und per Datenfernübertragung dem Taucher die notwendigen Informationen bzw. Instruktionen übermittelt, die geeignet sind, sich anbahnende Krisenstände zu unterbinden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Normalisierung des Atemmusters von mit Atmungsgeräten ausgestatteten Personen (1), insbesondere von Sport- und Berufstauchern, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Erfassung von vitalfunktionalen Parametern der Person (1),
• - Ermittlung mindestens eines Atemmusters als Ist-Atemmuster auf­ grund der erfaßten Parameter,
• - Vergleich des Ist-Atemmusters mit mindestens einem vorgegebenen Soll-Atemmuster,
• - Feststellung dahingehend, ob das Ist-Atemmuster innerhalb oder außerhalb des vorgegebenen Soll-Atemmusters liegt,
• - Information und Instruktion der Person (1) dahingehend, daß das Ist- Atemmuster an das vorgegebene Soll-Atemmuster angepaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die atemrele­ vanten Parameter der Person (1) erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Parameter erfaßt werden: Atemzugvolumen (AZV) und/oder Atemfrequenz (AF) und/oder Einatem-Muskelsystem (EMS) und/oder Ausatem- Muskelsystem (AMS) und/oder Einatemphasendauer (EAD) und/oder Au­ satemphasendauer (AAD).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fallunterscheidung zwischen einem Soll-Atemmuster, welches außerhalb eines Hyperventilationsmusters der Person (1) liegt und mindestens einem Gefahren-Atemmuster, welches innerhalb des Hyperventilationsmusters der Person (1) liegt, vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erfaßten Parameter einer Auswerteelektronik zugeführt werden, welche alle parametrischen Signalwerte in numerische Ist-Werte umwandelt und in welche ebenfalls in numerischer Form Soll- Werte für das oder die Atemmuster eingebracht und gespeichert werden, und in der die numerischen Werte für Soll- und Ist-Werte numerisch verglichen und einer Entscheidungsfindung zugeführt werden, die dann bestimmte Signale aktiviert und der Person (1) zugänglich macht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale in Form von akustischen und/oder optischen Signalen, insbesondere in Form von Instruktionen, der Person (1) angezeigt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ist-Atemmuster und/oder die Soll-Atemmuster und/oder die Informationen und Instruktionen per Datenfernübertragung an mindestens eine externe Leit- oder Überwachungsstelle gesendet werden.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Brustkorbes (4) der Person (1) mehrere Meßwertaufnehmer (5, 6) beinhaltende, zumindest teilweise elastische Bänder (2, 3) vorgesehen sind, wobei die Meßwertaufnehmer (5, 6) mit einer Rechnereinheit (R) als Auswerteelektronik verbunden sind, die eine Speichereinheit (12) für das Soll-Atemmuster und eine Vergleichseinheit für Soll- und Ist-Atemmuster aufweist, wobei die Rechnereinheit (R) wiederum über entsprechende Signalleitungen (15) mit einer Anzeigeeinrichtung in Verbindung steht, die die Information und Instruktion bezüglich des Atemmusters der Person (1) anzeigt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Brustkorb (4) der Person (1) zwei dehnbare Bänder (2, 3) mit zueinander definiertem Abstand vorgesehen sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Band (3) im Bereich des Brustbeines und das andere Band (2) im Bereich der Brustflanke angeordnet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Information und Instruktion für die Person (1) über ein optisches Display (16) anzeigbar ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Atem­ muster auf dem Display (16) grafisch darstellbar sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Atemmuster farblich darstellbar sind.