DE2045403C3

DE2045403C3 - Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes

Info

Publication number: DE2045403C3
Application number: DE19702045403
Authority: DE
Inventors: Udo Dr.Med. 4130 Moers Smidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-09-15
Filing date: 1970-09-15
Publication date: 1981-04-09
Also published as: DE2045403B2; NL7112680A; DE2045403A1

Description

wobei Z_a den vorgegebenen Strömungswiderstand an dem ins Freie mündenden Ende des Atemrohres (1) und V den vom Pulsgenerator erzeugten Volumenstrom darstellt, der aus der Kennlinie des Pulsgenerators bekannt ist oder durch ein Volumenstrommeßgerät (10) bestimmt wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Pulsgenerator und dem Atemrohr ein Volumenstrommeßgerät vorgesehen ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Volumenstrommeßgerät ein Null-Diskriminator nachgeschaltet ist, welcher beim Nulldurchgang der Volumenstromwerte (V=Q) ein Steuersignal liefert.

4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bestimmen des vom Pulsgenerator im Atemrohr erzeugten Druckes (P) ein Subtraktionsglied umfaßt, dem einerseits der Meßwert (P_m) des Druckmeßgerätes und andererseits — vom Steuersignal des Null-Diskriminators gesteuert — der im Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des Volumenstromwerts am Druckmeßgerät anstehende Wert (P₀) zur Differenzbildung zugeführt wird.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzwert über einen Vollweggleichrichter und Mittelwertbildner einem Anzeigeinstrument zugeführt wird.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeinstrument in Abhängigkeil vom Strömungswiderstand (Z₁₁) direkt in Atemwiderstandswerten geeicht ist.

7. Gerät nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Pulsgenerators mit einer Frequenz von einigen, vorzugsweise 3 Hz in Abhängigkeit vom Null-Diskriminator die Integration der Druckwerte (P_n,) lediglich über eine vorbestimmte Zeit von vorzugsweise 50 msec von einem Nulldurchgang der Volumenstromwerte an gerechnet erfolgt.

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Atemrohr als T-förmiges Staudruckrohr ausgebildet und der Pulsgenerator am Fußteil des T-Stückes angeschlossen ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmeßgerät als ein einfaches, gegen Außendruck messendes Gerät ausgebildet ist und sein Meßanschluß im Atemrohr gegenüber der Einmündungsstelle des Fußteiles des T-Stückes liegt.

m Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Atemrohr, zwischen dessen mundseitigem Ende und dessen über einen vorgegebenen Strömungswiderstand ins Freie mündendem Ende ein Pulsgenerator und ein Druckmeßgerät angeschlossen sind.

Nach einem nicht vorveröffentlichten eigenen älteren Vorschlag (DE-Pateni 19 60 640) kann ein Gerät dieser Art dadurch billig, mit geringem Platzbedarf und störungsunanfällig ausgeführt werden, daß der Anschluß des Pulsgenerators am Atemrohr zwischen den Ableitöffnungen des Differenzdruckmessers, vorzugsweise symmetrisch und senkrecht dazwischen, erfolgt und daß das ins Freie mündende Ende des Atemrohres mit Strömungswiderständen unterschiedlicher Größe

J-5 abschließbar ist. Das dabei ausgenutzte Meßprinzip beruht darauf, daß die vom Pulsgenerator erzeugten Druckschwankungen keine Druckunterschiede an den AbleitöfTnungen bewirken, solange der Strömungswiderstand zwischen dem Anschluß des Pulsgenerators

jo einerseits und den beiden Enden des Atemrohres andererseits gleich groß ist. Wenn die Atemwege eines Probanden pneumatisch an das mundseilige Ende des Atemrohres angeschlossen und insoweit als Teil der einen Rohrseite anzusehen sind und die Öffnung des freien Endes des Atemrohres soweit mit einem Strömungswiderstand abgeschlossen wird, daß an den Druckableitöffnungen Druckgleichheit herrscht, so repräsentiert dieser Strömungswiderstand den Atemwegwiderstand. Dieses Meßprinzip bedingt also die Nachstellung des Strömungswiderstandes des freien Endes des Atemrohres bis zur Herstellung der Druckgleichheit an den Druckableitöffnungen.

Aus dem Artikel von A. B. Dubois u a. »Oscillation Mechanics of Lungs and Chest in Man« (Journal of Applied Physiology, Vol. 8, 587 — 593/1956) ist eine Methode zur Bestimmung des Atemwegwiderstandes bekannt, bei der man den Probanden 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 sind ein teures und nicht wartungsfreies Strömungsmeßgerät sowie eine zusätzliche Munddruckmessung erforderlich. Der Atemwiderstand kann nur rechnerisch oder graphisch durch Division des Munddruckes durch die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden, wozu entweder teure elektronische Rechner oder aufwendige Koordinatenschreiber sowie zusätzliche Interpolationsarbeiten des Bedienungspersonals erforderlich sind.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem der Atemwegwiderstand ausreichend genau bei direkter Ablesung ohne Beteiligung einer Bedienungsperson bei oder nach dem Meßvorgang bestimmt werden kann.

Durch die Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung, die den im Atemrohr herrschenden Druck (P_n,) mißt, eine Einrichtung, die daraus den vom

Pulsgenerator im Atemrohr erzeugten oszillatorischen Druck (P) bestimmt und eine dieser Einrichtung nachgeschaltete Auswerteeinrichtung, die aus dem so gewonnenen Wer¹ des vom Pulsgenerator im Atemrohr erzeugten oszillatorischen Druckes (P) den Atemwegwiderstind (ZJ nach der folgenden Beziehung bestimmt:

" " ίο

wobei Z_a den vorgegebenen Strömungswiderstand an dem ins Freie mündenden Ende des Atemrohrs und V den vom Pulsgenerator erzeugten Volumenstrom darstellt, der aus der Kennlinie des Pulsgenerators bekannt ist oder durch ein Volumenstrommeßgerät π bestimmt wird.

Die Erfindung beruht auf der Cberlgung, daß der vom Pulsgenerator erzeugte Volumenstrom (V) sich im Atemrohr verzweigt und sowohl den Patientenatemwegwiderstand (Zb) als auch den Strömungswiderstand (Za) am freien Ende des Atemrohres durchströmt; dementsprechend verhält sich der Quotient ( — Jaus

dem vom Pulsgenerator erzeugten Volumenstrom (V) und dem von ihm im Atemrohr erzeugten Druck (P) wie die Summe der reziproken Widerstände des Patienten (Zb)und des Strömungswiderstandes im Atemrohr (ZJ

Z₁, /„ P JO

Der Patientenwiderstand (Zb) ist also zu ermitteln, wenn der vom Pulsgenerator im Atemrohr erzeugte Druck und Luftstrom sowie der Volumenstromwiderstand am freien Ende des Atemrohres bekannt sind. Wenn als Pulsgenerator eine Pumpe verwendet wird, deren Daten bekannt sind, so braucht der vom Pulsgenerator erzeugte Volumenstrom (V) nicht noch gemessen zu werden, sondern es kann der durch die Pumpe gegebene (oder angegebene) Wert dafür eingesetzt werden.

Da als Volumenstromwiderstand im Atemrohr ein geeichter Widerstand verwendet wird, ist auch dessen Wert bekannt. Zur Lösung der Gleichung

Z₁. Z₁, P

fehlt demnach lediglich noch die Bestimmung des von dem Pulsgenerator erzeugten Druckes (P)\m Atemrohr. Im Rahmen der Erfindung kann dieser Druck (P) dadurch ermittelt werden, daß von dem am Druckmeßgerät ermittelten Druck (P,„) derjenige Druckwert (P₀) subtrahiert wird, der im Augenblick des Nulldurchgangs der Werte des Volumenstromes (V) im Atemrohr herrscht. Der Nulldurchgang der Werte des Volumen-Stromes (V) kann dadurch ermittelt werden, daß zwischen dem Pulsgenerator und dem Atemrohr ein Volumenstrommeßgerät bekannter Art vorgesehen und diesem ein Null-Diskriminator nachgeschaltet ist, welcher beim Nulldurchfe.uig der Volumenstromwerte ein Steuersignal liefert. Der Null-Diskriminator kann auch mechanisch arbeiten und beispielsweise bei Verwendung einer Kolbenpumpe die Umkehrpunkte erfassen und mechanisch daraus abgeleitete Steuersignale weiterleiten. Die Steuersignale werden im Rahmen der Erfindung dazu verwendet, den Druckwert (Po) am Druckmeßgerät abzugreifen. Eine sog. sampleand-hold-Schaltung kann den Druckwert (Po) über eine Halbperiode speichern und einem Subtraktionsglied zuführen, dem außerdem der Meßwert des Druckmeßgerätes während der Halbperiode eingegeben wird. Dieses Subtraktionsglied ermittelt so den reinen oszillatorischen Druck des Pulsgenerators im Atemrohr Der Differenzwert

P=Pm-P₀

wird im Rahmen der Erfindung über einen Vollweggleichrichter und Mittelwertbildner einem Anzeigeinstrument zugeführt, das in Abhängigkeit vom Strömungswiderstand (ZJ direkt in Atemwiderstandswerten geeicht sein kann.

Bei der Messung mit dem erfindungsgemäßen Gerät isi vorausgesetzt, daß die Atemfrequenz langsam ist im Vergleich zu der Oszillationsfrequenz des Pulsgenerators, so daß sich der Alveolardruck zwischen zwei Nulldurchgängen des Volumenstromes (V) nicht wesentlich ändert Bei beschleunigter Atmung ändert sich allerdings der Alveolardruck zu schnell, als daß bei einer Pulsfrequenz vor 3 Hz der ermittelte Werte repräsentativ für den Alveolardruck bliebe. Im Rahmen der Erfindung wird daher vorgeschlagen, über eine weitere sample-and-hold-Schaltung unter Verwendung desselben Null-Diskriminators lediglich den ersten Teil (etwa 50 msec) der Halbwelle von 160 msec des Pulsgenerators für die Gewinnung des gesuchten Druckwertes /u benutzen.

Anhand \υη zwei Figuren wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung das Atemrohr mit Pulsgenerator und Druck- und Volumenstrommesserund

Fig.2 eine Schaltung zur Ermittlung des os/illatorischen Druckes P.

In der F i g. 1 ist das Atemrohr mit 1, das mundseitige Ende des Atemrohres mit der Bezugszahl 2 und das ins Freie mündende Ende mit 3 bezeichnet. Im Endteil 3 ist der feste Strömungswiderstand 4 (Z₁₁) vorgesehen. In der Mitte zwischen den beiden Atemrohrenden mündet senkrecht in das Atemrohr der Rohrstutzen 5, an welchem der aus einer Exzenter-Pumpe 6 bestehende Pulsgenerator (3 Hz) angeschlossen ist. Das Atemrohr ist also als T-förmiges Staudruckrohr ausgebildet. Der Pulsgenerator liefert seine Druckstöße über den Strömungswiderstand 7 in die beiden Schenkel des Atemrohres 1. Vor und hinter dem Strömungswiderstand 7 sind zwei Anschlußstutzen 8 und 9 für den Anschluß eines in Volumenstromwerten geeichten Differenzdruckmessers 10 angeschlossen. Mit diesem Volumenstrommesser 10 wird der vom Pulsgenerator 6 erzeugte Volumenstrom gemessen. Im Bereich — vorzugsweise gegenüber — der Einmündungsstelle des Rohrstutzens 5 in das Atemrohr 1 befindet sich der Meßanschluß 11 für den Druckmesser 12, welcher den Druck im Atemrohr gegenüber dem äußeren Luftdruck mißt. Der Ersatzwiderstand für den mundseitigen Rohrteil und den Atemwegwiderstand des Probanden ist mit 13 (Zb) bezeichnet. Am Volumenstrommesser 10 kann der oszillatorische Volumenstrom V gemessen werden, während am Druckmesser 12 der Gesamtdruck im Atemrohr gemessen wird.

In der Fig.2 ist die Einrichtung zum Bestimmen des vom Pulsgenerator erzeugten Druckes P dargestellt. Der am Volumenstrommesser 10 gemessene Volumenstromwert V wird einem Null-Diskriminator 14 zugeführt, welcher bei Nulldurchgängen des gemesse-

nen Volumenstromwertes den am Druckmeßgerät 12 gerade gemessenen Wert (Po) mittels des Kontaktes 15 auf den Kondensator 16 gibt, der mit dem Subtraktionsglied 17 verbunden ist. Diesem Subtraktionsglied wird außerdem der vom Druckmesser 12 erfaßte Druck (P,,,) zugeführt. Nach Subtraktion steht am Ausgang des Subtraktionsgliedes 17 ein Wert zur Verfugung, der dsm gesuchten Wert für

P=P_1n-P₀

entspricht. Dieser Wert für den Druck P wird einem Doppelweggleichrichter 18 mit nachgeschaltetem Operationsverstärker 19 zur Mittelwertbildung und schließlich dem Anzeige-oder Meßinstrument 20 zugeführt.

Die Ermittlung des Atemwegwiderstandes nach der obengenannten Formel

I V 1

kann mit einem elektronischen Rechner erfolgen. In der Praxis kann aber an dem Meßinstrument 21, das in Abhängigkeit vom Abschlußwiderstand Z_a geeicht ist, der Atemwegwiderstand auch direkt abgelesen werden. Das beschriebene Gerät hat den Vorteil, daß die Meßergebnisse sofort ablesbar und die Messungen rasch und einfach durchzuführen sind. Der benötigte technische Aufwand ist gering, so daß das Gerät relativ billig hergestellt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Atemrohr, zwischen dessen mundseittigem Ende und dessen über einen vorgegebenen Strömungswiderstand ins Freie mündendem Ende ein Pulsgenerator und ein Druckmeß°erät angeschlossen sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12), die den im Atemrohr (1) herrschenden Druck (P_m) mißt, eine Einrichtung (14... 17), die daraus den vom Pulsgenerator (6) im Atemrohr (1) erzeugten oszillatorischen Druck (P) bestimmt und eine dieser Einrichtung nachgeschaltete Auswerteeinrichtung (18, 19, 20), die aus dem so gewonnenen Wert des vom Pulsgenerator im Atemrohr erzeugten oszillatorischen Druckes (P) den Atemwegwiderstand (Zb) nach der folgenden Beziehung bestimmt: