DE2413988A1 - PROCEDURE AND ARRANGEMENT FOR CARRYING OUT THE PROCEDURE FOR EXPLORING INTRATHORACAL RESPIRATORY MECHANICS - Google Patents
PROCEDURE AND ARRANGEMENT FOR CARRYING OUT THE PROCEDURE FOR EXPLORING INTRATHORACAL RESPIRATORY MECHANICSInfo
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Description
INSTITUT EATIOIfAL de la SANTE et de la RECHERCHE MEDICALE, PARIS (Frankreich)INSTITUT EATIOIfAL de la SANTE et de la RECHERCHE MEDICALE, PARIS (France)
Verfahren und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Erforschung der intrathorakalen AtemmechanikMethod and arrangement for carrying out the method for researching intrathoracic respiratory mechanics
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erforschung der intrathorakalen Atemmechanik und auf eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for researching intrathoracic respiratory mechanics and to an arrangement for Implementation of this procedure.
Eine solche Erforschung beruht auf den im folgenden ausgeführten Betrachtungen.Such research is based on the considerations set out below.
Die Atemmechanik betrachtet das passive Atemsystem als ein lineares System zweiter Ordnung. Darüber hinaus läßt sichBreathing mechanics regards the passive breathing system as a linear system of the second order. In addition, can
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zeigen und experimentell untersuchen, daß zur Zeit der Ruheatmung die Trägheitskräfte vernachlässigt werden können. Dies setzt das "betrachtete System zu einem solchen erster Ordnung herab.show and investigate experimentally that at the time of Resting breathing the inertial forces can be neglected. This sets the "system under consideration" to such a one first order.
Augenscheinliche theoretische Gründe (nicht laminar er 3?luß in den Luftwegen, nicht dem Hookeschen Gesetz folgende Gewebeverformung, Nlchtnewton-Viskosität der Gewebe) zeigen, ,daß die Linearhypothese nur eine Näherung ist. Das Experiment zeigt jedoch, daß die Näherung beim normalen Menschen in Ruhe ausgezeichnet und meistens auch beim Kranken annehmbar ist.Apparent theoretical reasons (not laminar flow in the airways, not following Hooke's law Tissue deformation, non-Newton viscosity of the tissue) that the linear hypothesis is only an approximation. However, the experiment shows that the approximation in normal humans is excellent at rest and is usually acceptable even with the patient.
Unter dieser Voraussetzung, indem man schreibt, daß der durch die Atemmuskeln entwickelte Bewegungsdruck Δρ im Gleichgewicht mit der Wirkung der Rücknahmekräfte {Federkräfte und Oberflächenspannung) und der Widerstandskräfte (aerodynamische und gewebemäßige) ist, ergibt sich bei Betrachtung der intrathorakalen Organe unter Ausschließung der Brustwand:On this assumption, by writing that the pressure of movement Δρ im developed by the respiratory muscles Equilibrium with the effect of the withdrawal forces (spring forces and surface tension) and the drag forces (aerodynamic and tissue-wise) results from consideration of the intrathoracic organs under exclusion the chest wall:
E(Yp - Vr) + R dTp/dt = ΔρE (Yp - Vr) + R dTp / dt = Δρ
In dieser Gleichung bedeuten:In this equation:
E die intrathorakale Dehnbarkeit R den intrathorakalen Widerstand Vp das Lungenvolumen Vr das ErschlaffungsvolumenE is the intrathoracic extensibility R the intrathoracic resistance Vp the lung volume Vr is the relaxation volume
»ach Einführung der Mllungsfunktion C = ^ ergibt sichAfter the introduction of the formula function C = ^, this results
Vp + RC dVp/dt = Vr + CAPVp + RC dVp / dt = Vr + CAP
Damit nur direkt meßbare Größen auftreten, nimmt man fürSo that only directly measurable quantities occur, one takes for
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A P die durch einen kleinen Ballon gegebenen Änderungen des Speiseröhrendrucks und für das am Mund ausgetreiene bzw. verdrängte Volumen V:A P the changes given by a small balloon of the esophageal pressure and for the volume V which is spread out or displaced at the mouth:
Vp = Yo + V
Vo ist dabei das Lungenvolumen zu Beginn der Einatmung.Vp = Yo + V
Vo is the lung volume at the beginning of inhalation.
Man vernachlässigt somit die Veränderungen des Innerlungendrucks und betrachtet die Zustandsänderung der eingeatmeten
Luft als augenblicklich. Die eingeatmete Luft geht vom Umgebungszustand (ATPS) in den JQsreolar zustand (BTPS) über.
dV/dt wird durch einen Pneumotachographen (PTG) geliefert, dessen in Abhängigkeit von der Zeit integriertes Signal
das Volumen V gibt.
Es ergibt sich somit:The changes in the internal lung pressure are thus neglected and the change in state of the inhaled air is considered to be instantaneous. The inhaled air changes from the ambient state (ATPS) to the JQsreolar state (BTPS). dV / dt is supplied by a pneumotachograph (PTG) whose signal, which is integrated as a function of time, gives the volume V.
The result is:
V + RC H = Vr - Vo + C ΔρV + RC H = Vr - Vo + C Δρ
Beim bekannten Stand der Technik besteht ein klassisches Verfahren in der Aufnahme von Δρ und V sowie der Ablei-In the known state of the art, a classic method consists of recording Δρ and V as well as deriving
dV
tung ·& in Abhängigkeit von der Zeit, iiir zwei Punkte mitdV
tung · & as a function of time, ii for two points with
dv
ITullausfluß ^=O ergibt sich:dv
ITulausfluss ^ = O results in:
- - 72 -72 -
Hir zwei Punkte gleichen Volumens V, ergibt sich:For two points of equal volume V, we get:
Ein anderes klassisches Verfahren besteht darin, in einerAnother classic method is to use a
α dVα dV
Kurve V in Abhängigkeit von Δρ und einer anderen Kurve ^Curve V as a function of Δρ and another curve ^
- 4 _ 409839/0833- 4 _ 409839/0833
in Abhängigkeit von Δρ aufzunehmen. In der Schleife von V bestimmt man durch ihre horizontalen Tangenten die beiden Punkte mit Nullausfluß. Die Füllung ist die Neigung des Durchmessers dazwischen. In der Schleife von -π nimmt man die beiden Punkte gleichen Volumens, was die Berechnung von R gestattet.as a function of Δρ. In the loop of V, the two points with zero flow are determined by their horizontal tangents. The fill is the slope of the diameter in between. In the loop of -π , the two points of equal volume are taken, which allows R to be calculated.
Diese beiden klassischen Methoden weisen jedoch mehrere Nachteile auf:However, these two classic methods have several disadvantages:
1.) Man benutzt nur zwei Zykluspunkte und nicht die Gesamtheit der Information.1.) You only use two cycle points and not all of the information.
2) Die Bestimmung dieser Punkte ist sehr subjektiv in Abhängigkeit von der der Kurve überlagerten Störung. Diese Störung ist unvermeidlich, denn sie ist nicht durch Instrumente bedingt, sondern biologischen Ursprungs (insbesondere Herzpulssehlag). Aufgrund dieser Tatsache ist das Verhältnis Signal/Störung oft sehr mittelmäßig und die Bestimmung der Nullausflußpunkte, das Ansetzen der Tangenten an die Schleife sowie die Bestimmung der Punkte gleichen Volumens werden sehr willkürlich.2) The determination of these points is very subjective as a function of the disturbance superimposed on the curve. This disruption is inevitable because it is not instrumental but biological (especially heart rate loss). Because of this, the signal / interference ratio is often very high mediocre and the determination of the zero outflow points, the attachment of the tangents to the loop and the Determination of the points of equal volume become very arbitrary.
3) Die Atmung ist wie viele biologische . Erscheinungen nicht periodisch, sondern pseudoperiodisch. Sogar im Ruheverhalten sind aufeinanderfolgende Atemzyklen nicht identisch. Die Wahl eines Zyklus als repräsentativ für den mittleren Zustand ist also eehr willkürlich. Eine zufriedenstellende Bestimmung des mittleren Zustande würde eine Beobachtung einer großen Anzahl von Zyklen erfordern, was aufgrund der aufwendigen Art des Verfahrens nicht zweckmäßig ist.3) Breathing, like many, is biological. Appearances not periodic, but pseudo-periodic. Even in the Resting behavior, successive breathing cycles are not identical. Choosing a cycle as representative of the middle state is therefore very arbitrary. A satisfactory determination of the mean state would require observation of a large number of cycles due to the cumbersome nature of the procedure is not appropriate.
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4) Es ist keine Einrichtung zur korrekten Kalibrierung des !gneumotachographen vorgesehen und die Änderung des Kalibrierungsfaktors Einatmung - Ausatmung wird ignoriert.4) It is not a device for correct calibration of the! gneumotachograph and the change of the calibration factor inhalation - exhalation is ignored.
5) Die Einatmung und die Ausämung lassen sich nicht getrennt beobachten. '5) The inhalation and the exhalation cannot be observe separately. '
6) Die Verfahren sind langsam und mühselig.6) The procedures are slow and arduous.
Aufgabe der Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur Erforschung der intrathorakalen Atemmechanik unter Verwendung eines kleinen Ballons, der ein SignalAρ der Änderungen des Speiseröhrendrucks liefert, eines Pneumotachographen, der ein in Abhängigkeit von der ZeitObject of the invention, which relates to a method for researching intrathoracic breathing mechanics using of a small balloon that sends a signalAρ the Changes in esophageal pressure are provided by a pneumotachograph, which provides a function of time
dV
abgeleitetes Signal -rr des vom Mund verdrängten Volumens V gibt,
und einer Integrierschaltung, die das Signal ^x empfängt
und das Signal V abgibt, bezieht, ist es daher, die vorher erwähnten Nachteile zu beseitigen. Gemäß der Erfindung
wird dies dadurch erreicht, daß ein Oszillograph an seinem Horizontaleingang das Signal Δ ρ und an seinem Vertikaleingang
ein Signal y empfängt, das folgendermaßen lautet:dV
derived signal -rr of the volume V displaced by the mouth, and an integrating circuit which receives the signal ^ x em and outputs the signal V, it is therefore to eliminate the aforementioned disadvantages. According to the invention, this is achieved in that an oscilloscope receives the signal Δ ρ at its horizontal input and a signal y at its vertical input, which is as follows:
wobei Λ ein einstellbarer Parameter ist, daß der Parameter A. derart eingestellt wird, daß sich die auf dem Schirm des Oszillographen sichtbare Schleife zu einer Geraden schließt, und daß die Neigung dieser Geraden die lullung C und der Quotient der Division des Parameters Λ durch die Füllung G den intrathorakalen Widerstand R ergibt. Man wird bemerken, daß das Schließen einer Schleife zu einer Geraden eine besonders unverfälschbare, fehlerfreie und genaue Erscheinung in der Oszillographie ist.where Λ is an adjustable parameter that the parameter A. is set in such a way that the loop visible on the oscilloscope screen closes into a straight line, and that the inclination of this straight line corresponds to the lullung C and the Quotient of the division of the parameter Λ by the filling G gives the intrathoracic resistance R. It will be noted that closing a loop into a straight line is a is particularly unalterable, error-free and accurate in oscillography.
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Darüber hinaus genügt es, den Parameter auf Null einzustellen, um eine Schleife zu erzielen, deren Oberfläche die intrathorakale Atemarbeit pro Zyklus mißt.In addition, it is enough to set the parameter to zero to get a loop, its surface measures intrathoracic work of breath per cycle.
Die Erfindung eignet sich zur Vervollständigung des oben gedrängt ausgeführten Verfahrens, um die Verstärkungseinstellung, die Kalibrierung und die getrennte Beobachtung zweier Zeiten der Atmung zu gestatten.The invention is suitable for completing the method outlined above in order to adjust the gain, to allow calibration and separate observation of two respiration times.
Im folgenden sei auf die Kalibrierung des Pneumotachographen (PTG) bei den Alveolar zuständen (BTPS) hingewiesen.In the following, the calibration of the pneumotachograph (PTG) in the alveolar states (BTPS) is pointed out.
dV Der Pneumotachograph gibt ein dem Ausfluß ,-r proportionales Signal ab. Der Kalibrierungsfaktor ist proportional der Viskosität der Gasmischung, die ihn durchquert. Diese Viskosität hängt von der Temperatur und vom Wasserdampfgehalt ab. Sie ist mithin nicht gleich für die eingeatmete Luft und das ausgeatmete Gas, welches bei Körpertemperatur mit Wasserdampf gesättigt ist.dV The pneumotachograph gives an output proportional to -r Signal off. The calibration factor is proportional to the viscosity of the gas mixture that traverses it. This viscosity depends on the temperature and the water vapor content. It is therefore not the same for inhaled air and the exhaled gas, which is saturated with water vapor at body temperature.
Es ist unmöglich, von vornherein die Temperatur des Gases im Pneumotachographen wegen des vorhandenen Wärmeaustausches zwischen dem Gas und den Wänden zu kennen. Des weiteren ist die Viskosität keine additive Eigenschaft. Es ist unmöglich, die Viskosität des Gasgemisches von den Viskositäten seiner Komponenten abzuleiten. Es ist also unmöglich, von vornherein zu erkennen, wie der Kalibrierungsfaktor des Pneumotachographen zwischen Einatmung und Ausatmung variiert. Es ist nur möglich, dies empirisch über gleiche Gasmisehungen bei der eingeatmeten luft und beim ausgeatmeten Gas zu machen.It is impossible to determine the temperature of the gas in the pneumotachograph from the outset because of the heat exchange that takes place to know between the gas and the walls. Furthermore, the viscosity is not an additive property. It is impossible, to derive the viscosity of the gas mixture from the viscosities of its components. So it is impossible To recognize from the outset how the calibration factor of the pneumotachograph between inhalation and exhalation varies. It is only possible to do this empirically by using the same gas mixture for the inhaled air and for the exhaled air To turn on the gas.
Es ist bekannt, zu diesem Zweck eine Kalibrierpumpe bei den Alveolarzuständen zu realisieren.It is known to implement a calibration pump for the alveolar states for this purpose.
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Ein zylindrischer Behälter enthält thermostatisch auf 370C gehaltenes Wasser. Eine Turbine sichert den Wärme- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Wasser und der Luft, die sie enthält. Ein Tauchkolben läßt das Volumen des Behälters variieren. Der Kalibrier-Pneumotachograph ist auf einem am Behälterdeckel befestigten Rohrstutzen angebracht. Er wird also von der Umgebungsluft bei der Einatmung beim Abstieg des Kolbens und vom Gas in den Alveolarzuständen bei der Ausatmung beim Anheben des Kolbens durchquert.A cylindrical container contains water kept thermostatically at 37 ° C. A turbine ensures the exchange of heat and moisture between the water and the air it contains. A plunger allows the volume of the container to be varied. The calibration pneumotachograph is attached to a pipe socket attached to the container lid. It is traversed by the ambient air during inhalation when the piston descends and by the gas in the alveolar states during exhalation when the piston is raised.
Ein Beispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird im folgenden beschrieben, wobei auf die Figur Bezug genommen wird.An example of an arrangement for carrying out the method is described below, reference being made to the figure is taken.
dVdV
Ein Pneumotachograph 1 gibt ein Signal + xr an ein Potentiometer 3 zur Verstärkungseinstellung ab. Der Schleifer des Potentiometers 3 speist eine Detektorschaltung 5 fürA pneumotachograph 1 sends a signal + xr to a potentiometer 3 to adjust the gain. The wiper of the potentiometer 3 feeds a detector circuit 5 for
3-TT · 3-TT ·
das Vorzeichen von -*rr . Bei der Einatmung schließt die Detektorschaltung 5 ihren Kontakt 7, so daß über einen Schalter 9 ein Relais 11 gespeist wird. Der Schleifer des Potentiometers 3 ist außerdem an ein Potentiometer 13 zur Verstärkungskorrektur bei der Ausatmung angeschlossen. Dessen Wirkung wird bei der Einatmung aufgrund der Überbrückung mittels eines Arbeitskontaktes 15 des Relais aufgehoben. Der Schleifer des Potentiometers 13 speist einen Operationsverstärker 17, der als Integrator und •Invertierer geschaltet ist und an dessen Ausgang man das Signal -V erhält. Der Schleifer des Potentiometers 13 speist außerdem einen einpoligen Schalter 19, der als Verstärkungsschalter dient und sowohl in der Verstärkungsstellung 0 als auch in den Stellungen 1 und 10 auf einen Umkehrverstärker 21 einwirkt, welcher ein Potentiometerthe sign of - * rr . When inhaling, the detector circuit 5 closes its contact 7, so that a relay 11 is fed via a switch 9. The wiper of the potentiometer 3 is also connected to a potentiometer 13 for gain correction during exhalation. Its effect is canceled when inhaling due to the bridging by means of a working contact 15 of the relay. The wiper of the potentiometer 13 feeds an operational amplifier 17, which is connected as an integrator and • inverter and at the output of which the signal -V is obtained. The wiper of the potentiometer 13 also feeds a single-pole switch 19, which serves as a gain switch and acts both in the gain position 0 and in the positions 1 and 10 on an inverting amplifier 21, which is a potentiometer
- 8 409839/0833 - 8 409839/0833
zur Einstellung des einstellbaren Parameters λ ansteuert. Am Schleifer dieses Potentiometers 23 erhält man also dasto set the adjustable parameter λ. This is what you get on the wiper of this potentiometer 23
dV dVdV dV
Signal -A^. Die beiden Signale -V und -λ-j^ werden mittels eines Addierer-Invertierers 25 summiert, an dessen Ausgang man das Signal y = V + A^ erhält. Das Signal y läuft entweder über den Ruhekontakt 27 des Relais 11 und einen Schalter 29 oder über den Arbeitskontakt 31 und einen Schalter 33 und gelangt zur aktiven Y-Yertikalablenkplatte eines Oszillographen 35. Ein kleiner Ballon 37 liefert das Signal Δρ an die aktive Σ-Horizontalablenkplatte des Oszillographen 35. Dieser läßt sich unter Umständen bei Vorliegen eines Remanenzschirmes mit einem Sofortbildfotoapparat ausstatten (z.B. Polaroid-Kamera).Signal -A ^. The two signals -V and -λ-j ^ are by means of an adder-inverter 25 summed at its output the signal y = V + A ^ is obtained. The signal y is running either via the normally closed contact 27 of the relay 11 and one Switch 29 or via the normally open contact 31 and one Switch 33 and goes to the active Y-vertical deflector plate of an oscilloscope 35. A small balloon 37 delivers the signal Δρ to the active Σ horizontal deflection plate of the oscilloscope 35. Under certain circumstances, if a retentive screen is present, this can be done with an instant photo camera equip (e.g. Polaroid camera).
Der Pneumotachograph 1 ist auf der nichtdargestellten Kalibrierpumpe montiert. Die Kalibrierung findet nicht beim Ausfluß, sondern beim Volumen im Integrator 17 statt, der eine Zeitkonstante von 1 see. hat.The pneumotachograph 1 is mounted on the calibration pump (not shown). The calibration does not take place at the outflow, but instead at the volume in the integrator 17, which has a time constant of 1 see. Has.
Wenn der Schalter 19 den Eingang des Addierers 25 vom Signal ^ absperrt, wird am Oszillographen 35 V als !Funktion der Zeit aufgenommen. Der Vorzeichendetektor 5 schaltetWhen the switch 19 receives the input of the adder 25 from Signal ^ blocks, 35 V is recorded on the oscilloscope as a function of time. The sign detector 5 switches
dVdV
das Potentiometer 13 ein für das Signal -rr bei der Ausatmung und den Kurzschluß bei der Einatmung. Die Schalter 29 und 33 sind so geschlossen, daß zum einen die Einatmung und zum anderen die Ausatmung aufgenommen werden kann. Sofern die Kalibrierpumpe weder Gas erzeugt noch verbraucht, durchquert die gleiche Luftmasse den Pneumotachographen bei der Einatmung bei den ATPS-Zuständen und bei der Ausatmung bei den BTPS-Zuständen.the potentiometer 13 for the signal -rr on exhalation and the short circuit on inhalation. The switches 29 and 33 are closed in such a way that, on the one hand, inhalation and, on the other hand, exhalation can be recorded. If the calibration pump neither generates nor consumes gas, the same air mass passes through the pneumotachograph on inhalation in the ATPS states and on exhalation in the BTPS states.
Das Potentiometer 13 wird betätigt, damit der mittlere Wert des Signals Null wird. Diese Kalibrierkorrektur wirdThe potentiometer 13 is operated so that the mean value of the signal becomes zero. This calibration correction is
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viel exakter, wenn man das Volumen beobachtet und nicht den Ausfluß, da eine eventuelle Ungleichheit der Kalibrierung bei jedem Zyklus integriert und sogar sichtbar wird, wenn sie sehr klein ist.much more exact if one observes the volume and not the outflow, since a possible inequality of the calibration integrated with each cycle and even visible when it is very small.
Man betätigt dann das Potentiometer 3, um den gewünschten Wert der für ein bekanntes Volumen (500, 750 oder 1000 enr) beobachteten Ablenkung zu erhalten.Then press potentiometer 3 to set the desired value for a known volume (500, 750 or 1000 enr) to get observed distraction.
Im folgenden sei auf die Möglichkeit der getrennten Beobachtung der Einatmung und der Ausatmung hingewiesen.In the following, it is possible to observe the inhalation and exhalation separately.
Im Normalzustand ist der Widerstand zumindest bei Ruhe bei der Einatmung und der Ausatmung genauso groß. Beim Kranken kann dies anders sein. Es ergibt sich dann der Vorteil der getrennten Beobachtung von Einatmung und Ausatmung. Dies gestatten die Schalter 29 und 33, die dem Relais 11 zugeordnet sind und vom Detektor 5 gesteuert werden.In the normal state, the resistance to inhalation and exhalation is just as great, at least when resting. At the This can be different for sick people. There is then the advantage of separate observation of inhalation and exhalation. This is made possible by the switches 29 and 33, which are assigned to the relay 11 and controlled by the detector 5 will.
Schließlich lassen sich beim Kranken wichtige Wertevon R beobachten. Der Schalter 19 erlaubt die Benutzung der Invertierschaltung 21 bei Verstärkung 10. Man kann dann Zeitkonstanten RC bis zu 10 see. beobachten, was alle Bedürfnisse bei der Pathologie abdeckt.Finally, important values of R can be observed in the patient. The switch 19 allows the use of the Inverter circuit 21 with amplification 10. You can then Time constants RC up to 10 see. watch what all Covers needs in pathology.
Es ist nach der vorstehenden Erklärung selbstverständlich, daß, verglichen mit der klassischen Methode, die Benutzung der Anordnung nach der Erfindung folgende Vorteile bringt:According to the above explanation, it goes without saying, that, compared with the classical method, the use of the arrangement according to the invention has the following advantages:
1) Die Gesamtheit der durch den beobachteten Zyklus gelieferten Information wird verwendet.1) The entirety of the information provided by the observed cycle is used.
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2) Dank der Remanenz des Bildschirms wird die über mehrere Zyklen hinweg gelieferte Information verwendet. Die für R und C bestimmten Werte sind also repräsentativ für (Xen mittleren Zustand des passiven intrathorakalen Atemsystems.2) Thanks to the remanence of the screen, the information provided over several cycles is used. The values determined for R and C are therefore representative of (Xen mean state of the passive intrathoracic respiratory system.
3) Das Auge ist sehr empfindlich zum Erkennen der geraden Linie und bestimmt viel besser bei einem gestörten Signal eine gerade Linie als eine Kurve oder eine Schleife.3) The eye is very sensitive to recognizing the straight line and certainly much better with a disturbed signal a straight line as a curve or a loop.
4-) Durch die Verwendung eines Speicher Oszillographen kann die Verwendung von fotografischen Aufnahmen .entfallen.4-) By using a memory oscilloscope you can the use of photographic recordings is not applicable.
5) Die richtige Kalibrierung des Pneumotachographen zu zwei Zeiten der Atmung erfolgt genau und schnell.5) The correct calibration of the pneumotachograph at two breathing times is accurate and quick.
6) Das gesamte Verfahren ist schnell und einfach und weist wenig subjektive Elemente auf.6) The entire process is quick and easy and has few subjective elements.
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Claims (2)
und das Signal - A* -rr vom Schleifer des Potentiometers-λ dV
and the signal - A * -rr from the wiper of the potentiometer
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