DE2508319C3

DE2508319C3 - Device for determining the airway resistance

Info

Publication number: DE2508319C3
Application number: DE19752508319
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys.; Prestele Karl Dipl.-Phys.; 8520 Erlangen; Korn Volker Dipl.-Ing 8500 Nürnberg Franetzki
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1977-10-20

Description

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine Wechseldruckpumpe (8) den Atemstrom mit im Vergleich zur Atemfrequenz höherfrequenten Pulsationen beaufschlagt und ein geeigneter Wechseldruckmesser (10) nieder- und hochfrequente Druckschwankungen erfaßt.7. Apparatus according to claim 1, characterized in that in a known manner a Alternating pressure pump (8) controls the respiratory flow with pulsations that are higher than the respiratory rate applied and a suitable alternating pressure meter (10) low and high frequency pressure fluctuations recorded.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich- ,ju net, daß als Wechseldruckmessjr ein Mikrofon (10) verwendet wird, dem auf die Änderungsfrequenz des Strömlingswiderstandes bzw. Pulsationsfrequenz der Wechselströmungspumpe abgestimmte Frequenzfilter, vorzugsweise Bandpässe (12, 13), nachgeschaltet sind.8. Apparatus according to claim 7, characterized marked, ju net that a microphone (10) is used as the alternating pressure measuring device, to which the frequency of change of the Frequency filter matched to the flow resistance or pulsation frequency of the alternating flow pump, preferably bandpass filters (12, 13) are connected downstream.

9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch geeignete elektronische Mittel zu messende und verstärkte Wechseldruckamplitude in einem Gleichrichter (15) gleichgerichtet wird und über Frequenzfilter, vorzugsweise zwei Tiefpässe (16, 17) mit den Grenzfrequenzen 5 Hz und 0,1 Hz, alternativ auf einen Zeitschreiber (19) gegeben werden, in dem Sinne, daß alternativ die atemsynchronen Änderungen des Atemwegwiderstandes oder dessen Mittelwert dargestellt werden können.9. Apparatus according to claim 7, characterized in that the by suitable electronic means to measuring and amplified alternating pressure amplitude is rectified in a rectifier (15) and Via frequency filters, preferably two low-pass filters (16, 17) with the cutoff frequencies 5 Hz and 0.1 Hz, alternatively be given to a time recorder (19), in the sense that alternatively the breath-synchronous Changes in airway resistance or its mean value can be displayed.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Tiefpässe (16, 17) alternativ auf ein Meßgerät (21) gegeben werden.10. Apparatus according to claim 9, characterized in that that the output signals of the low-pass filters (16, 17) are alternatively sent to a measuring device (21).

11 Gerät nach Anspruch lü, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (21) nach der Beziehung11 device according to claim lü, characterized in that that the measuring device (21) according to the relationship

1 -1 -

umgeeicht ist und der Meßwert als Atemwegwiderstand angezeigt wird.is calibrated and the measured value is displayed as airway resistance.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes. Solche Geräte weisen im .allgemeinen einen Strömungswiderstand im Atemstromweg, dessen Widerstandswert periodisch mit einer über der Atemfrequenz liegenden Frequenz verändert wird, oder ein Atemrohr mit einem Strömungswiderstand und einen Pulsgenerator zur Beaufschlagung des Atemstroms mit höherfrequenten Druck- bzw. Strömungspulsationen auf.The invention relates to an apparatus for determining airway resistance. Such devices generally have a flow resistance in the airway, the resistance value of which is periodic a frequency above the breathing rate is changed, or a breathing tube with a Flow resistance and a pulse generator to apply higher frequency to the respiratory flow Pressure or flow pulsations.

Aus der DT-AS 10 29 526 ist ein Gerät dieser Art bekannt, bei dem dem Atemwiderstand periodisch ein Zusatzw'iderstand zu- bzw. von diesem weggeschahet wird. Durch Messung des Druckabfalls mit und ohne Zusatzwiderstand läßt sich der Atemwegwiderstand ermitteln. Weiterhin ist durch die DT-OS 19 60 640 ein Gerät der eingangs genannten Art bekannt, bei dem dem Atemstrom durch eine Kolbenpumpe Druckschwankungen von etwa 3 Hz überlagert werden und ein sich an der anderen Seite des Atemrohres befindender, veränderbarer Strömungswiderstand so lange verändert wird, bis ein am Atemrohr beidseitig des Anschlusses der Kolbenpumpe angeschlossenes Differenzdruckmeßgerät den Wert Null anzeigt. Der Wert des Strömungswiderstandes ist dann ein unmittelbares Maß für den Atemwegwiderstand.A device of this type is known from DT-AS 10 29 526 in which an additional resistance is periodically added to or removed from the breathing resistance. The airway resistance can be determined by measuring the pressure drop with and without additional resistance. Furthermore, from DT-OS 19 60 640 a device of the type mentioned is known in which the respiratory flow is superimposed by a piston pump pressure fluctuations of about 3 Hz and a variable flow resistance located on the other side of the breathing tube is changed as long as until a differential pressure measuring device connected to the breathing tube on both sides of the piston pump connection shows the value zero. The value of the flow resistance is then a direct measure of the airway resistance.

Die nach diesen Meßprinzipien zu ermittelnden Atemwegwiderstände sind jedoch nicht exakt genug, da vernachlässigt wird, daß der Atemwegwiderstand einen komplexen Strömungswiderstand, bestehend aus einem Realteil - der sogenannten Wechselstromresistanz und einem durch kapazitive und induktive Glieder gebildeten Imaginärteil, darstellt. Es ist daher vorgeschlagen worden (deutsche Patentanmeldungen 24 13 960.4 und 24 14 019.0) bei Wechselmessungen mit Geräten der eingangs genannten Art geeignete Meßmittel vorzusehen, die Real- und Imaginärteil des Atemwegwiderstandes getrennt erfassen können und auch Phasenmessungen ermöglichen. Dabei wird als Strömungswiderstand ein Wirkwiderstand verwendet, der gegebenenfalls einen kleinen Wechselanteil mit vernachlässigbarer imaginärer Komponente aufweist. Das Problem derartiger Einrichtungen liegt in der Realisierung eines strömungskonstanten Wirkwiderstandes. Sich anbietende Kapillarsiebe, Kapillar- oder Schlitzkanalbündel sind verschmutzungsanfällig, schwer zu reinigen und deshalb über lange Zeiten nicht konstant in ihren Werten. Außerdem belastet der äußere Wirkwiderstand den Patienten bei der Atmung erheblich.However, the airway resistances to be determined according to these measuring principles are not exact enough because It is neglected that the airway resistance is a complex flow resistance, consisting of a Real part - the so-called alternating current resistance and one by capacitive and inductive elements formed imaginary part. It has therefore been proposed (German patent applications 24 13 960.4 and 24 14 019.0) are suitable for alternating measurements with devices of the type mentioned above Provide measuring means that can detect the real and imaginary part of the airway resistance separately and also enable phase measurements. An effective resistance is used as the flow resistance, which may have a small alternating component with a negligible imaginary component. The problem with such devices lies in the implementation of an effective resistance that is constant in flow. Capillary sieves, capillary or slot channel bundles that are available are susceptible to contamination, heavy to clean and therefore not constant in their values over long periods of time. In addition, the burden the patient's external resistance when breathing is considerable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen. Es soll ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes der eingangs genannten Art angegeben werden, das billig und leicht zu reinigen ist, den Patienten bei der Atmung nichtThe invention is therefore based on the object of eliminating these disadvantages. It should be a device for Determining the airway resistance of the type mentioned at the outset is cheap and easy is to be cleaned, the patient is not breathing

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belastet und daher als Gerät für Reihenuntersuchungen geeignet erscheint.loaded and therefore appears suitable as a device for serial examinations.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verwendung eines komplexen Strömungswiderstandes mit dem Widerstandswert R ■ &^Λ gelöst, wobei ein Meßgerät den Atemwegwiderstandswert als Funktion der Strömungspulsation, des vorgegebenen komplexen Vergleichsströmungswiderstandes mit dem Widerstandswert R ■ ei^x und des Druckmeßwertes anzeigt. Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, den komplexen Strömungswiderstand überwiegend induktiv zu wählen, wobei dieser durch einen gestreckten oder mehrfach gebogenen Schlauch gebildet ist, dessen Querschnitt vorzugsweise rund oder quadratisch ist. Ein derartiger Widerstand ist einfach herzustellen, billig und leicht zu reinigen und belastet die Atmung weniger als der Wirkwiderstand bei den bekennten Geräten. In einer speziellen Ausbildung der Erfindung kann zur periodischen Veränderung des Widerstandswertes des Vergleichsströmungswiderstandes die Schlauchlänge nach Art einer Posaune verändert werden, wobei dann der Pulsgenerator entfällt. Es war nun zwar aus dem Artikel »Journal of Applied Physiology«, Vol. 28, Nr. 1 (1970), S. 113 bis 116, schon ein Gerät zur Bestimmung des Realteils des Atemwegwiderstandes bekannt, das einen Schlauch als Strömungswiderstand verwendet. Bei dem dort beschriebenen Gerät wird aber mittels eines Lautsprechers einem Atemrohr eine Druckpulsation eingeprägt und Strömung und Munddruck am mundseitigen Rohrende bestimmt. Der am Atemrohr seitlich angeordnete Schlauch dient nun lediglich dazu, im Atemrohr einen Wechseldruck aufzubauen, wobei der vom Schlauch gebildete Strömungswiderstand in seinem Widerstandswert nicht definiert ist. Entsprechendes gilt auch für das aus der US-PS 25 98 Ul bekannte Gerät zur Bestimmung des Atemwegwiderstandes, bei dem mittels Lautsprecher einer Meßkammer eine Druckpulsation eingeprägt und die Auslenkung der Lautsprechermembran unter dem Einfluß der Atmung bestimmt wird. Die an der Lautsprechermembrankammer angeordneten Schläuche haben dabei über den Aufbau des Wechseldruckes in der Meßkammer hinaus noch speziell die Funktion, die durch die Meßkammer gebildete pneumatische Kapazität zu einem Parallelsperrkreis zu ergänzen. Hierfür muß die Schlauchlänge veränderbar sein, um Resonanz einstellen zu können, bei der nun der Gesamtströmungswiderstand nicht komplex, sondern lediglich ein reeller Widerstand ist. Bei Resonanz wird dieser reelle Strömungswiderstand sehr groß und bei der Auswertung als unendlich betrachtet. Da bei einer praktischen Realisierung der Resonanzwiderstand des Sperrkreises aber tatsächlich nur endliche Wcte erreicht, ergeben sich entsprechende Meßfehler bei der Auswertung. Demgegenüber wird bei dem Gerät gemäß vorliegender Erfindung ein komplexer Strömungswiderstand mit dem Widerstandswert R ■ &^x verwendet, dessen Widerstandswert quantitativ in die Anzeige des Meßgerätes eingeht. In Weiterbildung der Erfindung kann der überwiegend induktive Teil eines komplexen Strömungswiderstandes auch durch Geräte gebildet werden, bei denen die strömende Luft periodisch zusätzliche Massen beschleunigt, wobei eine ausreichend starke und konstante Kopplung zwischen beschleunigter Luft und zusätzlicher Masse bestehen muß, z. B. durch eine Turbine oder durch ein Zahnradvolumeter.According to the invention, the object is achieved through the use of a complex flow resistance with the resistance value R ■ & ^Λ , a measuring device showing the airway resistance value as a function of the flow pulsation, the specified complex reference flow resistance with the resistance value R ■ ei ^x and the measured pressure value. In the context of the invention, it is advantageous to select the complex flow resistance predominantly inductive, this being formed by an elongated or multiply bent hose, the cross section of which is preferably round or square. Such a resistor is simple to manufacture, cheap and easy to clean and is less of a burden on breathing than the effective resistance of the known devices. In a special embodiment of the invention, the hose length can be changed in the manner of a trombone for the periodic change in the resistance value of the reference flow resistance, in which case the pulse generator is then omitted. From the article "Journal of Applied Physiology", Vol. 28, No. 1 (1970), pp. 113 to 116, a device for determining the real part of the airway resistance was already known, which uses a tube as a flow resistance. In the device described there, however, a pressure pulsation is impressed on a breathing tube by means of a loudspeaker and the flow and mouth pressure are determined at the end of the tube on the mouth side. The hose arranged on the side of the breathing tube now only serves to build up an alternating pressure in the breathing tube, the resistance value of the flow resistance formed by the tube not being defined. The same applies to the device known from US Pat. No. 25 98 Ul for determining the airway resistance, in which a pressure pulsation is impressed by means of a loudspeaker in a measuring chamber and the deflection of the loudspeaker membrane is determined under the influence of breathing. The hoses arranged on the loudspeaker diaphragm chamber have, in addition to the build-up of the alternating pressure in the measuring chamber, the special function of supplementing the pneumatic capacity formed by the measuring chamber to form a parallel blocking circuit. For this, the hose length must be changeable in order to be able to set the resonance, in which the total flow resistance is not complex, but only a real resistance. In the case of resonance, this real flow resistance is very large and is considered to be infinite in the evaluation. Since in a practical implementation the resonance resistance of the trap circuit actually only reaches finite values, corresponding measurement errors result in the evaluation. In contrast, the device according to the present invention uses a complex flow resistance with the resistance value R ■ & ^x , the resistance value of which is entered quantitatively in the display of the measuring device. In a further development of the invention, the predominantly inductive part of a complex flow resistance can also be formed by devices in which the flowing air periodically accelerates additional masses, with a sufficiently strong and constant coupling between the accelerated air and the additional mass, e.g. B. by a turbine or by a gear volumeter.

Der Erfindung gingen Überlegungen und Untersuchungen voran, wie weit — ausgehend von einer konsistenten komplexen Durstellung von Atemwegwiderstand, Strömungswiderstand und Munddruck — Vereinfachungen für eine technische Realisierung vorgenommen werden können und wie weit Phasen^s messungen tatsächlich nötig sind. Bei Beachtung der Tatsache, daß Alemwegwiderstand und Strömungswiderstand puralldgcschaltct sind, ergibt sich für den gesuchten komplexen AtemwegwiderstandCan be simplified for a technical realization made and how far phases ^s actually measurements are needed - the invention went considerations and investigations progress, how far - based on a consistent complex Durstellung of airway resistance, flow resistance and mouth pressure. Taking into account the fact that airway resistance and flow resistance are pure, the result is the complex airway resistance sought

Pe'*- Rd* Pe '* - Rd *

7 . piv _ ·_ "7th piv _ · _ "

wobei mil Z, R, P und / die Amplituden des gesuchten Atemwegwiderstandes, des äußeren Strömungswider-Standes, des zu messenden Druckes und der eingeprägten Strömung und mit φ, \ und ψ die zugehörigen Phasenwinkel bezeichnet sind. Die Phasenfaktoren bedeuten, daß jeweils Phasenverschiebungen gegen die dem System eingeprägte Wechselströmung auftreten.where Z, R, P and / are the amplitudes of the airway resistance sought, the external flow resistance, the pressure to be measured and the applied flow, and φ, \ and ψ denote the associated phase angles. The phase factors mean that phase shifts occur in each case against the alternating current impressed on the system.

Unter Verwendung von reduzierten GrößenUsing reduced sizes

P = P =

ρρ TrTr

undand

ergibt sich aus (1) für den Beirag / und die Phase c/ des Atemweg Widerstandes:results from (1) for the contribution / and phase c / of the airway resistance:

ζ = p/l 1 + p* - 2p · (sin n sin ψ - cos n cos ψ) (2) ζ = p / l 1 + p * - 2p (sin n sin ψ - cos n cos ψ) (2)

= ,ι + ψ — arc tg =, ι + ψ - arc tg

sin a — ρ · sin ψ cos 11 — ρ · cos νsin a - ρ · sin ψ cos 11 - ρ · cos ν

Aus den Gleichungen (2) und (3) können unier Berücksichtigung der Struktur des vorgegebenen Strömungswiderstandes die für die Messung notwendigen Beziehungen abgeleitet werden. Für die vorzugsweise Ausgestaltung als näherungsweisc rein induktiverFrom equations (2) and (3), unier Consideration of the structure of the given flow resistance is necessary for the measurement Relationships are derived. For the preferred embodiment as approximately purely inductive

Widerstand ergibt sich wegen λ =---Resistance results from λ = ---

ζ = pi \^: 1 -t- p- — 2 ρ ■ sin ψ ζ = pi \ ^: 1 -t- p- - 2 ρ ■ sin ψ

ρ · sin ψ -ρ · sin ψ -

arc ti» arc ti »

ο ■ cos ψ ο ■ cos ψ

(4)(4)

(-Μ(-Μ

Aus den bei der Messung ermittelten Werten von ρ und ψ kann die Errechnung von / und (/ und weiterhin des Real- bzw. Imaginärteils des Atemstromwiderstundes erfolgen. Dafür können spezielle Rechenglieder oder auch vorbereitete Transformaiionsdiagramnie ^x* verwendet werden. The values of ρ and ψ determined during the measurement can be used to calculate / and (/ and also the real or imaginary part of the respiratory flow resistance. Special arithmetic elements or prepared transformation diagrams ^x * can be used for this.

Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, daß bei Messungen des Atemwegwiderstandes von gesunden Versuchspersonen keine nennenswerten Phasenverschiebungen auftraten. Bei kranken Versuchspersonen ^bc mbarPrevious investigations have shown that no significant phase shifts occurred when the airway resistance was measured in healthy test subjects. In sick test persons, ^bc mbar

mit Resistanz-Werten über 5----■-■ lührt eine Vernach-with resistance values above 5 ---- ■ - ■ leads to a neglect

l/sccl / scc

lässigung der Phasenmessung zu einer Anhebung des Meßwertes, wodurch die »diagnostische Trennscharfe« verbessert wird. Setzt man so ψ = 0, ergibt sich aus (5) ⁶^ sin»/) = ρ und weiterhinAllow the phase measurement to increase the measured value, which improves the "diagnostic precision". If one sets ψ = 0 in this way, we get from (5) ⁶ ^ sin »/) = ρ and further on

■= = T^-V (6)■ = = T ^ -V (6)

25 08 ^i 925 08 ^ i 9

Z =Z =

55
ρρ

1 -1 -

Unter der Voraussetzung, daß P klein und R ausreichend groß ist, ergibt sich also eine annähernd lineare Abhängigkeit des Atemwegwiderstandes von der Ampliiude des Wechseldruckes. Das Druckmeßge- υ rät kann dann in einfacher Weise auf den Atemwegwiderstand umgeeicht werden.Assuming that P is small and R is sufficiently large, there is an approximately linear dependence of the airway resistance on the amplitude of the alternating pressure. The pressure measuring device can then be easily adjusted to the airway resistance.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigtFurther advantages and details of the invention emerge from the description of the figures Embodiment. It shows

F i g. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gerätes zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes, F i g. 1 shows a schematic representation of the device according to the invention for determining the airway resistance,

F i g. 2 die zugehörige Auswerteschaltung.F i g. 2 the associated evaluation circuit.

In F i g. 1 ist mit 1 ein Patientenmundstück bezeichnet. An diesem befindet sich ein Anschlußstück 2, an dessen offenem Ende 3 der den Blindwiderstand des komplexen Strömungswiderstandes realisierende Schlauch 4 aufgesteckt ist. Dieser hat eine Länge von etwa 1,2 m und einen inneren Durchmesser von etwa 1,2 cm. Weiterhin befinden sich an dem Anschlußstück noch zwei kleinlumige Stutzen 5 und 6, von denen der erste über eine pneumatische Leitung 7 mit einer Wechselströrnungspumpe 8 verbunden ist, die der Beaufschlagung des Atemstromes mit einer höheren Strömungspulsation dient. Der zweite Stutzen ist über die pneumatische Leitung 9 mit einem Mikrofon 10 verbunden, das als Druckmeßgerät und -wandler dient. Durch geeignete elektronische Mittel in Fig. 2 wird die hochfrequente Komponente des dem Druck proportionalen elektrischen Mcßsignals herausgefiltert. Dem Mikrofon 10 folgt ein erster Verstärker 11 und zwei hintereinander geschaltete Bandpässe 12 und 13, die auf die Pulsationsfrequenz der Wechselströmungspumpe abgestimmt sind. Einem weiteren, steuerbaren Verstärker 14 folgt ein Gleichrichter 15. Das gleichgerichtete Meßsignal wird auf zwei parallel geschaltete Tiefpässe 16 und 17 gegeben, von denen der erste auf 5 Hz und der zweite auf 0,1 Hz als Grenzfrequenz abgestimmt ist. Deren Ausgangssignale können über den Schalter 18 alternativ auf den Zeitschreiber 19 und über den Schalter 20 weiterhin auf das Meßgerät 21 gegeben werden, das auf den reellen Atemwegwiderstand gemäß der BeziehungIn Fig. 1, 1 denotes a patient mouthpiece. At this there is a connector 2, at which the open end 3 of the hose 4 realizing the reactance of the complex flow resistance is attached is. This has a length of about 1.2 m and an inner diameter of about 1.2 cm. Farther there are two small-lumen nozzles 5 and 6 on the connector, the first of which is above a pneumatic line 7 is connected to an alternating current pump 8, which is applied of the respiratory flow with a higher flow pulsation is used. The second port is via the pneumatic one Line 9 connected to a microphone 10, which serves as a pressure measuring device and transducer. Through suitable electronic means in Fig. 2 is the high frequency component of the pressure proportional electrical Mcßsignals filtered out. The microphone 10 is followed by a first amplifier 11 and two in a row switched bandpass filters 12 and 13, which are matched to the pulsation frequency of the alternating flow pump are. A further controllable amplifier 14 is followed by a rectifier 15. The rectified measurement signal is applied to two low-pass filters 16 and 17 connected in parallel, the first of which to 5 Hz and the second is tuned to 0.1 Hz as the cutoff frequency. Their output signals can alternatively be switched via switch 18 on the time recorder 19 and via the switch 20 continue to be given to the measuring device 21, which is on the real airway resistance according to the relationship

Z =Z =

umgeeicht ist. Dadurch können alternativ die atemsynchronen Änderungen des Atemwegwiderstandes und dessen zeitlicher Mittelwert dargestellt und gemessen werden.is calibrated. As a result, the breath-synchronous Changes in airway resistance and its mean value over time are shown and be measured.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for determining the airway contradiction with a breathing tube that has a flow resistance in the airway and a pulse generator for applying ^flow pulsations that are higher than the breathing rate or that has a flow resistance whose resistance value is changed periodically with a frequency above the breathing rate, has, and with a pressure gauge for measuring the pressure in the breathing tube, characterized by the use of a complex flow resistance (4) with the resistance value R ■ & ^Λ . a measuring device (21) indicating the airway resistance value (Z) ate function of the flow pulsation (I), the specified complex flow resistance (4) with the resistance value R ei * and the pressure measurement value (P) .

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the complex flow resistance predominantly is inductive.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the predominantly inductive flow ^{resistance is realized by a long, stretched or multiple J} 5 bent hose (4).

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the hose length is changed in the manner of a trombone for the periodic change in the flow resistance. 3 ^U

5. Apparatus according to claim 3, characterized in that for the periodic change in the flow resistance the hose cross-section is changed.

6. Apparatus according to claim 2, characterized in that the predominantly inductive flow resistance is formed by devices - z. B. Turbines or gear volumeter - in which the flowing air periodically accelerates additional masses, with a sufficiently strong and 4 " constant coupling between the accelerated air and the additional mass.