DE2530474C2 - Medizinisches Gerät zur gasartunabhängigen Messung des Atemstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Gerät zur gasartunabhängigen Messung des Atemstromes mit einem Atemrohr und einem darin untergebrachten Strömungsmeßfühler, z. B. Fleischscher

dadurch gekennzeichnet, daß die von der Wech- 55 Pneumot?"hograph, Drossel, Hitzdraht od. dgl.

seldruckpumpe (5, 14) beaufschlagte Strömung Bekannte Geräte für die Atemstrommessung arbei-

eine Sinuspulsation ist, deren Frequenz deutlich über der Atemfrequenz, vorzugsweise zwischen 5 und 15 Hz, lieg·

5. Medizinisches Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Atemrohr (11) und Patientenmundstück (12) ein ausreichend großer pneumatischer Widerstand, vorzugsweise ein Schlauch (15), angeordnet ist.

ten beispielsweise mit Fleischschen Pneumotachographen als Atemstromrezeptor, die auf dem Prinzip beruhen, daß der Atemstrom über einen Wirkwiderstand geleitet wird und an zwei Stellen — vor und nach dem Widerstand — der Strömungsdruck gemessen wird. Dessen Differenz ist dem Volumenstrom V proportional, wobei der Proportionalitätsfaktor geometrische Apparatekonstanten und weiterhin von der

6. Medizinisches Gerät nach Anspruch 1 bis 5, 65 Gassorte abhängige Parameter, z. B. die Viskosität η,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der enthält. Verallgemeinert läßt sich die Signalstruktur

Meßgrößen je ein Meßwandler (3, 7, 17), der die der üblichen Strömungsmeßfühler als Produkt zweier

von den Meßfühlern (2, 6, 16) gelieferten Meß- Funktionen — S = g(P_t) -f(V) — ausdrücken, wo-

bei die F₁ z.B. die Gasparameter Viskosität τ;, Dichte ο und Temperaturleitfähigkeit λ bedeuten. Es sind auch weitere Parameter möglich.

Durch den Einfluß der Gasparameter wird der Anwendungsbereich dieser Geräte eingeschränkt. Zwar können die Atemstromrezeptoren durch Eichung mit Standardströmungen eines Gases oder auch eines Gasgemisches bekannter Zusammensetzung, beispielsweise der Raumluft, zur Messung der Strömi'ug der gleichen Atemgase mit bekannter Zusammensetzung verwendet werden. Weniger geeignet sind derartige Rezeptoren für die Atemstrommessung von Gasen und Gasgemischen beliebiger oder variabler Zusammensetzung. Die Gasparameter müssen dann gegebenenfalls in speziellen Geräten separat bestimmt werden oder nach einer quantitativen Gasanalyse für das Atemgasgemisch errechnet werden, was sehr aufwendig sein kann. Danach muß das Ergebnis der Strömungsmessung entsprechend den ermittelten Gasparametern korrigiert werden. Für die Messung des Atemstromes in der Lungenfunküonstechnik sind derartige Verfahren bei der geforderten Genauigkeit und Schnelligkeit der Messung zu aufwendig. Allerdings wäre es wünschenswert, Atemstrommessungen mit verschiedenen Atemgasen bei variablen Temperaturen und Partialdrücken durchzuführen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen. Es soll ein Gerät der eingangs genannten Art angegeben werden, das zur Messung des Atemstromes mit Gasen und Gasgemischen beliebiger oder variabler Zusammensetzung und Temperaturen verwendet werden kann, ohne daß dazu die obengenannten speziellen Geräte und Maßnahmen erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß zur kontinuierlichen Korrektur der gemessenen Werte in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und den Eigenschaften der Atemgase das Atemrohr einen Ansatzstutzen mit einer Pumpe, vorzugsweise einer Wechseldruckpumpe, aufweist, die dem Atemstrom eine Probe entnimmt und gegebenenfalls wieder zurückführt und diese Probe über einen von den gleichen Gasparametern abhängigen Zusatzmeßfühler, dessen Signal vorzugsweise den gleichen funktionalen Zusammenhang wie das des Strömungsmeßfühlers hat, leitet, wobei Mittel zur Quotientenbildung der auf Grund des Atemstromes und des von der Pumpe erzeugten Gasstromes erhaltenen Signale vorhanden sind. Dabei ist es vorteilhaft, den Zusatzmeßfühler entsprechend dem Verhältnis Atemstrom/Strömung der Probe zu verkleinern, so daß beim Zusatzfühler die g'eichen strömungsmechanischen Gesetze wie beim Strömungsmeßfühler für den gesamten Atemstrom gelten. Weiterhin wird die Aufgabe dadurch erfindungsgemäß gelöst, daß zur kontinuierlichen Korrektur der Meßwerte in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und den Eigenschaften der Atemgase das Atemrohr einen Ansatzstutzen mit einer Pumpe, vorzugsweise einer Wechseldruckpumpe, aufweist, die den Atemstrom mit einer definierten Strömung mit von der Atemfrequenz unterscheidbarer Frequenz beaufschlagt und zusammen mit dem Atemstrom über den Strömungsmeßfühler leitet, wobei Mittel zur Trennung und Quotientenbildung der nieder- und hochfrequenten Komponenten der auf Grund des Gemisches von Atemstrom und Zusatzströmung erhaltenen Signale vorhanden sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die von der Wechseldruckpumpe beaufschlagte Strömung eine Sinuspulsation ist, deren Frequenz deutlich über der Atemfrequenz liegt

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Figurenbeschreibung von verschiedenen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigt
F i g. 1 die schematische Darstellung eines ersten

ίο Ausführungsbeispiels für ein Gerät zur Atemstrommessung mit beliebigen strömenden Gasen mit kontinuierlicher Korrektur des Einflusses der Viskosität des Atemgases,

F i g. 2 die schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,

F i g. 3 die schematische Darstellung einer geeigneten Blende zur kontinuierlichen Korrektur des Einflusses der Dichte bei der Atemstrommessung.

In F i g. 1 ist mit 1 ein Atemrohr bezeichnet. Die-

ao ses Atemrohr weist an seinem dem Mundstück gegenüberliegenden Ende einen Atemstromrezeptor 2 nach dem Prinzip des Fleischschen Pneumotachographen auf. Der abgenommene Differenzdruck Λ ρ wird in dem Wandler 3 in ein analoges elektrisches Signal S umgewandelt. Dieses Signal S ist dem Produkt aus der Viskosität η und dem zu messenden Volumenstrom V proportional. An dem Atemrohr befindet sich weiterhin ein Ansatzstutzen 4 mit einer Wechseldruckpumpe 5 (Membranpumpe z. B. inAusbildung einer Lautsprechermembran oder Kolbenpumpe) und einem weiteren Atemstromrezeptor 6, der ebenfalls nach dem Prinzip des Fleischschen Pneumotachographen arbeitet. Mit der Wechseldruckpumpe S wird dem zu messenden Atemstrom V periodisch, vorzugsweise sinusförmig, mit bekannter Frequenz γ und definiertem Volumenstrom V₁ eine Teilprobe bekannter Größen entnommen, über den Rezeptor 6 geleitet und wieder in den Atemstrom zurückgeführt. Der Rezeptor 6 ist entsprechend der dem Gasstrom V zu entnehmenden Teilprobe V₁ gegenüber dem Atemstromrezeptor 2 nach strömungsmechanischen Ähnlichkeitsgesetzen verkleinert. Der gemessene Differenzdruck Δ ρ, wird in dem Druckwandler 7 in ein analoges elektrisches Signai S₁ umgesetzt und in dem Gleichrichter 8 mit anschließendem Tiefpaß 9 gleichgerichtet und geglättet. Das von dem Tiefpaß 9 abgegebene Signal ist dem Produkt aus dem bekannten Volumenstrom V₁ und der Viskosität η proportional. In dem von den Signalen 5 und .">, angesteuerten Dividierglied 10 wird der Quotiert der Signale S und S₁ gebildet. Durch die Quotientenbildung SZS₁ wird die Viskosität η eliminiert und man erhält — da V₁ bekannt ist — ein nur von dem zu messenden Volumenstrom V abhängiges Signal S'.

In Fig. 2 ist mit 11 ein als Atemrohr ausgebildetes Strömungsrohr mit einem Probandenmundstück 12 am niundseitigen Ende für den Atemstrom V bezeichnet. Das Strömungsrohr weist wiederum einen Ansatzstutzen 13 mit einer Wechseldruckpumpe 14 auf, die den Atemstrom V mit einer gegenüber der Atemfrequenz höherfrequenten, definierten Pulsation V_x beaufschlagt. Zwischen Meßrohr 11 und Mundstück 12 befindet sich ein längerer Schlauch 15 (z.B. 900 mm mit 12 mm 0), der einen näherungsweise

rein induktiven, genügend großen pneumatischen Widerstand (z. B. 1,5 ~~- bei V = 0,5 l/s) darstellt und gewährleistet, daß die Pulsation definiert auf den

Strömungsmeßfühler einwirkt. Weiterhin verhindert er Rückwirkungen der eingeprägten Wechselströmung auf die Atmung. Am offenen Ende des Atemrohres befindet sich der Atemstromrezeptor 16 nach dem Prinzip des Fleischschen Pneumotachographen. Auf diesen wirkt das Gemisch des zu messenden niederfrequenten Atemstromes V und der bekannten hochfrequenten Volumenpulsation V₁ ein. Das in dem Druckwandler 17 gebildete analoge elektrische Signal S₀ enthält daher nieder- und hochfrequente Komponenten. Durch Parallelschaltung eines der Atemfrequenz angepaßten Tiefpasses 18 und eines auf die höherfrequente Pulsation abgestimmten Bandpasses 19 wird eine Trennung der nieder- und hochfrequenten Komponenten S und S₁ erreicht. Die höherfrequenten Komponenten S₁ werden in einem Gleichrichter 20 mit anschließendem Tiefpaß 21 gleichgerichtet und geglättet. Das niederfrequente Signal S ist dem Produkt aus Viskosität η und dem zu messenden Volumenstrom V proportional, während das geglättete hochfrequente Signal nur von der Viskosität abhängig ist, weil der Volumenstrom V₁ bekannt ist und daher nur in Form eines Proportionalitätsfaktors in die Rechnung eingeht. Durch die Quotientenbildung SfS₁ im Dividierglied 22 wird dann wiederum ein nur von dem zu messenden Volumenstrom V abhängiges Signal S' erhalten. Der Proportionalitätsfaktor ist von der Größe der Pulsation der Wechseldruckpumpe abhängig und kann eingeeicht werden.

Erfindungsgemäße Geräte zur um den Einfluß der Dichte g und der Temperaturleitfähigkeit λ korrigierten Atemstrommessung sind sinngemäß entsprechend ausgebaut. Als Meßfühler werden dann Blenden oder Venturirohre bzw. Hitzdrähte oder Heißleiter verwendet. Die in der F i g. 3 in einem Ansatzstutzen 23 (entsprechend den Stutzen 4 nach Fig. 1 oder 13 nach F i g. 2) angeordnete Blende 24 muß bestimmte Bedingungen in ihrer Dimensionierung erfüllen, um bei einer Messung des Druckabfalls Ap ein der Dichte direkt proportionales Signal zu liefern. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei einem Durchmesser des Pumpenstutzens 23 von D = 12 mm die Blende 24 mit scharfen Kanten und einem Durchmesser von d = 2,2 mm diese Forderung erfüllt Dabei liegt die Frequenz der Wechseldruckpumpe bei 15 Hz, die Meßzeitkonstante bei jeweils 200 ms.

Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Meßgrößen S₁- brauchen nicht notwendigerweise dem Produkt der Einflußgrößen, wie z. B. der Viskosität η, der Dichte ρ und der Temperaturleitfähigkeit λ und des Volumenstromes V direkt proportional zu sein. Es sind auch komplizierte funktionale Abhängigkeiten entsprechend einerSignalstruktur S = g(P,) · f(V)

ίο (wobei P₁ einer der möglichen Gasparameter bedeutet) möglich, was dann eine — entsprechend den bekannten Funktionen g(P,) und /(K) —Modifizierung der Auswerte- und Rechenglieder erfordert. Haben Strömungsmeßfühler und Zusatzmeßfühler verschiedene Gasparameterfunktionen ^₁(P/) und g₂(Pi)< müssen diese zunächst ineinander überführt werden. Dei artige Geräte sind allgemein in der Gasstrommessung anwendbar, insbesondere aber bei der Atemstrommessung mit den verschiedenen Testgasen der Lungenfunktionsmeßtechnik — wie etwa Ar, N₂, O₂, CO₂, N₂O, He sowie auch H₂O und deren Gemische. Die Pulsationsfrequenz der Wechseldruckpumpe soll dabei immer kleiner als 15 Hz und jm einzelnen auf die zu messenden Gase bzw. Gasgemische abgestimmt sein. Sie muß aber technisch von der Atemfrequenz eindeutig trennbar sein. Die erzielbaren Meßgenauigkeiten liegen bei 2,5%. Mit derartigen erfindungsgemäßen Geräten können auch weiterhin Messungen an anderen Fluiden, beispielsweise strömenden Flüssigkeiten, durchgeführt werden. Dabei wirkt die Korrektur der Strömungsmessung durch Überlagern einer HilfsStrömung im Sinne einer kontinuierlichen Eichung.
Neben den beschriebenen Atemstrom- und Gas-Strommessungen können mit den erfindungsgemäßen Geräten auch die Gasparameter, deren Einfluß bei der kontinuierlichen Korrektur aus den Meßsignalen eliminiert wurde, selbst schnell und kontinuierlich bestimmt werden. Durch Schaltung eines Umkehr-

funktionsbildners hinter den Tiefpaß9 aus Fig. 1 bzw. den Tiefpaß 21 aus Fi g. 2 kann die Viskosität»? direkt abgelesen werden. Dichte ρ und Temperaturleitfähigkeit λ können bei Verwendung entsprechender Meßfühler ebenso gemessen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche: "

   1. Medizinisches Gerät zur gasartunabhängigen Messung des Atemstromes mit einem Atemrohr und einem darin untergebrachten Strömungsmeßfühler, z.B. Fleischscher Pneumotachograph, Drossel, Hitzdraht oidgL, dadurch gekennzeichnet, daß zur kontinuierlichen Korrektur der gemessenen Werte in Abhängigkeit von der Zusammensetzung uad den Eigenschaften der Atemgase das Atemrohr (1) einen Ansatzstutzen (4) mit einer Pumpe, vorzugsweise einer Wechseldruckpumpe (5), aufweist, die dem Atemstrom (V) eine Probe (F₁) entnimmt und gegebenenfalls wieder zurückführt und diese über einen von dem gleichen Gasparameter (P₁) abhängigen Zusatzmeßfühler (6), dessen Signal vorzugsweise den gleichen funktionalen Zusammenhang wie das des Strömungsmeßfühiers (2) hat, leitet, wobei Mittel (10) zur Quotientenbüdung (5/S₁) der auf Grund des Atemstromes (V) und des von der Pumpe (5) erzeugten Gasstromes (V₁) erhaltenen Signale (S, S₁) vorhanden sind.

   2. Medizinisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Pumpe (5) entnommene Probe mit definierter Strömung (K₁) klein gegenüber dem Atemstrom (V) ist und der Zusa./meßfühler (6) nach strömungsmechanisehen Ähnlichkeitsgesetzen entsprechend , dem Verhältnis Atemstrom/Strömung der Probe (VZV₁) verkleinert ist.

   3. Medizinisches Gerät zur gasartunabhängigen Messung des Atemstromes mit einem Atemrohr und einem darin untergebrachten Strömungsmeßfühler, z. B. Fleisthscher Pneumotachograph, Drossel, Hitzdraht od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß zur kontinuierlichen Korrektur der Meßwerte in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und den Eigenschaften der Atemgase das Atemrohr (11) einen Ansatzstutzen (13) mit einer Pumpe, vorzugsweise einer Wechseldruckpumpe (14), aufweist, die den. Atemstrom (V) mit einer definierten Strömung (F₁) mit von der Atemfrequenz unterscheidbarer Frequenz beaufschlagt und zusammen mit dem Atemstrom (V) über den Strömungsmeßfühler (16) leitet, wobei Mittel (18,

   19 und 22) zur Trennung und Quotientenbüdung (SfS_x) der nieder- und hochfrequenten Komponenten (S, S₁) der auf Grund des Gemisches von Atemstrom (V) und Zusatzströmung (V₁) erhaltenen Signale (S₀) vorhanden sind.

   4. Medizinisches Gerät nach Anspruch 1 und 3

   größen in analoge elektrische Signale (S, S₁, S₀) umsetzt, vorhanden ist

   7. Medizinisches Gerät nach Anspruch 3_; 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dali zur Trennung der hochfrequenten und der niederfrequenten Komponenten (S, S₁) des elektrischen Mischsignals (S₀) elektronische Filter, vorzugsweise ein auf die Pulsationsfrequenz der Wechseldruckpumpe abgestimmter Bandpaß (19) und ein der Frequenz des Atemstromes angepaßter Tiefpaß (18), verwendet werden.

   8. Medizinisches Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequenten Signale (S₁) durch einen Gleichrichter (8, 20) gleichgerichtet und in einem nachfolgenden Tiefpaß (9,21) geglättet werden.

   9. Medizinisches Gerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quotientenbüdung durch elektronische Dividierglieder (10, 22) erfolgt.

   10. Medizinisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der gemessenen Werte gegebenenfalls elektronische Rechenglieder eine Überführung der Parameterfunktion ^₁ (P₁) des Zusatzmeßfühlers in die Parameterfunktion g₂ (P₁) des Meßfühlers in der Weise vornehmen, daß durch die Quotientenbilduug der Einfluß der von der Zusammensetzung der Atemgase abhängigen Parameter (P,), z. B. Viskosität η, Dichte ρ und Temperaturleitfähigkeit X, eliminiert wird.

   11. Medizinisches Gerät zur gasartunabhängigen Messung des Atemstromes mit einem Atemrohr und einem darin untergebrachten Strömungsmeßfühler, z. B. Fleischscher Pneumotachograph, Drossel, Hitzdraht od. dgl., insbesondere nach einem der Ansprüche 1, 3, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur schnellen und kontinuierlichen Messung und Anzeige der von der Zusammensetzung abhängigen Parameter (P₁) der Atemgase, z. B. Viskosität η, Dichte ρ und Temperaturleitfähigkeit A, Mittel zur Bildung der Umkehrfunktionen P, = G(S₁) der gleichgerichteten und geglätteten, hochfrequenten Signale (S₁) vorhanden sind.