DE2541729C2 - Gerät für die Lungenfunktionsanalyse - Google Patents

Description

charakteristisch verändern, Es konnte nun überraschenderweise gezeigt werden, daß der Atemwegwiderstand während einer Exsplrationsphase die gleiche funktionale Abhängigkeit vom Atemvolumen wie die Konzentration des Fremdgases bei der Bolustcchnik hat. Mit den erfindungsgemälJen Geräten wird simultan der Atemwegwiderstand Z und der Atemstrom ty bzw. das Atemvolumen V gemessen. Damit ist eine einfache Möglichkeit gegeben, das »CLOSING VOLUME« zu bestimmen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich an Hand der Figurenbeschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispieie.

In den F i g. 1 und 2 ist jeweils schematisch ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Gerätes dargestellt.

Fig. 3 zeigt mit diesen Geräten aufgenommene Atemwegwiderstands-Atemvolumen-Kennlinien.

In der Fig. I ist mit 1 das Atemrohr bezeichnet. An seinem rnundseitigen Ende weist dieses das Probandenmundstück 2 auf. Am gegenüberliegenden Ende des Atemrohres 1 befindet sich der Atemstromrezeptor 3 mit dem Strömungswiderstand Z, der im wesentlich reell und strömungsunabhängig ist. Als vorteilhaft hat sich z. B. ein Lamellenrezeptor erwiesen. Weiterhin befinden sich an dem Atemrohr 1 zwei Ansatzstutzen 4 und 5 für die Wechseldruckpumpe 6 und das Druckmeßgerät 7. Die Wechseldruckpumpe 6 beaufschlagt den Atemstrom mit einer gegenüber der Atemfrequenz höherfrequenten Volumenpulsation; das Druckmeßgerät 7 mißt die nieder- und hochfrequenten Druckänderunger. und setzt diese in ein analoges elektrisches Signal 5 um. Dieses Analogsignal S besteht aus einem atemfrequenten Anteil, dessen Amplitude dem Atemstrom proportional ist, und einem höherfrequenten Anteil, dessen Amplitude dpm Atemwegwiderstand proportional ist, die aber noch mit der niedrigen Atemstromfrequenz moduliert ist (s. hierzu auch die DT-OS 24 13 960.4, 24 14 019.0). Das Signal 5 wird einerseits auf einen Bandpaß 8 gegeben, der auf die Frequenz der VolumenpJsation abgestimmt ist und diese herausfiltriert. Über einen einstellbaren Verstärker 9 wird das gefilterte Signal S\ auf einen Gleichrichter 10 gegeben, dort gleichgerichtet und im Tiefpaß 11, der die Pulsaticnsfrequenz der Wechseldruckpumpe unterdrückt und der nur die atemfrequenten Schwankungen überträgt, geglättet. Dieses Ausgangssignal ist dem atemsynchronen Atemwegwiderstand proportional und wird auf den Vertikaleingang des A-V-Schreibers 12 gegeben. Das Ausgangssignal des Druckmeßgerätes und Wandlers 75 wird anderseits auf einen Tiefpaß 13, der mit seiner Grenzfrequenz der Atemfrequenz angepaßt ist und die Pulsationsfrequenz der Wechseldruckpumpe unterdrückt, gegeben. Dessen Ausgangssi-

- gnal Si ist dem Atemstrom V proportional. Mit dem

- integrator !4 wird aus dem Atemstrom Ϋ durch Integration das Atemvolumen V bestimmt. Die Signale für den Atemstrom & oder Atemvolumens S'2 können über den Schalter 15 alternativ auf den Horizontaleingang des X- V-Schreibers 12 gegeben werden.

In der F i g. 2 ist das Atemrohr mit 16 bezeichnet. An seinem mundseitigen Ende weist dieses wiederum das Probandenmundstück 17 auf. Am gegenüberliegenden Ende des Atemrohres 16 befindet sich der Schlauch 18, der einen näherungsweise rein induktiven Strömungswiderstand darstellt Weiterhin befinden sich an dem Atemrohr 16 zwei Ansatzstutzen 19 und 20 für die Weehseldruckpumpe 21 und für das Druckmeßgerät 22.

Als Druckmeßgerät 22 wird vorzugsweise ein als WechseldruckaufnehnuT zu verwendendes Mikrofon verwendet, Dessen Signal S\ wird durch einen auf die Pulsationsfrequenz der Wechseldrutkpumpe 21 abge-

s stimmten Bandpaß 23 gefiltert, iin Verstärker 24 verstärkt und anschließend im Gleichrichter 25 mit nachfolgendem Tiefpaß 26 gleichgerichtet und geglättet, Am Ende des Schlauches 18 ist ein weiterer Atemstromrezeptor 27 angeordnet, dessen Strömung»·

widerstand klein gegen den Widerstund des Schlauches 18 für die pulsierende Strömung ist and die Atmung durch den Schlauch nicht wesentlich beeinflußt. Bei Verwendung eines Schlauches von 11 mm 0 und I m Länge hat sich ein Atemsiromreieptor mit einem

^IS Strömungswiderstand von ca. 0,5 ¹^- als geeignet erwiesen. Die von dem Atemstrcmrezepto!¹ 27 als analoges elektrisches Signal abgegebene Meßgröße 52 ist dem Atemstrom V proportional. 5j wird in dem

Tiefpaß 28, der mit seiner Grenzfrequenz der Atemfrequenz angepaßt ist und die Pulsationsfrequenz der Wechseldruckpumpe unterdrückt, von hochfrequenten Komponenten gefiltert und in dem Integrator 29 integriert, wodurch das Atemvolumnn V erhalten wird.

Über einen Schalter 30 kann alternativ der Atemstrom Voder das Atemvolumen Vaufden Uorizontal-Eingang des X- K-Schreibers 31 gegeben werden. Auf dessen Vertikal-Eingang wird das Ausgangssignal St des Tiefpasses 26, das dem Atemwegwiderstand Zproportional ist, gegeben.

In F i g. 3 sind mit 32 bis 34 die von dem Schreiber 12 bis 31 aufgenommenen Atemwegwiderstands-Aternvolumen-Kennlinien von untersuchter Versuchspersonen bezeichnet. Dabei stellt 32 die Kennlinie einer gesunden Person dar. Auf der Abzisse sind das Residualvolumen (RV) und die Totalkapazität (TC)eingezeichnet. Aus deren Differenz ergibt sich die Vitalkapazität (VK) der Lunge. Bei einer Exspirationsphase bildet die Linie 32 ein leicht ansteigendes Plateau. Kurz vor Erreichen des Residualvolumens steigt der Aterrwegwiderstand bei gesunden Personen steil an. Aus der Differenz zwischen dem Wert des (extrapolierten) Anfangspunktes des Steilanstiegs der Linie 32 un<l dem Wert des Residualvolumens (RV) ergibt sich der Wert des »CLOSING VOLUME« (CV). Mit 33 und 34 sind die Kennlinien weiterer Personen bezeichnet. Während das aus der Linie 34 ermittelte CVkrankhaft vergrößert ist, kann aus der Linie 34 kein einseitiger Wert für das »CLOSING VOLUME« ermittelt werden. Der Diffe-

^s° renzenquotient jp ist hierbei über der gesamten Exspirationsphase überproportional groß und kann als signifikante Kenngröße verwendet werden,
Statt des Einprägens von Volumen- bzw. Druckpulsationen in den bevorzugten Allsführungsbeispielen können den pneumatischen Widerständen 3 und 18 auch hochfrequent veränderbare Widerstände überlagert werden. Am Meßprinzip ändert sich dadurch nichts. Die Ansatzstutzen 4 und 5 bzw. 19 und 20 können wegfallen, wobei dann die Wechseldruckpumpe und das Druckmeßgerät direkt am Atemrohr angeordnet sind. Statt der Probandenmundstücke 2 und 17 können Atemmasken verwendet werden, wodurch statt des oralen Atemwegwiderstandes der nasale Atemwegwiderstand — gegebenenfalls auch alternativ — gemessen wird. Dabei bleiben allerdings die gleichen in Fig.3 dargestellten funktionalen Abhängigkeiten erhalten. Die Schreiber 12 und 31 können als Mehrkanalschreiber

ausgebildet sein, so daß der Atemwegwiderstand nenfalls als Funktion der Gaspartialdrücke dargestellt

simultan als Funktion der interessierenden Größen werden, woraus mögiicherweise weitere nützliche

abgebildet werden, kann. Ein Umschalten entfällt dann. Informationen erhalten werden können. Auch derartige

Durch eine gleichzeitige Gasanalyse und Konzentra- Geräte fallen mit unter die Erfindung. '

tionsmessung kann der Atemwegwiderstand gegebe- 5

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Γ,Ι

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   L Gerät für die Lungenfunktionsanalyse mit einem Atemrohr, das einen Strömungswiderstand s und einen Pulsgenerator zur Beaufschlagung des Atemstromes mit gegenüber der Atemfrequenz höherfrequenten Druck· bzw. Strömungspulsationen aufweist, wobei der Strömungswiderstand im wesentlichen reell und strömungsunabhängig ist, und einem Druckmeßgerät für Gleich- und Wechseldruck, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (8, 12) zur Trennung der nieder- und hochfrequenten Komponenten des Meßsignals und Mittel (15) zur kontinuierlichen Darstellung des aus der hochfrequenten Komponente abgeleiteten Atemwegwiderstandes (Z) als Funktion des aus der niederfrequenten Komponente abgleiteten Atemstromes fitybzw. Atemvolumens (V) vorhanden sind.
2. 2. Gerät für die Lungenfunktionsanalyse mit einem Atemrohr, das einen Strömungswiderstand und einen Pulsgenerator zur Beaufschlagung des Atemstromes mit gegenüber der Atemfrequenz höherfrequenten Druck- bzw. Strömungspülsationen aufweist, wobei der Strömungswiderstand durch einen Schlauch, der den näherungsweise rein induktiven Teil eines komplexen Strömungswiderstandes realisiert, gebildet wird, und einem Mikrofon als Wechseldruckmesser, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät einen weiteren Atemstromrezeptor (21) aufweist, dessen Strömungswiderstand klein gegen den Widerstand des Schlauches (8) für die pulsierende Strömung ist und gegenüber diesem vernachlässigt werden kann, und daß Mittel (31) zur kontinuierlichen Darstellung des Atemwegwider-Standes (Z) als Funktion des Atemstrome!» (V) bzw. Atemvolumens (V) vorhanden sind.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Oszilloskop oder Koordinaten-Schreiber (12,31) der Atemwegwiderstand (Z) alternativ als Funktion des Atemstromes (V)bzw. Atemvolumens ("!^dargestellt werden kann.
4. - 4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich-„ net, daß auf einem Oszilloskop oder Koordinaten-Schreiber (12, 31) der Atemwegwiderstand (Z) simultan als Funktion des Atemstromes (V) bzw. Atemvolumens f !^dargestellt werden kann.
5. 5. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch -gekennzeichnet, daß durch Verwendung einer /geeigneten Atemmaske der Atemwegwiderstand (Z) der nasalen Atemwege als Funktion des Atemstromes (V) bzw. des Atemvolumens (V) dargestellt ^werden kann.

   ■. ί 6. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ^!gekennzeichnet, daß mit einem elektronischen ^Integrator (13, 29) das Atemvolumen (V) aus dem gemessenen Atemstrom ^errechnet wird. gpil 7. Gerät für die Lungenfunktionsanalyse nach ¥MfAnspruch 1 oder nach Anspruch 2, dadurch wgekennzeichnet, daß an Stelle eines Pulsgenerators zur Beaufschlagung des Atemstromes mit gegenüber der Atemfrequenz höherfrequenten Druck- bzw. Strömungspulsationen Mittel zur Überlagerung der Strömungswiderstände mit hochfrequent veränderbaren Widerständen vorgesehen sind.

   Die Erfindung besieht sich auf ein Gerät für die Lungenfunktionsanalyse gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2,

   Aus der Literatur sind Geräte für die Lungenfunk· tionsanalyse bekannt, mit denen charakterische Atemkenngrößen bestimmt werden können. Insbesondere die Kenntnis der Vitalkapazität (VK), des Residualvolumens (RV) sowie der Strömungswiderstände (Z) der Atemwege bzw. deren Veränderungen liefern wichtige Hinweise für die Diagnostik. Neuerdings hat sich gezeigt, daß auch die Darstellung des Atemwegwiderstandes ^aIs Funktion der anderen Kenngrößen, z. B. des Atemstromes (V), des Atemvolumens (VJ oder auch der Gaspartialdrücke, aussagekräftig sein kann.

   Untersuchungen haben insbesondere ergeben, daß eine weitere signifikante Atemkenngröße das sog. »CLOSING VOLUME« (CV) ist. Dieser aus der englischsprachigen Literatur übernommene Begriff kennzeichnet den Teil des Lungenvolumens, bei dem es wenig oberhalb des Residualvolumens zu einem Verschluß der kleinsten Luftwege kommt. Während bei gesunden Personen der Wert des »CLOSING VOLUME« außerordentlich klein ist, können bei kranken Personen durch Bronchialobstruktionen beträchtliche Vergrößerungen dieses Wertes auftreten. Auch bei starken Rauchern, die bekanntlich eine Anfälligkeit für eine Obstruktion der Atemwege aufweisen, treten schon charakteristische Veränderungen des »CLOSING VOLUM F'< auf. Es erscheint daher wünschenswert, diese Größe bei Reihenuntersuchungen mit zu erfassen.

   Zur Messung des »CLOSING VOLUME« ist die sog. Bolustechnik bekannt, die folgendermaßen abläuft: Nach einer maximalen Exspiration des Lungeninhalts mischt man der Atemluft bei Beginn der nachfolgenden Inspiration eine kleine Menge (Bolus) eines charakteristischen Gases, z. B. He, oder eines radioaktiv markierten Gases (Tracer), z. B. Xe-133, bei. Anschließend wird maximal inspiriert und während der nachfolgenden Exspirationsphase bei möglichst langsamer Exspiration die Konzentration des Bolus-Gases bzw. die Konzentration der radioaktiven Tracer als Funktion des Atemvolumens gemessen. Erst kurz vor Erreichen des Residualvolumens steigt dieser Wert bei gesunden Personen steil an, da es dann zu einem Verschluß (Closing) der kleinsten Atemwege kommt. Bei kranken Personen tritt dagegen infolge von Obstruktionen der Konzentralionsanstieg früher ein. Eine Meßeinrichtung zur Erfassung des »CLOSING VOLUME« ist z. B. aus »The Lancet«, Okt. 28 (1972), S. 905, bekannt. Derartige Einrichtungen sind ziemlich aufwendig, da sie schnell ansprechende Analysegeräte, wie z.B. Massenspektrometer oder Zählgeräte für radioaktive Tracer, benötigen.

   Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gerät für die Lungenfunktionsanalyse anzugeben, mit dem z. B. das »CLOSING VOLUME« ohne großen Aufwand bestimmt werden kann, so daß derartige Geräte für !Reihenuntersuchungen in der Sozialmedizin eingesetzt werden können. ,

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst

   Der Erfindung gingen Untersuchungen über die Struktur und Zusammenhänge der verschiedenen Atemkenngrößen voraus. Insbesondere aus Messungen von Atemwegwiderständen, die einfach durchzuführen sind (z.B. DT-OS 2413960/ und 2414019.0), ist es bekannt, dag diese sich während einer Atemphase