DE2631470A1

DE2631470A1 - Geraet zum bestimmen des atemwegwiderstandes

Info

Publication number: DE2631470A1
Application number: DE19762631470
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Dr Franetzki; Volker Dipl Ing Korn; Karl Dipl Phys Prestele
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-07-13
Filing date: 1976-07-13
Publication date: 1978-01-19
Also published as: DE2631470B2; DE2631470C3

Description

Gerät zum Bestimmen des Atenwegwiderstandes
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Atemrohr, das einen Strömungswiderstand und einen Pulsgenerator zur Beaufschlagung des Atemstromes mit höherfrequenten Druck- bzw. Strömungspulsationen oder einen Strömungswiderstand, dessen Widerstandswert periodisch mit einer über der Atemfrequenz liegenden Frequenz verändert wird, aufweist, sowie mit einem Druckmesser zur Messung des Druckes im Atemrohr, wobei als Strömungswiderstand ein komplexer, vorzugsweise ein überwiegend induktiver Strömungswiderstand, z.B. ein Schlauch, verwendet wird.
Ein derartiges Gerät ist Gegenstand des Hauptpatentes ...
(deutsche Patentanmeldung P 25 08 319.6-35). Gemäß Hauptpatent wird durch Verwendung eines komplexen, vorzugsweise eines überwiegend induktiven Strömungswiderstandes, z.B. eines Schlauches, eine exakte Messung des Atemwegwiderstandes ermöglicht. Durch des Atemwegwiderstandes (Z) als Funktion der meßbaren Größen dargestellt werden: Unter Verwendung von reduzierten Größen ergab sich: und Bei Wahl eines überwiegend induktiven- Strömungswiderstandes, d.h. und bei Verzicht auf Messung des Phasenanteils wurde die Auswerteschaltung im Ausführungsbeispiel des Hauptpatentes weiter vereinfacht und eine annähernd lineare Anzeige auf einem entsprechend geeichten Gerät erhalten.
Weitergehende Untersuchungen mit dem Gerät nach dem Hauptpatent haben nun gezeigt, daß die Phasenmessung in bestimmten Fällen auch diagnostische Hinweise liefern kann. Aufgabe der Zusatzerfindung ist es daher, das Gerät des Hauptpatentes so weiterzubilden, daß auch der Phasenwinkel f erfaßt werden kann. Dabei soll die Registrierung des Betrages Z und des Phasenwinkels 9 des Atemwegwiderstandes ~in situ" möglich sein und auch bei während der Untersuchung veränderbaren Atembedingungen erfolgen können. Gleichzeitig soll auch eine schnelle Erfassung des Realteils des Atemwegwiderstandes (3a) Re (Z) = Z cos möglich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gerät nach dem Hauptpatent Mittel zur gleichzeitigen Erfassung des Phasenwinkels des Druckmeßwertes aufweist und daß Mittel zur Darstellung bzw. Umrechnung des erfaßten Phasenwinkels und Druckmeßwertes im Sinne der Ermittlung von Betrag und Phase (bzw.
Realteil und Phase) des Atemwegwiderstandes vorhanden sind. Durch die simultane Aufnahme von Betrag und Phase des zu messenden Munddruckes können beide Größen auf die beiden Eingänge eines Zwei-Koordinaten-Schreibers gegeben werden. Dies ermöglicht sowohl eine schnelle Eichung des Meßgerätes als auch ein kontinuierliches Ablesen der zu messenden Größen. Aus der Darstellung auf dem Zwei-Koordinaten-Schreiber können wahlweise Betrag und Phase(bzw. Realteil und Phase) des Atemwegwiderstandes abgelesen werden. Durch die Registrierung der Meßgrößen bei Atemmanövern können genauere Aussagen über den Zustand des Lungensystems gemacht werden. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen.
Es zeigen die Fig. 1 die Auswerteschaltung gemäß der erfindungsgemäßen Weiterbildung des Hauptpatentes, die Fig. 2 schematisch den Signalverlauf zur Erfassung des Phasenwinkels.
Identische Teile mit denen der Fig. 1 und 2 des Hauptpatents sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Fig. 1 sind mit 10 bis 21 die Auswertemittel zur Erfassung des Betrages des Atemwegwiderstandes bezeichnet. Diese sind aus der Fig. 2 des Hauptpatentes bekannt. Mit 8 ist die Wechseldruckpumpe bezeichnet. Diese besteht - wie schematisch angedeutet - aus dem bewegbaren Kolben 8', der über den Motor 8: angetrieben wird. Mit dem Motor 8 " ist über die Motorwelle 8'' die Lichtschranke 22 gekoppelt. Diese Lichtschranke 22 besteht aus einem umlaufenden 180°-Sektor zwischen einem optischen Sender und einem optischen Empfänger und liefert daher an ihrem Ausgang eine Rechtecksignalkurve mit den Potentialwerten H und L im Takt der eingeprägten Strömung. Das vom Mikrofon 10 abgenommene, verstärkte und gefilterte Drucksignal wird hinter dem Bandpaß 13 auf einen Komparator 23 gegeben. Durch diesen wird das sinusförmige Drucksignal des Mikrofons 10 ebenfalls in eine Rechtecksignalkurve mit den Potentialwerten H und L mit der Phasenlage des Druckmeßwertes in bezug auf die eingeprägte Strömung umgewandelt. Die Rechtecksignale am Ausgang A der Lichtschranke 22 und am Ausgang B des Komparators 23 werden auf die Eingänge des Antivalenzgliedes 24 gegeben. Als Antivalenzglied 24 wird ein "exklusiv oder"-Glied verwendet, das dann und nur dann ein Signal H erzeugt, wenn einer von den beiden Eingängen das Signal H, der andere das Signal L führt. Über den Verstärker 25 wird das Ausgangssignal auf die parallel geschalteten Tiefpässe 26 und 27 gegeben, von denen der erste auf vorzugsweise 5 Hz und der zweite auf vorzugsweise 0,1 Hz als Grenzfrequenz abgestimmt ist. Durch die parallelgeschalteten Tiefpässe 26 und 27 können - entsprechend den Tiefpässen 16 und 17 zur Bestimmung des Betrages des Atemwegwiderstandes - alternativ die atemsynchronen Anderungen oder der Mittelwert des Phasenwinkels erfaßt werden. Die Ausgangssignale der Tiefpässe 26 und 27 werden alternativ über den Schalter 28 auf das Meßgerät 29 oder über den Schalter 30 auf den Horizontaleingang(Abszisse) des Zwei-Koordinaten-Schreibers 31 31gegeben. Auf den Vertikaleingang des Zwei-Koordinaten-Schreibers 31 wird das Ausgangssignal des Schalters 18 gegeben, das alternativ die atemsynchrone Anderung oder den geglätteten Mittelwert des gleichgerichteten Druckmeßwertes P darstellt.
In der Fig. 2 ist mit a das Signal am Ausgang A der Lichtschranke 22, mit b das Signal am Ausgang B des Komparators 23 und mit c das durch die logische Verknüpfung gebildete Signal am Ausgang C des Antivalenzgliedes 24 bezeichnet. Diese haben jeweils als Nullsignal den Potentialwert L und als Spannungssignal den Potentialwert H. Da die beiden Rechtecksignalkurven a und b in 2 t periodisch sind und nur gegeneinander phasenverschoben sind, ist die durch die logische Verknüpfung erzeugte Rechtecksignalkurve C in tr periodisch. Deren Signalbreite ist ein Maß für die Phasenverschiebung des Drucksignals gegenüber der eingeprägten Strömung. Die Messung des Phasenwinkels erfolgt also mit der. doppelten Frequenz der eingeprägten Pulsation der-Wechselströmungspumpe. Durch die Tiefpässe 26 und 27 werden die Rechtecksignale gemittelt. Da ein konstanter Potentialwert H verwendet wird, ist die ermittelte Fläche ein Maß für den Phasenwinkel 96 des Druckmeßwerts P. Das Ausgangssignal der Tiefpässe 26 und 27 kann daher unmittelbar auf den Horizontaleingang (Abszisse) des Zwei-Koordinaten-Schreibers 31 gegeben werden.
Zum Zwecke der Eichung des Zwei-Koordinaten-Schreibers sind in den die Signale a und b führenden Leitungen die Schalter 32 und 33 angebracht, die es ermöglichen, die Meßleitungen mit Quellen definierten Potentials zu verbinden und damit definiert die beiden Potentialwerte L und H am Ausgang des Antivalenz-24 gliedes/zu erzeugen. Mit Hilfe des regelbaren Verstärkers 25 wird die Spannungsdifferenz am Ausgang der Filter 26 bzw. 27 zu wr = 1800 kalibriert. Damit der von der Phasenmeßeinrichtung erfaßbare Meßbereich qy = -90° bis +900 in der durch Gleichung (1) festgelegten Beziehung mit dem zu bestimmenden Phasenwinkel 9 steht, ist es nötig, die Lichtschranke 22 in einer bestimmten Winkelstellung zur Pumpenwelle 8tut' zu fixieren. Diese Winkelstellung kann z.B. auf die folgende Art ermittelt werden: Das mundseitige Ende des Anschlußstücks 2 des in der Fig. 1 der Hauptanmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiels wird verschlossen (Z = eo). Aus Gleichung (1) folgt hierfür: Mr#=# Die Lichtschranke 22 kann nun auf der Pumpenwelle 8'v' so fixiert werden, daß der Schreiberausschlag des Koordinatenschreibers 31 dem Winkel t = 5 etwa entspricht. Ein Feinabgleich kann mit Hilfe eines als Phasendrehglied verwendbaren RC-Gliedes 34 erfolgen, indem durch Justieren des #tentiometers eine zusätzliche Verzögerung der Rechtecksignalkurve b in der Drucksignalleitung bewirkt wird.
Die Ausgangssignale der Schalter 18 und 30 können auch fakultativ (gestrichelt angedeutet) auf eine Recheneinheit gegeben werden. Dafür wird vorzugsweise ein Mikroprozessor 35 verwendet, der frei programmierbar ist. Uber die Steuereinheit 36 werden die Kennwerte des Vergleichswiderstandes (R) eingegeben.
Auf der Datenausgabe 37 können dann die nach Gleichung (3) und (3a) ermittelten Werte des Betrages Z und Phasenwinkels 9 bzw.
des Realteils Re(fl und Phasenwinkels 9 des gesuchten Atemwegwiderstandes digital angezeigt werden.
Die Erfindung gemäß der Zusatzanmeldung soll das Gerät nach dem Hauptpatent fakultativ erweitern. Es werden neue diagnostische Möglichkeiten bei der Bestimmung des Atemwegwiderstandes gewonnen.
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Claims

Patentansprüche 7)i. Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Atemr ffi r, das einen Strömungswiderstand und einen Pulsgenerator zur Beaufschlagung des Atemstromes mit höherfrequenten Druck-bzw. Strömungspulsationen oder einen Strömungswiderstand, dessen Widerstandswert periodisch mit einer über der Atemfrequenz liegenden Frequenz verändert wird, aufweist, sowie mit einem Druckmesser zur Messung des Druckes im Atemrohr, wobei als Strömungswiderstand ein komplexer, vorzugsweise ein überwiegend induktiver Strömungswiderstand, z.B. ein Schlauch, verwendet wird ...

(gemäß dem Hauptpatent P 25 08 319.6-35), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Mittel (22 bis 27) zur gleichzeitigen Erfassung des Phasenwinkels (4') des Druckmeßwertes (P)und Mittel (29, 31; 35 bis 37) zur Darstellung bzw.

Umrechnung des erfaßten Phasenwinkels und des Druckwertes im Sinne der Ermittlung von Betrag (Z) und Phase ( 9 ) (bzw. Realteil (Re(Z)) und Phase (9 )) des Atemwegwiderstandes (Z) vorhanden sind.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkel (9/) des Druckmeßwertes (P) durch Feststellung der Verschiebung der zeitlichen Koinzidenz zwischen der eingeprägten Strömung (I) und dem Munddruck (P) erfaßt wird.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselströmungspumpe (8) mit einem Signalgenerator (22) zur Erzeugung einer Rechtecksignalkurve (a) im Takt der eingeprägten Strömung verbunden ist.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator eine Lichtschranke (22) ist, die einen optischen Sender und optischen Empfänger umfaßt, deren Lichtstrahlgang durch ein mit der Motorwelle (8VIr) der Pumpe (8) umlaufendes Lichthindernis, z.B. in Form eines 18O0-Sektors, periodisch unterbrochen wird
5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßwert (P) zur Erzeugung einer Rechtecksignalkurve (b) auf einen Komparator (23) gegeben wird.
6. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Eingabe der Rechtecksignalkurven (a) und (b) auf ein Antivalenz exklusiv oder")Glied (24) eine Rechtecksignalkurve (c) erzeugt wird, deren Impulsbreite ein Maß für die Phasenverschiebung (#) zwischen Betrag der eingeprägten Strömung (I) und Druckmeßwert (P) ist.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Tiefpaß (26, 27) ein dem Phasenwinkel (~K) proportionales Gleichspannungs signal erzeugt.
8. Gerät nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Tiefpässe (26, 27) mit Grenzfrequenzen, die alternativ die atemfrequenten Schwankungen erfassen oder glätten, vorzugsweise 5 Hz und 0,1 Hz, parallelgeschaltet sind.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Schalter (28) alternativ die Ausgangssignale auf ein Meßgerät (29) gegeben werden können.
10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprücne, dadurch gekennzeichnet, daß der gleichgerichtete, geglättete Druckmeßwert (P) und der geglättete Phasenwinkel ( t ) auf die Eingänge eines Zwei-Koordinaten-Schreibers (31) gegeben werden.
11. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Antivalenzglied (24) und Tiefpaß (26, 27) ein regelbarer Verstärker (25) zur Kalibrierung des Ausgangssignals vorhanden ist.
12. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasenverschiebung des Druckmeßsignals ein Phasendrehglied, vorzugsweise ein RC-Glied (34), in der Druckmeßleitung vorhanden ist.
13. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den rechtecksignalführenden Leitungen Schalter (32, 33) zur Verbindung der Meßleitungen mit Quellen definierten Potentials (H, L) vorhanden sind.
14. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Druckmeßwert (P) und Phasenwinkel ( t) zur Umrechnung auf einen programmierbaren Rechner, vorzugsweise einen Mikroprozessor (35), gegeben werden.
15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (35) entsprechend Gleichungen (2), (3) und (3a) (3a) Re (Z) = Z cos # programmiert ist und Ein- bzw. Ausgabeeinheiten (36, 37) zur Eingabe der Kennwerte des Strömungswiderstandes bzw. zur Anzeige der errechneten Werte (Z, # , Re(Z)) vorhanden sind.