DE2641289A1 - Atmungsmessgeraet zur druckkorrektur - Google Patents
Atmungsmessgeraet zur druckkorrekturInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Atmungsmeßgerät zur Druckkorrektur,
das insbesondere bei Beatmungsgeräten mit gesteuertem Durchsatz Verwendung finden kann, d.h. bei
einem Gerät, das es ermöglicht, einen Patienten künstlich zu beatmen, wobei das Atmungsmeßgerät das Volumen oder
den Durchsatz des ausgeatmeten Gases mißt, das als "Strömungsvolumen" bezeichnet wird und im wesentlichen
der Atmungskapazität entspricht, die im Nachfolgenden als
"wirksame" Kapazität bezeichnet werden soll, da sie der Gasmenge entspricht, die die Lungen effektiv ausatmen
können und die, wohlgemerkt, niedriger als die Gesamtkapazität ist, da sich die Lungen nicht bei jedem Atemzyklus
vollständig entleeren, bis sie in sich zusammenfallen.
DR. G. MANITZ · DlPL.-ING. M. FtNSTERWALD
8 MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I TEL. (089122 42 11. TELEX OS - 29672 PATMF
109842/0602
DIPL.-INC. W. CRAMKOW
7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATTI
SEELBERCSTR. 23/2S.TEL.I07II1S6 72 61
7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATTI
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ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN MÜNCHEN. KONTO-N UMMER 7 2 70
POSTSCHECK: MÖNCHEN 77062-805
!MSPECTED
Wie Figur 1 zeigt, wird ein herkömmlicher Apparat zur künstlichen Beatmung bekanntlich im wesentlichen von
einer Y-förmigen Rohrleitung gebildet, von deren Armen der eine mit dem Patienten P in Verbindung steht, während
ein zweiter Arm mit einer Quelle für unter Druck stehendes Gas (einer Flasche oder einem Behälter und insbesondere
einem Kompressor) über einen Schieber bzw. ein Ventil EVI verbunden ist, das bei den neueren Apparaten im allgemeinen
elektrisch betrieben wird, und wobei weiterhin der dritte Arm mit der UmgebungsatmoSphäre über ein Ventil EV2 in Verbindung
steht, das ebenfalls in den meisten Fällen elektrisch betrieben werden kann und an das sich in manchen Fällen ein
Atmungsmeßgerät S anschließt.
Wenn ein Patient eine künstliche Beatmung benötigt, d.h. wenn man der Meinung ist, daß er teilweise oder vollständig
nicht in der Lage ist, selbst seine Atmung durchzuführen, dann muß bekanntlich beim Einatmen (wobei EV2 geschlossen und
EV1 geöffnet ist) der Patient einem leichten Überdruck relativ zum Atmosphärendruck ausgesetzt werden, wobei dieser
Überdruck umso höher sein muß, je schwächer bzw. gefährdeter
die richtige Atmung des Patienten ist. Folglich weist das eingeatmete Volumen einen Druck auf, der sich von dem
im Außenbereich herrschenden Atmosphärendruck unterscheidet,
so daß dieses Volumen einer Gasmasse bzw. Gasmenge entspricht, die höher ist, als die Gasmenge desselben Volumens beim
Atmosphärendruck. Weiterhin stellt sich beim Ausatmen (wobei EV1 geschlossen und EV2 geöffnet ist) der Druck in
fortschreitender Weise wieder her, und während die Luft
durch das Atmungsmeßgerät hindurch austritt, verändert sich ihr Druck, d.h. der anfängliche Überdruck nimmt ab, bis er
gleich Null wird, so daß das Atmungsmeßgerät ein Volumen mißt, das während der Neßdauer unter einem sich verändernden
Druck steht.
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- If -
Eine Vernachlässigung des Einflusses des Überdrucks auf das Volumen kann in dem Fall ins Auge gefaßt werden, in
dem dieser Überdruck selbst vernachlässigbar ist, aber im allgemeinen wird man ihn in Eechnung stellen müssen.
Gemäß der Erfindung wird dieses Problem mit Hilfe eines Aufnehmers bzw. Meßfühlers K gelöst, der den Druck in der
Y-Rohrleitung mißt, und dessen Informationen in eine Meß-
und Recheneinheit M übertragen werden, die in gleicher Weise die vom Spirometer bzw. Atmungsmesser S abgegebenen
Informationen empfängt und augenblicklich mittels des Spirometers die erforderlichen Korrekturen vornimmt. Bezeichnet
man mit dem Index 0 die Atmosphärenbedingungen und mit dem Index 1 die Bedingungen des maximalen Überdrucks
(der ggfs. von einem Atmungszyklus zum anderen variieren kann), dann integriert M nicht nur die Volumina, die durch
den Atmungsmesser hindurchtreten, sondern diese auf den Atmosphärendruck zurückgeführten Volumina.
Wie man in den beiden weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen sieht, werden zwei Lösungen beschrieben, eine
näherungsweise, bei der der Durchsatz integriert wird, um dann mit der Variation des Drucks multipliziert zu werden
(P^j - PqVPq-j dV, und eine andere, genauere, bei der der
in jedem Augenblick auf den Atmosphärendruck bezogene bzw. zurückgeführte Durchsatz integriert wird J P/Pq · dV, wobei
P der momentan vom Aufnehmer bzw. Meßfühler K gemessene Druck ist, und das augenblickliche bzw. momentane Elementarvolumen
dV bzw. der momentane Durchsatz dV/dt von S gemessen werden. Im vorliegenden Fall wendet man das Mariotte'sehe
Gesetz an, das für die idealen Gase und für die realen Gase bei geringen Druckvariationen gültig ist, was bei der Atmungsmessung der häufigste Fall ist, doch kann man in Sonderfällen,
d.h., wenn die Druckvariationen sehr groß sind, integrieren,
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indem man jedes andere geeignete Gesetz verwendet. Das ist z.B. möglich, wenn man in einer Druckkammer Taucher
wiederbelebt, die in großer Tiefe verunglückt sind.
In gleicher Weise muß man der Tatsache Rechnung tragen, daß bei den modernen Geräten nicht nur beim Einatmen mit
Überdruck, sondern in gleicher Weise beim Ausatmen mit Unterdruck (Index 2) ge arbeitet wird ι in der Meß- und Recheneinheit
M integriert man dann (P^ - PpVPn · J- dV oder
P/P^j · dV. Man kann auch Korrekturen anbringen, wenn
der Atmungsmesser selbst einen Druckverlust verursacht, der die zeitlichen Druckveränderungen abschwächt bzw.
dämpft.
Darüber hinaus sei daran erinnert, daß das Volumen der Rohrleitungen selbst nicht im allgemeinen vernachlässigbar
ist und daß man es in Rechnung stellen muß, da die Information, die für den Arzt von Bedeutung ist, die durch
die Lungen hindurchgehende Gasmenge ist. Diese Information würde ohne Korrekturen unmittelbar am Mund des Kranken
zur Verfügung stehen, wenn man dort den Durchsatz und den Druck messen würde, doch ist diese Anordnung der Meßfühler
nicht günstig, da es wegen der Kondensation von Wasserdampf oder wegen Ausscheidungen des Patienten zu Verunreinigungen
kommt, die die Messungen verfälschen. Das ist der Grund, warum man zur Zeit die Meßfühler und insbesondere den für
den Durchsatz lieber genügend weit vom Mund des Kranken entfernt anordnet, so daß sich für die Rohrleitung eine
Vergrößerung der Länge und des Volumens ergibt, die in Rechnung gestellt werden muß.
Es ist demgemäß erforderlich, das unter Atmosphärendruck stehende Volumen abzuziehen, das der Gasmenge entspricht,
die ihrerseits dem Unterschied zwischen den in den Rohrleitungen bei den Drücken P1 und PO enthaltenen Volumina
entspricht.
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Bisher wurde versucht, zu einer Lösung einiger dieser Probleme mit Hilfe verschiedener Techniken zu gelangen,
ohne daß jemals vollständig befriedigende Ergebnisse erzielt -wurden. Als Beispiele seien hier die folgenden
Patentschriften angeführt:
Die US-PS 3 006 336, nach der man versucht, den Druckverlust
im Atmungsmesser, der die Ausatmung des Patienten behindert,-mit Hilfe eines Kolbens 33 auszugleichen, der
so gesteuert wird, daß er den Druck in der Kammer 30 des
Atmungsmessers konstant hält.
Im übrigen ist eine große Zahl von Geräten bekannt, die dazu dienen, die Volumina oder die Volumendurchsätze unter
einer Korrektur des Druckes zu messen und die eine Druckkorrektur durch Anwendung des Mariotte'sehen Gesetzes verwenden,
und insbesondere die US-PS 3 759 249 und die
US-PS 3 799 14-9 betreffen jeweils eine Vorrichtung zur
Atmungsanalyse mit einem Massenspektrometer und einem Stoffwechselanalysator, bei denen ein Rechner eine Druckkorrektur
unter Anwendung des Mariotte'schen Gesetzes einführt
.
Auch ist es aus der US-PS 3 414 896 bekannt, den Druck
zu steuern und zu messen.
Tatsächlich arbeiten nahezu alle bekannten Apparate mit
einer näherungsweisen Messung des Drucks und tragen den während ein und desselben Atemzyklus häufig sehr erheblichen
Änderungen dieses Drucks keinerlei Rechnung.
Dank der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Messung wesentlich genauer, indem der maximale Druck und der mi τη male
Druck ebenso in Rechnung gestellt werden, wie die Über- bzw. Unterdrücke, die im Lauf eines Atemzyklus auftreten.
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Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Lösung äußerst
einfach und bietet im Vergleich zu anderen Lösungen, wie z.B. der mechanischen Lösung der US-PS 3 006 336 die allgemein
bekannten Vorteile eines elektronischen Aufbaus.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
Figur 1 eine Anordnung, auf die oben bereits anläßlich des Standes der Technik als auch anläßlich der
Erfindung Bezug genommen wurde,
Figur 2 eine Variante des Prinzipschemas der Meß- und Recheneinheit M aus Figur 1,
Figur 3 eiIi Blockdiagramm zur Realisierung der Variante
aus Figur 2, und
Figur 4 eine weitere Variante des Prinzipschemas der Meß-
und Recheneinheit M aus Figur 1.
In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. In den Figuren
ist jeweils ein Ausatmen mit Unterdruck angenommen. Hat man keinen Unterdruck, so genügt es, die Indices 2 durch die
Indices 0 zu ersetzen.
Der Durchsatzmesser bzw. -zähler S (Figuren 1 und 2) überträgt auf die Einheit M während der Ausatmungszexträume
eines jeden Zyklus die Durchsatζinformation nach 1, z.B.
indom er eine Impulszahl abgibt, die der Durchströmgeschwindigkeit
im Meßwertgeber und somit dem Durchsatz proportional ist. Dies kann z.B. mit Hilfe eines kapazitiven
Meßwertgebers mit einer Turbine erreicht werden.
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Die in 2 hinsichtlich der Zeit für jeden Zyklus erfolgende
Integration ergibt das Volumen, das als "Strömungsvolumen" bezeichnet wird; die bei 3 für jede Minute erfolgende
Integration ergibt das als "Minutenvolumen" bezeichnete Volumen. Diese Informationen entsprechen dem
vom Beatmungsgerät durchgesetzten Gesamtvolumen (bei variablem Druck im Verlauf eines Zyklus).
Wenn die Kapazität bzw. das Fassungsvermögen der Rohrleitungen G0 ist, das den Druck P aufweist, dann zirkuliert
im Durchsatzmesser bzw. Durchsatzmeßwertgeber zusätzlich zum Atmungsvolumen ein Volumen C = CQ i^/Pn ~ co' d«n· ^C
= Gq (P,, - Pq)/Pq, wenn kein Unterdruck beim Ausatmen
herrscht, und A C = (CQ P^ - CQ P2)/PQ' d*b· ^c = co'
(P,- - P2)ZPq im entgegengesetzten Fall.
(Das Volumen Cq des Gases in den Rohrleitungen ist tatsächlich
Cq-P/Pq, wenn man vom Druck P zum Druck PQ übergeht).
Der Druck-Meßwertgeber K überträgt bei 4 der Einheit M einen
Druckmeßwert, dessen Maximalwert P^ bei 5 und dessen Minimalwert
(Pq oder P~ je nachdem, ob man einen Unterdruck hat
oder nicht) bei 6 ermittelt werden, und deren Unterschied bei 7 gebildet wird.
Diese Variation des Drucks wird zu den Korrekturvorrichtungen
8 und 9 übertragen, die jeweils von J und 2 das "Minutenvolumen"
und das "Strömungsvolumen" empfangen und ein korrigiertes "Minutenvolumen" und ein korrigiertes "Strömungsvolumen" abgeben, bei denen den Druckänderungen und der
Korrekturgröße Λ C Rechnung getragen ist. Die Anzeige erfolgt
jeweils bei 10 und 11.
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- gr-
Diese Vorrichtung wurde als Beispiel vereinfacht, da sie nicht die Integration J" P/Pq * dV, sondern die Integration
(P1 - P2)ZP0-J^dV = (P1 - P2)ZP0-V1 durchführt, wobei
V7 das Volumen darstellt, das durch den Meßwertgeber
zwischen 1 und 2 hindurchgeht, d.h. während der Ausatemzeit. Überträgt man jedoch im Gegensatz hierzu wie in Figur 4- den
momentanen Druck P von 4- auf ein Momentan-Korrekturglied 12 vor den Integratoren 2 und 3? so wird die Integration so
durchgeführt, wie es oben angegeben ist und die Integrationsrechner 2 und 3 liefern / P/PQ * dV; die Korrekturglieder
8 und 9 fügen in diesem Fall lediglich die sich auf & G beziehende
Korrektur hinzu.
Man sieht anhand der Figur 3» wie eine Schaltung, die diese
Operationen ausführt, realisiert werden kann. Es sei jedoch darauf· hingewiesen, daß, wenn man die Korrektur/I C für das
"Strömungsvolumen" anbringt, man die Korrektur n/IC für das
"Minutenvolumen11 anbringen muß, wobei η die Zahl der Atmungszyklen pro Minute ist. Die Messung von η ist in den schematischen
Figuren 2 und 4- nicht dargestellt, doch wird in der Figur 3 hierfür ein Ausführungsbexspxel gegeben.
Tatsächlich ist eine Vielzahl von Lösungen möglich: η ist die Zahl der Druckzyklen und kann folglich entweder bei
K (Anzahl der Fälle, in denen P = P0 ist, wenn kein Unterdruck
herrscht, oder die Hälfte der Fälle, in denen P = PQ bzw. P2 minimal ist), oder bei S gezählt werden, wobei hier
die Häufigkeit festzustellen ist, mit der der Durchsatz Null wird (Einatmung), wobei diese Lösung den Vorteil hat, daß
sie leicht realisiert werden kann. Man kann auch die Schließoder öffnungsvorgänge von EV1 oder EV2 zählen; oder man kann
den Quotienten aus dem "Minutenvolumen" und dem "Strömungsvolumen" bilden, usw.
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Die Figur 3 gibt ein Ausführungsbeispiel für das Prinzipschema
aus Figur 2 wieder.
Was die Figur 4 anbelangt, so ist der größte Teil der Schaltungselemente identisch und eine Übertragung ist für
den Fachmann ohne weiteres möglich. Der Atmungsmesser wird von einer Turbine 20 gebildet, auf die ein kapazitiver
Meßwertgeber 21 und ein Spannungsvergleicher 22 folgen. In der Figur ist die Form der übertragenen Signale in
schematischer Weise wiedergegeben.
Die Vergleichsschaltung 22 steuert einerseits einen monostabilen Multivibrator 23 für Impulse mit konstanter Größe
und andererseits einen Anhaltedetektor 24 mit einer EC-Schaltung zur Erzeugung von Impulsen, die zur Rückstellung
auf Null dienen. Die Signale des monostabilen Multivibrators 23 werden einerseits dem über eine Minute hinweg integrierenden,
einen EG-Kreis umfassenden Oberflächenintegrator 25
zugeführt, auf den ein Gleichstromverstärker 26 folgt, der demgemäß ein dem "Minutenvolumen" proportionales Analogsignal
abgibt. Die Signale des monostabilen Multivibrators 23 werden andererseits dem über einen Atemzyklus hinweg
integrierenden, einen RC-Kreis umfassenden Oberflächenintegrator
27 zugeführt, auf den in gleicher Weise ein Gleichstromverstärker 28 folgt, der ein dem "Strömungsvolumen"
proportionales Analogsignal abgibt. Der über einen Zyklus hinweg integrierende Integrator 27 wird in gleicher Weise
vom Detektor 24 angesteuert, der den Integrator 27 für jeden Atmungszyklus auf Null zurücksetzt und den monostabilen
Multivibrator 29 für Impulse mit konstanter Größe auslöst bzw. triggert, auf den ein über eine Minute hinweg integrierender
Oberflächenintegrator 30 folgt, der demgemäß ein Signal abgibt, das der Atmungshäufigkeit pro Minute η
proportional ist.
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Im übrigen folgt auf den analogen Heßwertgeber für den
Druck E ein Gleichstromverstärker 315 auf den ein Filter
32 zum Abtrennen der Spitzen P^ und parallel hierzu ein
Filter 33 zum Abtrennen der Täler (oder negativen Spitzen) P2 (oder P_) folgen.
P2 wird bei 34- invertiert, was es einerseits ermöglicht,
im Verstärker 35 aus den von 32 und 34- abgegebenen Signalen
den Ausdruck P^, - Pg zu addieren und andererseits im Verstärker
36 aus den von 30 abgegebenen Signalen den Ausdruck
η (P,- - P0) zu bilden; die Verstärker 35 und 36 geben also
2
Analogsignale ab, die zu Λ C^ bzw.Λ C^ · proportional sind. Man regelt jeweils mit Hilfe der Potentiometer 37 und 38 die von den Additionsverstärkern 35 und 36 abgegebenen Signale, um dem tatsächlichen Volumen der Rohrleitungen Rechnung zu tragen, das offensichtlich je nach den Anwendungsbedingungen variieren kann. Die Gleichstromverstärker
Analogsignale ab, die zu Λ C^ bzw.Λ C^ · proportional sind. Man regelt jeweils mit Hilfe der Potentiometer 37 und 38 die von den Additionsverstärkern 35 und 36 abgegebenen Signale, um dem tatsächlichen Volumen der Rohrleitungen Rechnung zu tragen, das offensichtlich je nach den Anwendungsbedingungen variieren kann. Die Gleichstromverstärker
ρ und 40 empfangen also jeweils Analogsignale, die ΔC^ und
Λ entsprechen und von 37 und 38 stammen, und Analog-
ΙΙΏ2Χ *~)
signale, die VT und V-1 entsprechen und von 28 und 26 stammen.
Sie korrigieren die Volumina und liefern korrigierte Volumensignale VT - Δ C? und V^11111 - 4Ct1111n. Auf die Verstärker 39 und
40 folgen jeweils die Ausgangsverstärker 41 und 42; die
Anzeige kann mit Hilfe irgendwelcher geeigneter Vorrichtungen vorgenommen werden, sei es durch analoge Anzeigegeräte, wie
z.B. geeichte bzw. mit einer Gradteilung versehene Galvanometer 43 und 44 oder durch numerische Anzeigegeräte, wie z.B.
Mxiröhren.
Es sei darauf hingewiesen, daß im Blockdiagramm der Figur der Einfachheit halber nur die Korrektur ΛC dargestellt
wurde, da in der Mehrzahl der Fälle die Korrektur 4p im
Vergleich zu /^C vernachlässigbar ist.
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-Vt-
Erfindungsgemäß können die oben "beschriebenen Vorrichtungen
nicht nur für Beatmungsgeräte, sondern insbesondere auch auf andere Geräte angewendet werden, die
einen Gasdurchsatz erzeugen und bei denen es wünschenswert ist, den Effekt der Druckabnahme in den Rohrleitungen zu kompensieren.
einen Gasdurchsatz erzeugen und bei denen es wünschenswert ist, den Effekt der Druckabnahme in den Rohrleitungen zu kompensieren.
Die Erfindung schafft also ein auf das Atmungs-Rohrleitungssystem eines Patienten verzweigtes Atmungsmeßgerät, das
einen im Ausatmungszweig angeordneten System-Durchsatzmeßwertgeber
umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die von einem im Rohrleitungssystem angeordneten Druck-Meßwertgeber
abgegebenen Signale und die vom Durchsatz-Meßwertgeber abgegebenen Signale einer Rechen- und Meß-Gruppe
zugeführt werden, die die Durchsatzsignale integriert, und diese . " in Abhängigkeit von den Druckänderungen und/oder
den Fehlern," . die von dem in dem Rohrleitungssystem enthaltenen Gas herrühren, korrigiert.
Ϊ09842/0602 -Patentanspruch«-
Claims (1)
- Pat ent ansprücheAtmungsmeßgerät, das mit dem Atmungs-Rohrleitungssystem eines Patienten verbunden ist und einen im Ausatmungszweig angeordneten System-Durchsatz-Meßwertgeber umfaßt, wobei die von einem in dem Rohrleitungssystem angeordneten Druck-Meßwertgeber abgegebenen und die vom Durchsatz-Meßwertgeber abgegebenen Signale einer Rechen- und Meß-Einheit zugeführt werden, die die Durchsatzsignale integriert und in Abhängigkeit von den Druckveränderungen korrigiert, dadurch gekennzeichnet , daß dem Druck-Meßwertgeber zwei parallele den maximalen Druck und den minimalen Druck aufnehmende bzw. messende Schaltkreise und eine erste Subtraktions-Vorrichtung nachgeschaltet sind, die ein zur Differenz der Extremaldrücke proportionales Analogsignal abgibt.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß eine zweite Subtraktionsvorrichtung von dem im Integrator für das Durchsatζsignal erhaltenen Analogsignal für das Volumen das der Differenz der Extremal drücke proportionale Analog; signal abzieht und aufdiese Weise die Messung in Abhängigkeit von dem überschüssigen Gasvolumen korrigiert, das der Volumendifferenz des in den Rohrleitungen bei den Extremaldrücken enthaltenen Gas/entspricht, wenn dieses Gas auf den Atmosphärendruck zurückgeführt wird.Anordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ eichnet , daß die erste Subtraktionsvorrichtung von einem auf die erste der parallelen Schaltungen folgenden Inverter und einem Addierer gebildet wird, bei dem die beiden Schaltungen zusammengeführt sind.709842/0602ORIGINAL INSPKTED4-, Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß zwischen die Subtraktionsvorrichtungen eine Potentiometeranordnung eingeschaltet ist, die eine Regelung bzw. Justierung des Druckdifferenz-Signals ermöglicht, so daß dieses zum Volumen der verwendeten Rohrleitungen proportional gemacht werden kann.5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Integratoren, von denen der eine über eine vorgegebene Zeitdauer und der andere über einen Atmungszyklus ninweg integriert, zueinander parallel angeordnet sind, daß der letztere der beiden Integratoren von einem Detektor auf Full zurückgesetzt wird, der das vom Durchsatz-Meßwertgeber abgegebene Signal empfängt, daß auf die beiden Integratoren zwei zweite Subtraktoren folgen, die das Signal der Änderung des Gasvolumens des Rohrleitungssystems empfangen, und daß dieses Signal für den das Volumenmaß für eine vorgegebene Zeitdauer abgebenden Schaltkreis vorher durch einen Multiplikator hindurchgeht, der das Differenzsignal der Ebcfcremaldrücke mit der Zahl der Zyklen während dieser vorgegebenen Zeitdauer multipliziert.6. Vorrichtung nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet , daß die Zahl der Zyklen während der vorgegebenen Zeitdauer von einer Zählvorrichtung für die von dem Detektor abgegebenen, zur Rückstellung auf ITuIl dienenden Impulse abgegeben wird.7· Anwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Gerät zur künstlichen Beatmung.709842/0602
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