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Verfahren und Gerät zur Lungendiagnostik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lungendiagnostik,
insbesondere zur Diagnostik des Lungenemphysems, und auf ein Gerät zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Aus dem Artikel "Schnelle Gasanalyse von 02 und C02 in der Atemluft"
von U.Smidt, abgedruckt in "Electromedica" 4/74, ist es bekannt, zum Zwecke der
Lungenfunktionsdiagnostik den Konzentrationsverlauf von Atemgaskomponenten während
des Atemzuges zu verfolgen. Solche Konzentrationsverläufe liefern Aussagen über
Verteilungsstörungen im Atemwegsystem im weitesten Sinne, d.h.
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über Inhomogenitäten des Belüftungs-Volumen-Verhältnisses, der Durchblutungsverteilung,
des Belüftungs-Durchblutungs-Verhältnisses, der Verteilung der Diffusionseigenschaften,
des Belüftungs-Diffusions-Verhältnisses und des Durchblutungs-Diffusions-Verhältnisses.
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Bei solchen Untersuchungen wurden Atemgaskonzentra-
tionskurven
bisher zeitabhängig aufgezeichnet und anschließend durch Interpretation des zeitlichen
Verlaufs der Konzentrationskurven diagnostische Folgerungen gezogen. Außerdem wurden
die Gaskonzentrationskurven benutzt, um die 02-Aufnahme und C02-Abgabe pro Atemzug
oder pro Minute zu berechnen. Dazu ist es wichtig, die Meßpunkte der Gaskonzentrationen
phasensynchron mit der Atemstromkurve auszuwerten. Als gemeinsamer Bezugspunkt für
die Auswertung der Meßkurven wird im allgemeinen der Übergang von exspiratorischer
zu inspiratorischer Phase herangezogen, bei dem sich ein scharfer Knick im Signalverlauf
ergibt. Aus der Zeitschrift ~Pneumonologie1, 147, S. 245 bis 250 (1972) ist durch
den Aufsatz "Ein Computerprogramm für die Ergometrie" von U.Smidt und P.Finkenzeller
auch ein rechnergestütztes Verfahren zur phasenechten Auswertung von Lungenfunktionsmeßgrößen
bekannt, bei dem die simultan entstandenen Primärgrößen, die zeitlich verschoben
anfallen, durch Zwischenspeicherung synchronisiert werden. Allerdings wurde bisher
nicht die Form der gegen das Atemvolumen aufgetragenen Atemgaskonzentrationskurve
berechnet oder bewertet.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe vorliegender
Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zur Lungenfunktionsanalyse anzugeben, mit
denen in einfacher und sicherer Weise aus der Form der Atemgaskonzentrationskurve
bestimmte diagnostische Aussagen abgeleitet werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das in
der Kombination folgender Merkmale besteht:
a) gleichzeitige,fortlaufende
Erfassung der Konzentration einer Atemgaskomponente und des Atemvolumens oder Atemstroms
während aufeinanderfolgender Atemzüge, b) Speicherung von inspiratorischen und exspiratorischen
Atemvolumen- oder Atemstrom- und exspiratorischen Konzentrationsmeßwerten der Atemgaskomponente
über je einen Atemzyklus, c) Bestimmung der anfangs- bis endexspiratorischen Konzentrationsdifferenz
der Atemgaskomponente, d) Ermittlung eines Ausschnittes der exspiratorischen Atemvolumenkurve,
der einem definierten Konzentrationsausschnitt bezüglich der anfangs- bis endexspiratorischen
Konzentrationsdifferenz der Atemgaskomponente entspricht e) und Aufzeichnung dieses
Atemvolumenausschnittes als Funktion des vorausgehenden inspiratorischen Atemvolumens.
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Bei dem Gerät zur Durchführung des Verfahrens in Kombination der vorgenannten
Merkmale, das aus Atemrohr mit Atemstromrezeptor und einem mit dem Atemrohr verbundenen
Gasanalysator zur Messung der Atemgaskonzentration besteht, sind erfindungsgemäß
dem Gasanalysator gegebenenfalls Mittel zur Erfassung der Zeitverzögerung zwischen
Atemstromsignal und Gasanalysatorsignal und dem Atemrohr ein Meßwertspeicher zur
Speicherung von Atemvolumen- und Atemgaskonzentrationsmeß-Werten über einen Atemzyklus,
ein Kurvenausschnittsbildner sowie Mittel zur Darstellung des Kurvenausschnittes
als Funktion des vorausgehenden Atemzugvolumens zugeordnet.
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Beim Verfahren und Gerät nach der Erfindung werden in vorteilhafter
Weise die Auswerteschritte immer auf die Differenz zwischen anfangs- und endexspiratorischem
Partialdruck bezogen. Der absolute Wert dieser Partialdruckdifferenz spielt dabei
zunächst keine Rolle. Es ist beispielsweise gleichgültig, ob der endexspiratorische
Partialdruck hyperventilatorisch erniedrigt ist oder nicht. Auch Körperbelastungen
(z.B.
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bei ergometrischer Untersuchung und entsprechend gesteigerter Atmung)
bewirken keine Änderungen für die Bildung des Kurvenausschnitts.
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Mit der Erfindung ist insbesondere die Diagnostik des Lungenemphysems
möglich. Lungenemphyseme sind krankhafte Erweiterungen der Lungenbläschen, wie sie
z.B.
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im Verlauf der chronischen Bronchitis auftreten. Bei Patienten mit
einem Lungenemphysem ist bei der Exspiration der Anteil des Mischluftvolumens wesentlich
größer und nimmt mit steigendem Atemzugvolumen erheblich stärker zu als bei gesunden
Personen. Eingehende Untersuchungen mit unterschiedlicher Atemlage, Atemfrequenz
und Atemstromstärke haben nun gezeigt, daß diese Parameter einen sehr geringen Einfluß
auf das Mischluftvolumen haben; es wird daher als wesentliche Meßgröße nur der Einfluß
des Atemzugvolumens berücksichtigt. Für das Meßverfahren werden lediglich eine Anzahl
von Atemzyklen mit unterschiedlicher Atemzugtiefe benötigt, wobei vorzugsweise durch
geeignete Mittel die Atemzugtiefe automatisch von niedrigen Werten zu hohen Werten
gesteigert wird. Die Erfindung hat gezeigt, daß derartige Maßnahmen zum Erzielen
signifikanter diagnostischer Aussagen bezüglich eines Lungenemphysems geeignet sind.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird zur Bestimmung des
Ausschnittsbereiches des Atemvolumens ein Bereich der Atemgaskonzentration zwischen
25 % und 50 % der anfangs- bis endexspiratorischen Atemgaskonzentrationsdifferenz
herangezogen. Dabei ist es alternativ möglich, den Atemgaskonzentrationswert unter
Berücksichtigung einer Zeitverzögerung gegenüber dem Atemvolumen zu messen oder
diesen Wert direkt synchron mit dem Atemvolumen zu erfassen. Das Atemvolumen wird
zweckmäßigerweise durch Integration eines mit herkömmlichem Atemstromrezeptor gemessenen
Atemstromsignals erhalten. Insbesondere die letztere Alternative der synchronen
Messung von Atemgaskonzentration und Atemstrom führt zu besonders einfacher Ausgestaltung
eines Gerätes im erfinderischen Sinne, bei dem ein Gasanalysator und ein Atemstromrezeptor
am Atemrohr angeordnet sind. Dabei ist der Gasanalysator vorzugsweise ein nach dem
Infrarot-Absorptions-Prinzip arbeitender C02-Meßfühler, der unmittelbar am Atemstromrezeptor
im Atemrohr angeordnet werden kann und so praktisch verzögerungsfrei das Meßsignal
liefert. Genauso kann auch ein 02-Analysator benutzt werden. Atemgaskonzentrationswerte
und Atemstromwerte können dann im Chopper-Betrieb wechselweise erfaßt werden. Durch
Digitali- -sierung der Meßkurven und Eingabe in einen Rechner mit zugehörigem Speicher
können die so erfaßten Werte vorzugsweise direkt im erfindungsgemäßen Sinne verrechnet
werden und nach anschließender Umwandlung in Digital-Analog-Wandlern auf Zwei-Koordinatenschreibern
in geeigneter Darstellung als Funktion des gespeicherten vorangehenden inspiratorischen
Volumenwertes ausgegeben werden. Daneben können auch simultan die endexspiratorischen
C02-Meßwerte in gleicher funktionaler Darstellung ausgegeben werden. Durch Ermittlung
der Regressionsgerade für die Meßpunkte eines Patienten
und Angabe
der Steigung dieser Geraden kann auch unmittelbar ein signifikanter Wert für den
Grad des Emphysems angegeben werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung von Diagrammen
und der Figurenbeschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
im einzelnen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 den Verlauf der C02-Konzentration als Funktion des
Atemvolumens in x-y-Darstellung, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Meßsignale von
Atemgaskonzentration und Atemstrom in Diagrammdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, Fig. 3 ein Blockschaltbild eines besonders einfach ausgebildeten erfindungsgemäßen
Meßgerätes, bei dem Atemvolumenwert und Atemgaskonzentrationswert synchron anfallen
und Fig. 4 mit dem Gerät nach Fig. 2 erhaltene Meßergebnisse in Zwei-Koordinatendarstellungen,
die einen gesunden und einen emphysemkranken Patienten repräsentieren.
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In der Fig. 1 stellt der stark ausgezeichnete Kurvenzug den Verlauf
der C02-Konzentration als Funktion des Atemvolumens über eine Exspirationsphase
mit anschließender Inspirationsphase dar. Werden diese Meßwerte auf einem x-y-Schreiber
dargestellt, ergeben sich entsprechend der Atemzugtiefe und Atemfrequenz verschieden
große Schleifen. Die exspiratorische Atemgaskonzentrationskurve
läßt
sich in drei verschiedene Phasen aufteilen: In der Phase I wird noch Totraumluft
mit inspiratorischem Partialdruck gemessen, wogegen in der Phase II der C02-Partialdruck
steil ansteigt. Dieser Bereich wird Mischluftanteil genannt. In der Phase III ändern
sich die Partialdrucke dagegen nur noch wenig; dieser Bereich stellt das sogenannte
Alveolarplateau dar. Aus dem Verlauf der C02-Partialdruckkurve im Mischluftbereich
werden die diagnostischen Aussagen abgeleitet. Dazu werden die Differenz zwischen
End- (100 O/a) und Anfangskonzentration (im allgemeinen d O %) gebildet und aus
der Phase II eine definierte Partialdruckdifferenz herausgegriffen. Im allgemeinen
werden die Werte von 25 % und 50 % bezüglich der Partialdruckdifferenz als Grenzen
gewählt. Der zugehörige Mischluftvolumenanteil kann aus der Darstellung nach Fig.
1 unmittelbar abgelesen werden.
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Im oberen Diagramm der Fig. 2 sind Beispiele für den mittels eines
C02-Analysators gemessenen Konzentrationsverlauf im Atemgas als Zeitfunktion, im
unteren Diagramm der zugehörige Verlauf des Atemstroms dargestellt. Die Kurve entspricht
im wesentlichen dem Kurvenzug nach Fig. 2, wobei die der Exspirationsphase folgende
Inspirationsphase sich zeitlich anschließt.
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Mit 1 ist die Atemgaskonzentrationskurve einer gesunden Person bezeichnet.
Aus dem Mischluftanteil der Konzentrationskurve sind Werte von 25 % und 50 No der
anfangs- bis endexspiratorischen Partialdruckdifferenz (8 100 %) herausgegriffen.
überträgt man die Zeitpunkte, an denen diese Werte durchlaufen werden, auf das phasensynchron
aufgetragene Atemstromsignal, so läßt sich durch Integration der Atemstromkurve
über diesen angegebenen Bereich das interessierende Mischluftvolumen
bestimmen.
Die Atemstromkurve ist mit 2 bezeichnet, während die den Mischluftanteil repräsentierende
(schraffiert gezeichnete) Fläche der Atemstromkurve die Kennziffer 3 trägt.
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Mit 4 ist eine C02-Kurve bezeichnet, die deutliche Veränderungen gegenüber
Kurve 1 aufweist. Werden wiederum die Zeitpunkte der Konzentrationswerte von 25
O/o und 50 % auf die zugehörige Atemstromkurve übertragen und wird dann über diesen
Bereich integriert, erhält man den zugehörigen Mischluftanteil. Die den Mischluftanteil
repräsentierende (schraffiert gezeichnete) Fläche 6 ist erheblich größer als die
Fläche 3.
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In der Fig. 3 ist mit 10 ein Atemrohr bezeichnet. Dieses weist am
mundseitigen Ende ein Patientenmundstück 11 und am anderen Ende einen Atemstromrezeptor
12 auf.
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Mittels Druckmesser 13 wird vom Atemstromrezeptor 12 ein der Atemstromstärke
V proportionales Differenzdrucksignal abgenommen. Unmittelbar vor (oder hinter)
dem Atemstromrezeptor 12 ist nun ein C02-Gasanalysator 14 angeordnet. Dieser Gasanalysator
14 ist ein nach dem Infrarot-Absorptionsprinzip arbeitender Gasanalysator, der sich
durch vernachlässigbares Totraumvolumen und gute Meßstabilität auszeichnet. Ein
solcher Gasanalysator 14 kann unmittelbar im Atemstromweg angeordnet sein. Mittels
Multiplexer 15 kann im Chopper-Betrieb wechselweise das Atemstromsignal und Konzentrationsmeßwert
abgenommen werden. Dafür hat sich eine Abtastfrequenz von 50 Hz je Signal als geeignet
erwiesen. Uber einen Analog-Digital-Wandler 16 werden die Signale in eine Recheneinheit
17 eingegeben. Der Recheneinheit 17 ist ein digitaler Speicher, z.B. ein sog. RAM,
18, zugeordnet. Der Speicherumfang muß ausreichend zur Speicherung der Meßwerte
der Atemstrom-
kurve zweier Inspirationsphasen sowie einer Exspirationsphase
und der C02-Meßwerte einer Exspirationsphase sein. Geht man von einer minimalen
Atemfrequenz von 6 pro Minute, einer Abtastfrequenz von 50 Hz und 8 bit Auflösung
aus, ist ein Speicher mit 1 k byte Speicherkapazität ausreichend. Eine Eichung von
0,025 C02 = 1 bit und 0,01 l/s = 1 bit hat sich dabei als geeignet erwiesen.
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Im Speicher 18 werden die Atemgaskonzentrationswerte aus jeweils einer
Exspiration gespeichert und mittels Rechner 17 die anfangs- bis endexspiratorische
Atemgaskonzentrationsdifferenz ermittelt. Gleichzeitig sind die Atemstrommeßwerte
über die vorhergehende Inspirations- und gerade abgeschlossene Exspirationsphase
gespeichert worden. Bei externer Messung des Atemgaskonzentrationswertes würde zwischen
Atemstromkurve und Atemgaskonzentrationskurve eine Zeitverzögerung bestehen, die
durch geeignete Mittel erfaßt wird, wobei im Rechner die Meßwerte der Atemstromkurve
entsprechend zeitverschoben gespeichert werden können. Die Zeitverzögerung kann
vom Rechner 17 als Zeitdifferenz zwischen dem Nulldurchgang des Atemstromsignales
von der ex- zur inspiratorischen Seite und dem Übergang von steigenden zu fallenden
CO2-Konzentrationsmeßwerten ermittelt werden. Zur Kontrolle können das C02- und
das Atemvolumensignal über die Digital-Analog-Wandler 19 und 20 auf einen x-y-Schreiber
21 gegeben werden.
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Nach Bildung der 25 % und 50 %-Werte der Atemgaskonzentrationskurve
werden die analogen Zeitpunkte der Atemstromkurve ermittelt, die die Grenzen für
das Integrationsintervall darstellen. Nach Integration dieses Atemstrombereichs
wird dies Volumenintegral über einen
Digital-Analog-Wandler 19
ausgegeben. Das im vorausgehenden Inspirationsatemzug aufgenommene Inspirationsvolumen
wird ebenfalls über einen Digital-Analog-Wandler 20 als Analogwert ausgegeben. Beide
Werte werden auf die Koordinateneingänge eines Zwei#ordinatenschreibers 21 gegeben.
Auf dem Zwei-Koordinatenschreiber 21 werden diese Rechenwerte jedes Atemzuges als
einzelne Meßpunkte registriert. Für die Registrierung der Meßpunkte auf dem Zwei-Koordinatenschreiber
21 in x-y-Darstellung werden Atemzyklen mit hinreichend unterschiedlicher Atemzugtiefe
benötigt. Dabei läßt man im allgemeinen den Patienten nach Kommando mit konstanter
Frequenz immer tiefer atmen. In weiterer Ausgestaltung des Gerätes nach Fig. 3 wird
am Ende des Atemrohres 11 ein mit Atemluft oder Sauerstoff gefüllter Atembeutel
angeordnet. Bei freier Rückatmung in den Atembeutel wird durch den C02-Anstieg in
der Atemluft der Patient gezwungen, fortlaufend tiefer durchzuatmen.
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Es ergibt sich demzufolge automatisch ein von niedrigen zu hohen Werten
ansteigendes Atemzugvolumen.
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In anderer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels
wird statt des programmierbaren Rechners ein bereits vorprogrammierter Mikroprozessor
verwendet. Dabei kann es sich zur Reduzierung des Rechenaufwandes als vorteilhaft
erweisen, statt der Atemstromsignale bereits Atemvolumenmeßwerte zu speichern, so
daß die nachträgliche Integration im Mikroprozessor entfällt.
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In der Fig. 4 sind die Meßergebnisse dargestellt. Eine Folge von 20
Atemzügen ungleicher Tiefe ergibt im allgemeinen genügend Meßpunkte für eine diagnostische
Aussage. Durch die Meßpunkte im Diagramm sind hier bereits Regressionsgeraden gelegt
worden. Die Regressionsge-
rade 22 entspricht den von einer gesunden
Person aufgenommenen Meßwerten, die Regressionsgerade 23 denen von einer Person
mit hochgradigem Emphysem. Die Steigung der Geraden 22 und 23 ist ein unmittelbares
Maß für die Ausbildung des Emphysems. Durch geeignete Mittel im Rechner 17 können
daher auch sofort die Steigungen als Ergebnis bestimmt und ausgegeben werden. Gegebenenfalls
können so auch Untersuchungsbefunde im Rechner 17 klassifiziert und gespeichert
werden.
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Weitere diagnostische Aussagen können gemacht werden, wenn neben dem
Mischluftanteil zugleich der endexspiratorische C02-Wert als Funktion des Atemvolumens
dargestellt wird. Dazu kann in vorteilhafter Weise ein Zwei-Koordinatenschreiber
mit zwei y-Kanälen verwendet werden, wobei auf den zweiten Kanal der gespeicherte
maximale C02-Wert eines Atemzyklusses gegeben wird.