DE2938012A1

DE2938012A1 - Vorrichtung und verfahren zum kalibrieren von geraeten zur untersuchung der lungenfunktion

Info

Publication number: DE2938012A1
Application number: DE19792938012
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: JONES MEDICAL INSTRUMENT Co
Current assignee: JONES MEDICAL INSTRUMENT Co
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1980-04-10
Also published as: US4203316A; FR2437195A1; FR2437195B1; GB2032620A; GB2032620B

Description

Beschreibung

In den letzten Jahren hat man mehr und mehr die weite Verbreitung von Funktionsstörungen der Lunge festgestellt, was zu Massenuntersuchungen, Reihenuntersuchungen am Arbeitsplatz und zur Peststellung der Arbeitsfähigkeitsquote auf Bundesebene führte, sowie zu einem frühzeitigen Feststellen von charakteristischen Krankheitsmerkmalen bei einer Vielzahl von medizinischen .Gebieten.

In den US-PSen 3,086,515 und 3,589,190 sind Faltenbalggeräte zur Untersuchung der Lungenfunktion angegeben. Bei anderen Gerätearten sind Manometersysteme vorgesehen, bei denen ein umgekehrter Behälter in vertikaler Richtung beweglich gehaltert ist, während er teilweise in eine Flüssigkeit eintaucht. Ferner gibt es Geräte mit elektronischen Systemen, bei denen das Volumen und die Flußmengen elektronisch gemessen werden. Alle solche Systeme, welche herkömmlicher Weise zum Messen des Tiefatmungsvermögens (Forced Vital Capacity (FVC)) und von Flußmengenänderungen verwandt werden, welche durch die Volumina beim vollen Durchatmen (Forced Expiratory Volumes (FEV)) dargestellt werden, werden allgemein als Spirometer bezeichnet.

Obgleich sich die in den vorhergehenden Patentschriften angegebenen Spirometer sowie andere bekannte Spirometerkonstruktionen in Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit und Genauigkeit bewahrt haben, liegen jedoch verschiedene Unsicherheiten bzw. Mangel z.B. in Bezug auf ein mögliches Leck der Volumensammeieinrichtungen oder hinsichtlich möglicher Änderungen der Geschwindigkeit des Registriergerätes von einem Gerät zum nächsten vor. Einige der neueren elektronischen Spirometer sind als vorteilhaft herausgestellt worden, aber es steht wenig zur Verfügung, um ihre Genauig-

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keit zu messen und ihre Meßwerte mit den klassischen. Voraussage-Normen zu korrelieren.

Bei der Grunduntersuchung der Lungenfunktion muß eine Person bis zum Äußersten Luft einatmen und dann kraftvoll das gesamte, ausgedehnte Lungenvolumen so schnell wie möglich ( um Strömungshindernisse abzuschätzen) und so vollständig wie möglich (um Volumenbeschränkungen abzuschätzen) ausatmen. Da es die Wiederholbarkeit der Ergebnisse ist, die dazu dient, die Richtigkeit bzw. Gültigkeit zu beweisen, ist es von Bedeutung, daß das Untersuchungsgerät selbst in sich bzw. in seiner Arbeitsweise wiederholbar ist, um gleichzeitig Fluß- und Volumenwerte zu messen bzw. abzuleiten.

Vom Anmelder wurde kürzlich die Verwendung eines Großzylinders mit einem Kolben zum Zweck der Untersuchung der Arbeitsweise von Spirometern entwickelt und beschrieben, wobei der Kolben eine Zahnstange aufweist, welche von einem mit einem Getriebe versehenen Synchronmotor mit einer Leistung von 1/3 Ps angetrieben wird. Dieser Apparat ist so ausgebildet, daß ein genaues Gasvolumen mit gleichmäßiger Flußmenge abgegeben wird. Er benötigt sowohl viel Raum und ist teuer, Eigenschaften, die eine solche Kalibriereinrichtung zur Verwendung bei periodischen Überprüfungen (vorzugsweise täglich) von Spirometern beim Außeneinsatz ungeeignet machen. Obgleich die Forderung nach einer preiswerten, kompakten und leicht zu bedienenden Kalibriereinrichtung für Spirometer seit einer Anzahl von Jahren erkannt worden ist, sind bis heute keine Einrichtungen bekannt oder zur Verfügung gestellt worden, die diese Anforderungen erfüllen.

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Ein wesentlicher Gesichtspunkt dieser Erfindung liegt darin, daß eine einfache, preisgünstige Einrichtung zum täglichen Kalibrieren von Spirometern zur Verfügung gestellt wird, wodurch genau wiederholbare Zeit-Volumen und/oder Flußmenge-Volumenkurven oder Aufzeichnungen zum Auswerten von Volumen-Zeit-Flußmengen-Artifakten und zum Einstellen der Geschwindigkeit hergestellt werden können. Eine weitere Zielsetzung der Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, mit der schnell die Arbeitsweise eines Spirometers unter genau wiederholbaren Bedingungen überprüft werden kann, welche jene simulieren, die bei tatsächlichen Untersuchungen der Lungenfunktxon auftreten. Das heißt, das Prüfgas wird in das Spirometer während eines vorbestimmten, kurzen ZextIntervalls und mit einer im wesentlichen exponentiell abnehmenden Flußmenge eingegeben.

Eine weitere Zielsetzung dieser Erfindung besteht darin, ein System zu schaffen, welches eine Aufzeichnung liefert, die ohne weiteres auf BTPS-Bedingungen (Körpertemperatur, barometrischer Druck, Feuchtigkeitssättigung) korrigiert werden kann, auf denen vergleichbare Voraussagenormen basieren. In diesem Zusammenhang besteht eine besondere Zielsetzung darin, ein System vorzuschlagen, welches einen Wärmegenerator verwendet, um die Notwendigkeit von BTPS-Korrekturen und anderen Korrekturen zu vermeiden, welche bei Kalibrationsvorgängen auftreten.

Bei einer Ausführungsform weist die Einrichtung die Form einer kompakten Halteeinrichtung mit einem Patronenaufnahmeabschnitt und einem Hauptabschnitt auf. Der Patronenaufnahmeabschnitt ist so ausgebildet, daß er Druckgaspatronen

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aufnehmen kann, die äußerlich den Patronen ähnlich sind, die "bei Getränkeausgabeeinrichtungen verwendet werden. Der Hauptabschnitt ist mit einem Durchstoßelement versehen, um die Dichtung der Patrone zu durchstoßen, welche in dem Hohlraum des anderen Abschnittes gehalten ist. Das Durchstoßelement kann durch Handbetätigung einer Betätigungshandhabe oder eines Knopfes von der Bedienungsperson betätigt werden, um die Dichtung der Patrone zu durchstoßen. Wenn die Handhabe so betätigt wird, wird ein genaues Druckgasvolumen durch eine feste Düse des Hauptabschnittes mit im wesentlichen exponentiell abnehmender Flußmenge und während eines Intervalles abgegeben, welches in etwa den Zeitintervallen entspricht, welche bei der Untersuchung der Lungenfunktion auftreten. Das Gas wird von der Düse bzw. der öffnung in das Mundstück des Spirometers eingegeben, mit dem der Hauptabschnitt dicht gekoppelt ist.

Das Mundstück kann die Form der Einlaßröhre eines Trenngehäuses wie bei der Atmungstrenneinrichtung haben, die in der US-PS 3,512,521 beschrieben ist. Eine solche Trenneinrichtung umfaßt ein Gehäuse mit einem festen Gesamtvolumen, daß ein Paar von Kammern aufweist, welches durch eine undurchlässige Membran in der Form eines Sackes unterteilt ist, der in dem Gehäuse angeordnet und direkt mit dem Einlaß verbunden ist. Eine Ausdehnung des Sackes durch von einer durchbohrten Patrone ausströmendes Gas bewirkt, daß ein gleichgroßes Luftvolumen aus dem Auslaß des Gehäuses der Trenneinrichtung abgeführt wird. Dieser Auslaß steht in direkter Verbindung mit dem Spirometer, welches wiederum das Volumen und die Strömungsgeschwindigkeit der abgegebenen Luft mißt. Infolgedessen kommt das tatsächlich von dem Spiro-

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meter gemessene Gas (Luft) in seiner Zusammensetzung der ausgeatmeten Luft viel näher als das direkt von der durchstoßenen Patrone abgegebene Gas (üblicherweise Kohlendioxyd) ; die Strömungscharakteristik der Luft verläuft über den Querschnittsbereich des Einlaßrohres des Spirometers gleichförmiger als es der Fall wäre, wenn Druckgas direkt von einer durchstoßenen Patrone in dieses Rohr abgegeben würde. Die Temperatur des Gases (Luft), welches in das Spirometer eintritt, kann leichter festgestellt und gesteuert werden. Ein Heizelement kann in dem Gehäuse der Trenneinrichtung angeordnet werden, um die in ihm enthaltene Luft auf Körpertemperatur zu erwärmen, wodurch die Notwendigkeit von anschließenden BTPS-Korrekturen oder der Korrektur des Gastemperaturabfalls aufgrund der schnellen Ausdehnung des Druckgases ausgeschlossen werden, wobei letztere erheblich ist, wenn sich in einer Patrone befindendes Kohlendioxyd von seinem flüssigen Zustand her ausdehnt.

Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der unter Druck stehende Inhalt einer Wegwerfpatrone zuerst in eine Umwandlungs- bzw. Zwischenkammer gegeben, welche mit einem Überdruckventil ausgerüstet ist, das zur Steuerung des Höchstdrucks und damit des Volumens des Gases innerhalb dieser Kammer voreingestellt ist. Der Gasauslaßmechanismus hat die Form eines Ventils, welches dann in eine geöffneten Stellung bewegt v/erden kann, um das Druckgas aus der Umwandlungskammer in die ausdehnbare Kammer eines Spirometers oder in eine Atmungs-Trenneinrichtung strömen zu lassen, welche mit dem Mundstück eines Spirometers verbunden ist.

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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Behälter wieder verwandt v/erden, und wird vor jedem Kalibrationsvorgang der Vorrichtung mittels einer geeigneten Pumpe unter Druck gesetzt. Die offenbarte Ausführungsform weist ferner einen Druckmesser, ein Überdruckventil und ein Magnetventil für die richtige Betriebssteuerung des Systems auf. Wenn es erwünscht ist, können die hauptsächlichen Bauteile des Systems innerhalb des Spirometergehäuses untergebracht werden, so daß die Kalibrierungsvorrichtung stets ohne weiteres bereit ist, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Spirometers festzustellen bzw. zu überprüfen.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung wird ein genau gesteuertes Druckgasvolumen aus einem starren Behälter durch eine festgelegte öffnung bzw. Düse in die ausdehnbare Kammer eines Spirometers mit einer im wesentlichen exponentiell abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit bzw. Flußmenge eingebracht.

Durch die Erfindung v/erden also eine Einrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren von Geräten zur Untersuchung der Lungenfunktion geschaffen, wobei ein genaues Druckgasvolumen mit einer wiederholbaren und im wesentlichen exponentiell abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit durch eine Öffnung vorbestimmter Größe in ein solches Gerät eingebracht wird. Die Einrichtung umfaßt einen Behälter, der eine Kammer begrenzt, die ein vorbostimmtes Gasvolumen bei einem vorbestimmten Druck enthält, einem Gasauslaßkanal, der als eine Umwandlungsof]or Ausdehnungskammer dienen kann, die mit dem Behälter in Voz-bindung steht und für das Auscirömen des Gases eine

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stromungsbegrenzende, feste Öffnung vorgegebener Größe aufweist, und einen Mechanismus, durch den normalerweise das Austreten von Gas aus der Einrichtung verhindert wird, der jedoch wahlweise betätigbar ist, um Gas mit wiederholbarer und im xvesentlichen exponentiell abfallender Strömungsgeschwindigkeit durch die öffnung in ein Spirometer abzugeben, um dieses Gerät zu kalibrieren. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Trenngehäuse mit einem Paar von Kammern vorgesehen, von denen eine mit der Gasabgabe einrichtung und die andere mit dem übrigen Teil des Gerätes zur Untersuchung der Lungenfunktion verbunden ist. Die Kammern des Gehäuses sind voneinander durch eine flexible Abgrenzung getrennt, welche eine Vermischung der in den entsprechenden Kammern enthaltenen Gasmengen verhindert. Eines oder mehrere Heizelemente können auch vorgesehen sein, so daß die in das Gerät zur Untersuchung der Lungenfunktion abgegenene Luft auf Körpertemperatur erwärmt wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und Zielsetzungen der Erfindung werden aus den Zeichnungen und der ins Einzelne gehenden Beschreibung offensichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Kalibrieren eines Spirometers gemäß einer Ausgestaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen senkrechten Längsschnitt der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung zusammen mit einem mit unterbrochenen Linien dargestellten Mundstück eines Spirometers gezeigt ist,

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Fig. 2A eine Teildarstellung im Längsschnitt der Vorrichtung mit einer abgeänderten Filteranordnung,

Fig. 3 eine waagerechte, Längsschnitt-Teildarstellung der Vorrichtung,

Fig. 4- eine Seitenansicht im vergrößerten Maßstab des Patronendurchstoßelementes der Einrichtung,

Fig. 5 eine Endansicht im größeren Maßstab längs der Linie 5-5» gemäß Fig. 4-,

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung im größeren Maßstab längs der Linie 6-6, gemäß Fig. 4-,

Fig. 7 die Kalibrierungsvorrichtung zusammen mit einer Gastrenneinrichtung und einem Spirometer,

Fig. 8 eine typische Volumen/Zeit-Kurve, die mit einem Spirometer erhalten wurde, welches mit der Kaiibrierungsvorrichtung nach der Erfindung gekoppelt ist,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer Kalibrierungsvorrichtung für ein Spirometer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 ein senkrechter Längsschnitt der zweiten Ausführung s f ο rm,

Fig. 11 eine Seitenansicht eines Spirometers, welches mit einer Kalibrierungsvorrichtung für dieses Gerät

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ausgerüstet ist, die eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung darstellt,

Fig. 12 eine perspektivische Teilansicht des Inneren des Spirometergehäuses und insbesondere der Kalibrierungsvorrichtüng für das Gerät, und

Pig. 13 ein Diagramm der Fluidströmung und der elektrischen Schaltkreise der in den Fig. 11 und dargestellten Geräte.

Es wird nun auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Mit ist allgemein eine Kalibrierungsvorrichtüng bezeichnet, welche in der Form eines Einsatzteils mit einem Hauptteil 11 und einem Patronenaufnähmeteil 12 ausgebildet ist. Der zylinderförmige Hauptteil weist eine sich axial erstreckende Expansionskammer oder Durchführung 13 auf, welche sich von dem mit einem Außengewinde versehenen rückwärtigen Abschnitt 14 bis zu dem ausgesparten Vorderoder Nasenabschnitt 15 erstreckt. Wie es am besten in Fig. 2 zu erkennen ist, ist eine Düse 16 mit einer festen öffnung 17 in der Ausnehmung 18 des Nasenabschnitts befestigt. Die Düse weist einen mit einem Gewinde versehenen Hals 16a auf, der von dem vorderen Ende der Expansionskammer oder Durchführung 13 aufgenommen wird. Ein Filterelement 19» welches aus gesintertem Metall oder einem anderen, festen, porösen Material besteht, welches dem kraftvollen Gasaustritt bei niederen Temperaturen widerstehen kann, ist an dem vorderen Ende der Expansionskammer unmittelbar vor der Düse 16 angeordnet.

Das Patronenaufnähmeteil 12 weist auch eine allgemein zylinderförmige Form auf und begrenzt eine Kammer oder

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einen Raum 20 zur Aufnahme einer Druckgaspatrone 21. Die Endviand 22 schließt das rückwärtige Ende des Raumes 20 ab und drückt gegen das rückwärtige Ende der Patrone, um diese Patrone in der gezeigten Arbeitsstellung zu halten. Der innere, mit Gewinde versehene Halsabschnitt 23 des Patronenaufnahmeteils 12 steht mit dem Abschnitt 17 des Hauptteils in abdichtendem Eingriff, so daß das von der Patrone 21 ausströmende Gas in die Expansionskammer oder in den Durchlaß 13 gelangen muß, wenn die Teile in der gezeigten Weise zusammengesetzt sind.

Die gezeigte Patrone 21 entspricht einer üblichen Kohlenstoffdioxyd-Patrone mit Ausnahme vielleicht hinsichtlich der genauen Füllmenge oder des Füllgewichtes. Es wird darauf hingewiesen, daß die Patrone auch die Form irgendeiner festen Kammer aufweisen kann, welche wiederholt durch irgendein Mittel gefüllt werden kann, wie ein Kompressor oder eine Druckgasleitung in einem Krankenhaus, welche eine Vielzahl von Gas-Druck-Volumen-Wellenformen liefert. Es wurde ausgeführt, daß der Inhalt der Patrone ein Druckgas ist. Jedoch ist darauf hinzuweisen, daß eine solche Komprimierung bzw. ein solcher Druck normalerweise bis zu dem Punkt durchgeführt wird, an dem sich der Inhalt der Patrone in flüssiger Form befindet. Dort wo flüssiges Kohlenstoffdioxyd verwendet wird, wurden wirkungsvolle Ergebnisse dann erzielt, wenn der Gewichtsinhalt innerhalb des Bereiches von 9 bis 14 g lag. Welches besondere Gewicht innerhalb dieses Bereiches auch immer ausgewählt wird, so sollte die Abweichung bzw. Streuung 1,0% nicht überschreiten. Besonders gute Ergebnisse wurden mit Patronen erzielt, welche mit 11,5 g flüssigem Kohlen-

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stoffdioxyd gefüllt waren, wobei eine maximale Streuung oberhalb oder unterhalb dieses Gewichtes nicht über 0,05 g lag. Obgleich die Auffassung vertreten wird, daß Kohlenstoffdioxyd eine besonders wirkungsvolle Füllung für solche Patronen darstellt, ist es offensichtlich, daß andere komprimierte Gase, entweder in gasförmiger oder flüssiger Form verwendet werden können.

Die Patrone 21 weist einen schräg verlaufenden Hals 24 auf, der mit einer durchstoßbaren Membran oder einem Stöpsel 25 endet und in axialer Ausrichtung zu der Expansionskammer oder der Durchführung 13 angeordnet ist. Eine Gasfreigebeeinrichtung in der Form eines hin- und herbewegbaren Durchstoßdorns 26 ist innerhalb der Kammer 13 angeordnet, wobei der Dorn einen vergrößerten Kolbenabschnitt 26a und einen verringerten Dornabschnitt 26b aufweist. Der Kolbenabschnitt 26a kann zylinderförmig ausgebildet sein, wie es angedeutet ist, oder er kann, wenn dieses erwünscht ist, einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen. In beiden Fällen muß ein ausreichender Freiraum an der Außenfläche der Expansionskammer 13 vorhanden sein, damit Gas (oder verdampfte Flüssigkeit) nach vorne um den Kolben herum fließen kann, wenn die Abdichtung der Patrone 21 aufgebrochen ist.

Der Dornabschnitt 26b ist mit einer zugespitzten Spitze ausgebildet, Vielehe durch eine Vielzahl von ebenen,aufeinander zulaufende Flächen 28 begrenzt ist (Fig. 5)· Während vier solcher Flächen dargestellt sind, kann eine größere oder kleinere Anzahl vorgesehen sein, wenn es erwünscht ist. Längs der Spitze 26b sind Längskanäle 29

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ausgebildet, damit Kohlenstoffdioxyd austreten kann, sobald die Spitze des Domes die Abdichtung 25 durchbohrt. Die Kanäle oder Nuten 29 sind gerade verlaufend dargestellt. Jedoch können sie sich, wenn es erwünscht ist, schraubenförmig um die Spitze herum erstrecken, um für das Austreten des Druckgases aus der Patrone 21 einen gesteuerten Widerstand zu schaffen. Der Durchstoßdorn 26 ist in Fig. 2 in seinerzurückgezogenen Stellung dargestellt. Er kann sich soweit erstrecken, daß die Abdichtung der Kapsel durchstoßen wird, wenn der Knopf oder die Handhabe 30 der Betätigungseinrichtung 31 gedreht wird. Die Betätigungseinrichtung weist auch eine Achse 32 auf, welche in einer Querbohrung 33 des Hauptteils 11 drehbar gelagert ist und darin mittels eines O-Ringes 34- zurückgehalten wird (Fig. 3)· Die Achse ist mit einem Nockenabschnitt 35 ausgebildet, der in der Expansionskammer angeordnet ist und mit der Vorderseite des Kolbens 26a in Eingriff bringbar ist, um den Kolben nach hinten, in seine ausgefahrene Stellung zu bewegen, wenn der Knopf 30 gedreht wird. Eine Schraubendruckfeder 36, die zwischen der Rückseite des Kolbenabschnittes 26a und einer inneren Schulter 27 angeordnet ist, die am Eingang der Expansionskammer ausgebildet ist, drückt den Dorn 26 nach vorne in seine zurückgezogene Lage, sobald der Nocken 35 außer Eingriff mit dem Kolbenabschnitt 26a gedreht worden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Nocken 35 als eine dreiecksförmige Nase ausgebildet, die sich radial von der Achse 32 erstreckt, so daß sich der Durchstoßdorn nur während eines kleinen Abschnittes der Winkeldrehung des Nockens in seiner voll ausgefahrenen Lage befindet.

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Ein elastischer Ring 38 erstreckt sich um den mittleren Abschnitt des Hauptteils 11, um eine hermetische Abdichtung gegenüber dem Mundstück 39 zu schaffen. Der Hing kann aus Gummi oder einem anderen elastischen Material bestehen und gegenüber einer rückwärtigen Verschiebung längs des Hauptteils 11 mittels einer Schulter 40 festgelegt werden. Die feste öffnung 17 der Düse 16 ist so groß gewählt, daß der unter Druck stehende Inhalt der Einrichtung in das Spirometer während eines Zeitintervalls abgegeben wird, das nicht langer als 5 Sek. ist. Das bevorzugte Zeitintervall liegt bei ungefähr 3 Sek., was im allgemeinen mit dem Zeitintervall bei einer Untersuchung mit kraftvollem Ausatmen(FEV) übereinstimmt, bei der eine Person maximal Luft einatmet und diese dann kraftvoll aus dem gesamten ausdehnbaren Lungenvolumen so schnell und vollständig wie möglich ausatmet. Wenn eine Patrone 21 mit einer ausreichenden Menge an flüssigem Kohlendioxyd gefüllt ist, um ungefähr 5 1 Gas bei Normaltemperatur und Normaldruck zu erzeugen, kann ein Öffnungsdurchmesser zwischen 0,13 mm und 5»1 mm verwendet werden, wobei der bevorzugte Durchmesser bei ungefährΌ,25 mm liegt.

In Fig. 8 ist eine exponentielle Volumen/Zeitkurve von der Art dargestellt, wie sie von einem Spirometer aufgezeichnet wurde, welches erfindungsgemäß überprüft bzw. untersucht worden ist. Eine solche Kurve ist der Volumen/Zeitkurve ähnlich, die sich ergibt, wenn das Spirometer verwendet wird, um bei einer Person das Ausatmungsvolumen beim kraftvollen Ausatmen (FEV) und das Tiefatmungsvermögen (FVC) zu untersuchen. Die hier

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anzuwendende Gleichung lautet:

VOL_t = FVC(l-e"^t/k)

worin FVC das Tiefatmungsvermögen, t die Zeit in Sekunden, k eine Zeitkonstante in Sekunden, die mit der Größe der öffnung in inverser Beziehung steht, und VOL. das Volumen in Litern zu einer gegebenen Zeit bedeuten.

Die Strömungsgeschv/indigkeit in Litern pro Sekunde läßt sich wie folgt darstellen:

FLOW = FVC -t/k
k

Die maximale Strömungsgeschwindigkeit in Litern pro Sekunde (PEFR) läßt sich ausdrucken als:

PEFR = FVC
k

Es wird darauf hingewiesen, daß, wenn ein Spirometer mit der hier offenbarten Kaiibrierungsvorrichtung überprüft wird, der FVC-Wert das Volumen in Litern des in das Spirometer abgegebenen Gases bedeutet. In der folgenden Tabelle sind zur Erläuterung Beispiele der verschiedenen Werte angegeben, die bei einer Änderung der Größe der öffnung erhalten werden, um verschiedene Zeitkonstanten zu erhalten. Die entsprechenden Kurven A, B und C sind in Fig. 8 dargestellt, wobei eine konstante Druck-Volumen-Quelle von 5 Litern (FVC) verwendet wurde:

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FVC k FEV 1% PEFR

5.	O	0.	4	91.	8%	12.	5
⁵·	0	1.	0	63.	2%	5.	0
5.	O	2.	4	34.	1%	2.	08

Mit einem öffnungsdurchmesser von ungefähr 0,25 nun erhält man eine Zeitkonstante von 1,0, wobei eine maximale Strömungsgeschwindigkeit (PEFR) von 5»O Litern pro Sekunde und eine Abgabe von 63,2% des Gesamtvolumens in das Spirometer während der ersten Sekunde des Ausströmens erhält. Diese Strömungsund Volumen-Eigenschaften werden durch die Kurven in Pig. 8 dargestellt, der auch zu entnehmen ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit stark (exponentiell) während der Untersuchung bzw. Überprüfung abfällt.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich somit ohne weiteres, daß diese Vorrichtung ein einfaches und preisgünstiges Mittel zur täglichen Kalibrierung von Spirometern liefert, wobei genau wiederholbare Zeit/Volumen (oder Strömungsgeschwindigkeit/Volumenkurven)und auch Informationen erhalten werden, die für das Einstellen der Geschwindigkeit und für BTPS-Korrekturen nützlich sind. Ein Benutzer kann deshalb gültige Vergleiche zwischen Kurvendarstellungen vornehmen, die für einen Patienten zu verschiedenen Zeiten mit dem gleichen oder einem unterschiedlichen Spirometer aufgezeichnet worden sind. Eine solche Kalibrierung gestattet nicht nur eine gültige Vergleichsanalyse,von Untersuchungen mit einem SpiiOmeter, sondern wie vorhergehend erwähnt, erhält der Arzt oder eine andere Bedienungsperson

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eine Grundlage, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit seines Spirometergerätes zu überprüfen.

Das in Fig. 2 dargestellte Filterelement 19 weist eine zylinderförmige Ausgestaltung auf und dient lediglich als Filter, um zu verhindern, daß Eiskristalle und ander.e Teilchen eintreten und möglicherweise die öffnung 17 sperren. In manchen Fällen jedoch, in denen ein Spirometer zum Ableiten von anormalen Lungenfunktions-Eigenschaft en (bei denen eine nichtlineare, exponentielle Wellenform "beobachtet werden würde) kalibriert werden soll, kann das Filter die Form eines Bechers 119 aus einem porösen, gesintertem Metall aufweisen, wie es in Fig. 2A dargestellt ist. Der Becher ist mittels eines Gewindes an der Düse 116 befestigt, die eine feste öffnung 117 aufweist. Ein Stößel in der Form einer Kugel 150 ist normalerweise innerhalb des Becherhohlraumes durch eine Druckfeder 151 festgesetzt. Wenn Gas in die Kammer oder die Durchführung 13 von einer geeigneten Druckgaspatrone 21 eingegeben wird, drückt die anfängliche Flußkraft die Kugel aus ihrem Sitz und bewegt sie in Richtung auf die öffnung 117 zu und verringert die Oberfläche des Filters, durch die das Gas hindurchgehen muß, wenn es zu der öffnung strömt. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt, wirkt die Feder so, daß die Kugel in ihre Sitzstellung zurückgedrückt wird, wie es dargestellt ist, wodurch die wirkungsvolle Filterfläche vergrößert wird. Das becherförmige Filter und der federbelastete Stößel (Kugel) schaffen somit ein veränderbares Gaseintreten in die öffnung 117» das in umgekehrter Beziehung zu dem exponentiell erzeugten Druck steht.

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In Fig. 7 ist die Vorrichtung 10 zusammen mit einem Spirometer S dargestellt wobei das Spirometer mit einer solchen Atemtrenneinrichtung 42 ausgerüstet ist, wie sie näher in der US-PS 3,512,521 dargestellt und erläutert ist, und deren Inhalt unter Bezugnahme auf diesen hiermit offenbarungsmäßig eingeschlossen wird. Die Trenneinrichtung weist ein Gehäuse 43 mit einem Einlaß in der Form eines Mundstückes 44 und einen Auslaß 45 auf, der zu dem Spirometer führt. Die Kalibrierungsvorrichtung 10 ist mit dem Mundstück 44 in der gleichen Weise gekoppelt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Innerhalb des Gehäuses 43 befindet sich ein ausdehnbarer Sack oder eine Membrane 46, Vielehe in Strömungsverbindung mit dem Mundstück 44 steht und das Innere des Gehäuses wirkungsvoll in zwei Kammern unterteilt, wobei eine Kammer durch das Innere des Sackes 46 und die andere durch den Raum innerhalb des Gehäuses jedoch außerhalb des Sackes gebildet wird. Da das Gehäuse mit Ausnahme des Einlasses 44 und des Auslasses 45 abgedichtet ist, ergibt eine kraftvolle Ausdehnung des Sackes 46 aufgrund des von der Patrone 21 abgegebenen, sich ausdehnenden Gases eine Verschiebung des im wesentlichen gleichen Volumens an Luft durch den Auslaß 45 in das Spirometer S. Jedoch hat durch das Dazwischenschalt en der Trenneinrichtung 42 zwischen der Vorrichtung 10 und dem Spirometer S das in das Spirometer abgegebene Gas eine Zusammensetzung und eine Viskosität, die der normalerweise von einem Patienten ausgeatmeten Luft nahekommt. Ferner ist die Luftströmung durch den Auslaß 45 hindurch und in das Spirometer über den gesamten Querschnittsbereich der Strömungsdurchgänge gleichmäßiger als es der Fall wäre, wenn auf die Trenneinrichtung 42 ver-

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ziehtet würde und die Vorrichtung 10 direkt mit dem Spirometer S (wie in Fig. 2) gekoppelt wäre.

Während in Fig. 7 dargestellt ist, daß die Vorrichtung 10 mit dem Inneren des Sackes 46 und das Spirometer S mit dem Bereich innerhalb des Gehäuses jedoch außerhalb des Sackes in Verbindung steht, können die beiden ausgetauscht werden, so daß das Spirometer mit dem Inneren des Sackes verbunden ist. Eine solche umgekehrte Anordnung ermöglicht, den Sack mit irgendeinem ausgewähltem Gas oder Gasen im voraus zu füllen, welches einen Feuchtegehalt, eine Zusammensetzung und andere Parameter aufweist, die so eingestellt sind, daß sie den Betriebseigenschaften des besonderen Spirometers angepaßt sind, welches überprüft v/erden soll.

Das Gehäuse oder der Behälter 43 können mit einer Heizeinrichtung 47 ausgerüstet sein, wie z.B. ein herkömmlicher, über einen Thermostat gesteuerter Kristall-Wärmegenerator oder "Kristallofen",um die Luft innerhalb des Gehäuses auf ungefähr 37 C zu erwärmen. Wird eine solche Heizeinrichtung verwendet, so wird die Notwendigkeit von BTPS-Korrekturen aufgehoben, da die von dem Behälter in das Spirometer bewegte Luft Körpertemperatur aufweist und sich bei barometrischem Druck befindet, und Unterschiede hinsichtlich des Feuchtigkeitsgehaltes von untergeordneter Bedeutung sind.

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Es wird auf die Figur 9 und 10 Bezug genommen. Die dort dargestellte Kalibrierungsvorrichtung 50 stimmt mit der bereits beschriebenen Vorrichtung mit der Ausnahme überein, daß das Hauptteil 51 als ein Behälter verwendet wird, um das sich unter Druck befindende Gas innerhalb der Einrichtung zu halten, bis mit einem KaiibrierungsVorgang begonnen wird. Wie bereits oben beschrieben ist eine Druckgaspatrone 21 in einem Patronenaufnahmeteil 52 gehaltert, der an dem Hauptteil 51 angeschraubt ist. Jedoch ist der an dem Hauptteil befestigte Dorn hohl und weist eine solche Stellung auf, daß er die Dichtung der Patrone durchstößt, wenn die beiden Teile 51 und des Halters zusammengeschraubt werden. Deshalb, wenn die Teile so angeordnet sind, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, ist die Dichtung der Patrone bereits durchbrochen und der Inhalt der Patrone hat sich in die Kammer 51a ausgedehnt.

Man sieht, daß der Nasenabschnitt 5^ des Halters mit Stufen ausgebildet ist, um eine fluiddichte Abdichtung mit dem Mundstück eines Spirometers zu bilden; jedoch kann, wenn dieses erwünscht ist, der Nasenabschnitt die gleiche Ausgestaltung aufweisen und eine fluiddichte Abdichtung mit einem Mundstück in der gleichen V/eise bilden, wie es bei dem Nasenabschnitt 15 der vorhergehenden Ausführungsform der Fall ist. Eine Düse 33 weist eine feste öffnung 56 auf und ist in den Strömungsdurchlaß 54 des Nasenabschnittes eingeschraubt und erfüllt die gleiche Funktion wie die vorhergehend beschriebene Düse 16.

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Bei der abgewandelten Ausgestaltung ist die Gasfreigebeeinrichtung in der Form eines von Hand zu "bedienenden Ventils 58 ausgebildet, welches längs des Hauptteils zwischen dem Nasenabschnitt 54- und der Expansions-oder Umwandlungskammer 51a angeordnet. Das Ventilelement ist mit einem durchbohrten Stift 58a ausgebildet, der drehbar von einer Querbohrung 59 aufgenommen ist. Der Handgriff 58b kann zwischen der sich in Längsrichtung erstreckenden Lage, die in Figur 9 dargestellt ist und in der die öffnung des Domes mit der Strömungsdurchführung 57a ausgerichtet ist, um das Ventil zu öffnen,und einer sich in Querrichtung erstreckenden Lage verschoben werden, die in Fig.10 dargestellt ist und in der sich die öffnung des Domes quer erstreckt, um das Ventil zu schließen und dadurch das Ausströmen von Gas aus der Kammer 51a zu unterbinden.

Man sieht, daß das von der Patrone 21 in die Kammer 51a entweichende Gas durch ein Filterelement 60 hindurchgehen muß, welches die identische Zusammensetzung wie das vorhergehend beschriebene Filterelement 19 haben kann. Durch das Filter soll verhindert werden, daß Eiskristalle bzw. Eisteilchen durch die Kammer 51a hindurchgehen und in die öffnung 56 eintreten und möglicherweise diese sperren. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Hauptteil oder der Behälter 51 mit einem Überdruckventil 61 und einem Druckmesser 62 ausgebildet, welche beide stromabwärts des Filters 60 angeordnet und deshalb durch das Filter geschützt sind.

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Bei dem Ventil 61 handelt es sich um ein übliches Überdruckventil, welches so eingestellt ist, daß es sich bei irgendeinem Druck öffnet, der den vorbestimmten Druck für den Gasinhalt der Kammer 51a überschreitet. Beispielsweise kann das überdruckventil so eingestellt werden, daß es sich bei einem 21,1 at überschreitenden Druck öffnet, oder auf irgendeinen ausgewählten Druck innerhalb des Bereiches von ungefähr 4,2 bis 42,2 at. Welcher Höchstdruck auch immer für die Kammer 41a ausgewählt worden ist, so muß der Druck wesentlich kleiner als der Druck des Inhalts der Patrone 21 vor dem Aufbrechen der Patronenabdichtung sein und er muß auch kleiner sein als der Druck, der in der Kammer 51a (bei Abwesenheit des Überdruckventils 61) nach dem Aufbrechen dieser Dichtung vorliegen würde. Der speziell für die Kammer 51a ausgewählte Druck hängt auch von dem Volumen der Kammer ab, wobei jedoch auf alle Fälle der Zweck darin liegt, sicherzustellen, daß ein genaues Gasvolumen zum Ausströmen in ein Spirometer durch die öffnung 56 vorliegt.

Gute Ergebnisse wurden mit einer Einrichtung erzielt, welche eine Expansionskammer 51a von ungefähr 125 cnr aufweist, die mit einem überdruckventil 61, welches so eingestellt war, daß es sich bei einem Druck oberhalb von 28,1 at öffnet, und mit einer Düse ausgerüstet war, welche eine feste öffnung 56 von 1,8 mm aufweist; dabei ergab sich eine Vorrichtung, die ungefähr 5 1 Gas (wenn das Ventil 58 geöffnet ist) bei ITormaltemperatur und Normaldruck und mit einer im wesentlichen exponentiell abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit während eines Zeitintervalls von ungefähr 3 Sek. abgibt. Die speziellen

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Angaben der Zeiten, der Volumina und der Drucke dienen der Erläuterung, und es wird darauf hingewiesen, daß solche V/erte "beträchtlich verändert v/erden können und daß,welche praktischen Werte auch für irgendeine vorgegebene Vorrichtung ausgewählt werden, diese Vorrichtung dann genau wiederholbare Gasvolumina mit im wesentlichen exponentiell abnehmender Strömungsgeschwindigkeit in das zu kalibrierende Spirometer abgibt.

Der Druckmesser 62 soll im wesentliehen dazu dienen, eine visuelle Überprüfung des richtigen Betriebes der Einrichtung zu liefern und kann weggelassen werden, wenn eine solche Oberprüfung nicht erforderlich oder erwünscht ist. Da die Kammer 51a in Bezug auf das Volumen der Patrone 21 relativ groß ist (das Volumenverhältnis kann innerhalb des Bereiches von 6:1 bis 20:1 liegen) tritt bei der Gasexpansion in dieser Kammer eine wesentliche Abkühlung auf. Das Teil oder der Behälter 51 vrirkt als eine Wärmesenke, um die Kälte von dem gasförmigen Inhalt zu absorbieren, wenn die Wände des Hauptteils 51 aus Aluminium oder einem anderen temperaturabsorbierendeix Metall bestehen und wenn bei einem Arbeitseinsatz ein vorbestimmtes Zeitintervall (gewöhnlich innerhalb des Bereiches von 1 bis 4- Minuten) zwischen dem Durchstoßen der Patrone und dem öffnen des Ventiles 58 vorgesehen wird. Eine solche Zeitverzögerung kann wünschens\vert sein um jede Möglichkeit von Vereisung und einer Blockierung der öffnung 56 während eines Kalibrierungsvorganges auszuschließen.

Es wird davon ausgegangen, daß es offensichtlich ist, daß die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform angegebenen Gleichungen auch auf die Arbeitsweise der in den Figuren 9 und 10 dargestellten Ausführungsform

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angewendet werden können. Auch wenn "beide Vorrichtungen zur Verwendung mit Kohlenstoffdioxyd-Patronen geeignet sind, kann die Trenneinrichtung 42, die vorhergehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist, in vorteilhafter Weise mit der zweiten Ausführungsform verwandt werden.

Figuren 11 und 13 betreffen eine Kalibrierungsvorrichtung, bei der keine Wegwerf-Druckgaspatronen verwendet werden, sondern stattdessen ein wieder verwendbarer Behälter vorgesehen ist, der vor jedem Geräte-Kalibrierungsvorgang mittels einer geeigneten Pumpe unter Druck gesetzt wird. Mit der Bezugsziffer 70 ist allgemein ein Spirometer mit einem aufrechten Gehäuse 71 bezeichnet, in dem ein Paltenbalgen 72 untergebracht ist. Der Balgen weist eine feste Platte 73 und eine bewegbare Platte 7^ auf, wobei die bewegbare Platte von einem Paar von hochstehenden Armen 75 gehaltert wird, welche verschwenkbar an ihren unteren Enden abgestützt sind, wie es am besten in Fig. 12 zu sehen ist. Eine Atmungsröhre 76 steht mit der ausdehnbaren Kammer des Balgen 72 über die feste Platte 73 in Verbindung, und ein Arm 77 ist mit der bewegbaren Platte des Balgens verbunden, um ein geeignetes Registriergerät 78 während der Untersuchung der Lungenfunktion zu betreiben. Andere Arten von Registriergeräten wie elektronische Meß- und Aufzeichnungseinrichtungen können das dargestellte Gerät ersetzen.

Das bisher beschriebene Spirometer ist im einzelnen in der US-PS 3,086,515 beschrieben und erläutert. Eine weitere Beschreibung des Spirometers selbst ist infolgedessen hier nicht erforderlich. Es wird jedoch

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darauf hingewiesen, daß das Balgen-Spirometer lediglich als eine Art von Spirometer dargestellt ist, bei dem die Kalibrierungsvorrichtung oder das Kalibrierungsgerät nach der Erfindung verwendet werden kann, und daß andere Arten die ein herkömmliches von Flüssigkeit getragenes Behältersystem das dargestellte ersetzen kann.

Das Geräte-Kalibrierungssystem dieser Ausführungsform ist am besten in den Figuren 12 und 13 dargestellt. Dieses System umfaßt einen steifen Behälter 79 zur Aufnahme eines genauen Gasvolumens bei einem vorbestimmten erhöhten Druck, Leitungsabschnitte 80 und zur Zufuhr von sich unter Druck befindendem Gas von dem Behälter zu der ausdehnbaren Balgenkammer 72, ein Magnetventil 82, welches normalerweise geschlossen ist, um den ausgewählten Druck innerhalb des Behälters aufrecht zu erhalten, welches jedoch während eines Geräte-Kalibrierungsvorganges geöffnet wird, damit das sich unter Druck befindende Gas von dem Behälter zu dem Balgen fließen kann, und eine Pumpe 83» um damit ein sich unter Druck befindendes Gas (Luft) im Behälter zu erzeugen.

Die funktionale Beziehung der Teile wird durch die Figur 13 deutlich, der zu entnehmen ist, daß die durch einen elektrischen Motor 84 angetriebene Verdrängerpumpe 83 Umgebungsluft in den Einlaß 85 ansaugt und sie in den Leitungsabschnitt 86 pumpt. Ein Einwegventil 87 ist in der Leitung 86 angeordnet, um den Rückfluß des sich unter Druck befindenden Gases zu verhindern. Der maximale Druck der Luft in der Leitung

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wird durch ein Überdruckventil 88 gesteuert und eine Überprüfung der richtigen Arbeitsweise dieses Ventils sowie des Betriebes des Systems als ganzes ergibt sich durch einen Druckmesser 89· Da der Leitungsabschnitt 86 mit dem Leitungsabschnitt 80 über eine Verzweigungsverbindung 90 (Fig. 12) verbunden ist, ist der durch das Überdruckventil 88 gesteuerte und durch den Druckmesser 89 angezeigte maximale Druck derjenige Druck, der in dem Behälter 79 vorliegt, wenn das System in Betrieb ist und sich das Magnetventil 82 in seiner normalerweise geschlossenen Stellung befindet.

Um den Behälter 79 mit Luft eines vorbestimmten Druckes zu füllen, wird der Bedienungshebel 91 (Fig· 11 und 13) in die Stellung "Füllen" verschwenkt, um die Kontakte 92 und 93 zu schließen und den elektrischen Motor 84 mit Energie zu versorgen. Die Druckzunahme in dem Behälter 79 wird durch den Druckmesser 89 angezeigt. Wenn die Bewegung der Nadel aufhört, so zeigt dies an, daß der gewählte Druck zum Überprüfen erreicht worden ist. Die Bedienungsperson schaltet den Bedienungshebel 91 in die "Abgäbe"-Stellung wodurch die Kontakte 92 und 93 geöffnet werden, um den Betrieb der Pumpe zu unterbrechen, und die Kontakte 92 und 94- geschlossen werden, wodurch das Magnetventil erregt und in seine geöffnete Stellung übergeführt wird. Das sich unter Druck befindende Gas strömt von dem Behälter 79 und von den Leitungsabschnitten 80, 86 und 30 stromabwärts des Einwegventils 87 in die Leitung 81 und in die ausdehnbare Balgenkammer 72.

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Bevor eine solche Überprüfung durchgeführt wird, muß die Bedienungsperson natürlich den Durchlaß des Mundstückes 76 abdichten, so daß das sich unter Druck befindende Gas, welches in den Balgen durch den Leitungsabschnitt 81 einströmt, nicht, aus dem Balgen austritt. Jeder geeignete Verschluß, wie z.B. die Kappe 95 kann verwendet werden.

Ein Strömungsbegrenzer oder eine öffnung fester Größe ist in dem Strömungsweg zwischen dem Behälter 79 und dem Balgen angeordnet, wie z.B. der Begrenzer, welcher in Fig. 13 durch den verringerten Abschnitt 96 des Strömungsweges unmittelbar anschließend an dem Balgen dargestellt ist. Der Begrenzer steuert die Dauer und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in den Balgen, wobei die Größe der öffnung, das Behältervolumen und der maximale Druck so ausgewählt v/erden, daß in etwa die exponentielle Volumen/Zeit-Kurve erzeugt wird, wenn das Spirometer verwendet wird, um das Tiefatmungsverraögen (FEV) und das Atmungsvolumen beim vollen Durchamten (FVC) einer Person zu untersuchen. Die anzuwendenden Gleichungen wurden bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erörtert.

Die feste öffnung 96 sollte so dimensioniert sein, daß der Druckinhalt des Behälter 79 während eines Zeitintervalls freigegeben werden kann, welches nicht größer als ungefähr 5 Sek. ist. Das bevorzugte Zeitintervall liegt bei ungefähr 3 Sek., was allgemein mit dem Zeitintervall bei einer Untersuchung des Atmungs-

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Volumens "beim vollen Durchatmen (FEV) übereinstimmt, wenn eine Versuchsperson maximal Luft einatmet und anschließend das gesamte, ausdehnbare Lungenvolumen kraftvoll so schnell und vollständig als möglich ausatmet. Um solche Ergebnisse zu erzielen, ergibt es sich ohne weiteres, daß die Öffnungsgröße in Beziehung auf das feste Volumen des Behälters 79 und den in dem Behälter maximal erzeugten Druck betrachtet werden muß. Im allgemeinen können mit Behältern, die Volumina innerhalb des Bereiches von ungefähr 0,5 bis 2,05 Litern und einen maximalen Druck von nicht mehr als 10,6 at aufweisen, öffnungsdurchmesser innerhalb des allgemeinen Bereiches von 1,3 bis 5»1 mm verwendet werden. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einem System erzielt, bei dem der Behälter ein Volumen von 1,0 Litern, aufweist, bei dem in diesem Behälter ein maximaler Druck von 3»5 at erzeugt wird und der öffnungsdurchmesser ungefähr 4,3 mm beträgt.

Da der Kompressor oder die Pumpe 83 Drucke erheblich oberhalb des maximalen Druckes, der durch das Überdruckventil 88 zugelassen wird, erzeugen können, stellt das Überdruckventil das Steuerelement dar, um die Wiederholbarkeit oder Gleichmäßigkeit des Betriebes sicherzustellen. Jegliche überschüssige Luft, die auf irgendeine Weise durch den Kompressor 83 in das System gepumpt wird, strömt durch das überdruckventil 88 ab, bis der Druck den vorgewählten Wert annimmt. Während die Quelle für Druckluft als eine Pumpe oder Kompressor 83 dargestellt ist, welche innerhalb des Spirometergehäuses angeordnet ist, ist es auch möglich, daß eine solche Quelle eine Hochdruckpatrone

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von der Art sein kann, wie sie in Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß Figuren 1 Ms 10 dargestellt worden ist, oder andererseits kann ein entfernter Kompressor verwendet werden, der beispielsweise dazu dient, in Krankenhäusern, Kliniken und ähnlichem Druckluft oder anderes Gas in die Druckleitungen einzubringen.

Bei der Beschreibung einer jeden Ausführungsform nach der Erfindung wurde darauf Bezug genommen, daß eine öffnung einer festen oder vorbestimmten Größe vorgesehen ist} es wird darauf hingewiesen, daß eine solche öffnung lediglich während eines KalibrierungsVorganges eine feste oder eine konstante Größe aufweisen muß, und daß jemand, der ein Spirometer überprüft, es für wünschenswert hai ten kann aufeinanderfolgende Überprüfungen durchzuführen, wobei öffnungen verschiedener Größe verwendet werden, und damit verschiedene Zeitkonstanten erzeugt werden (siehe Beispiel Figur 8). Daher sollte eine Kalibrierungsvorrichtung oder ein Kalibrierungsgerät geeigneterveise so konstruiert sein, daß ein schneller Austausch der Düsen mit verschiedenen Öffnungsgrößen möglich ist, oder daß andererseits eine öffnung auf verschiedene, ausgewählte Größen eingestellt werden kann, so daß Überprüfungen bzw. Untersuchungen durchgeführt werden können, welche verschiedene Zeit/Volumen-Kurven ergeben. Jedoch würde während einer jeden Überprüfung die Öffnungsgröße fest bzw. unverändert bleiben und die Strömung würde mit einer exponentiell abnehmenden Geschwindigkeit während eines ausgewählten Intervalles abnehmen, welches normalerweise kleiner als 5 Sek. ist. welches jedoch bei gewissen Überprüfungen bzw. Untersuchungen bis zu 20 Sek. lang sein kann.

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Während vorhergehend erfindungsgemäße Ausführungsformen zur Erläuterung sehr ins einzelne gehend beschrieben worden sind, so ist es offensichtlich für den Durchschnitt sfachmann, daß viele dieser Einzelheiten abgeändert werden können, ohne von dem Gebiet und Umfang der Erfindung abzuweichen.

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Claims

PAT E N TA NV Ά LT EI A G'iUNECKER

H. KlNKELDEY

OR ING

W. STOCKMAIR

DR-ING - AeC (CALTEO4

K. SCHUMANN

DR RER NAT ■ DIPL-PMVS

P. H. JAKOB

DlPL-ING

G. BEZOLD

ORRERNAT OM.OEU

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

PH 14 152-46/L 20.Sept. 1979

Jones Medical Instrument Company

V/indsor Drive, Oak Brook, Illinois 60521, USA

Vorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren von
Geräten zur Untersuchung der Lungenfunktion

Pat ent ansprüche

1. Vorrichtung zum Kalibrieren von Geräten zur Untersuchung der Lungenfunktxon, gekennzeichnet durch einen Behälter (21;79) der eine Kammer zur Aufnahme eines vorgegebenen Gasvolumens bei einem vorbestimmten Druck begrenzt, durch Gasauslaßmittel (16;116;81), die mit dem Behälter in Verbindung stehen und eine strömungsbegrenzende öffnung (17>117;96) vorbestimmter Größe zum

TELEFON (OSU) 332065 TELEX Οβ-99 3βΟ TELEGRAMME MONAPAT TELtKOPIEHER

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: Οβ-9θ3βΟ TELEGRAMME

ORIGINAL INSPECTED

Abgeben des Gases aus dieser Kammer umfassen, und durch Mittel (25;58;82), durch die normalerweise das Ausströmen von Gas verhinderbar ist und die wahlweise betätigbar sind, um das Gas zum Ausströmen durch die strömungsbegrenzende öffnung (17;117;96) mit einer wiederholbaren und im wesentliehen exponentiell abfallenden Strömungsgeschwindigkeit in ein Spirometer (S) zu dessen Kalibrierung freizusetzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter eine Patrone (21) aufweist, die eine aufbrechbare Dichtung (25) hat und ein genau bestimmtes bzw. gemessenes unter Druck stehendes Gasvolumen enthält.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die wahlweise betätigbaren Mittel zum Freisetzen des Gases ein bewegbares Durchstoßelement (26b) umfassen, welches mit der Dichtung (25) der Patrone (21) in Berührung bringbar ist, um diese aufzubrechen.

4-. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß das Durchstoßelement (26b) mit äußeren und sich allgemein in Längsrichtung erstreckenden Kanälen (29) ausgebildet ist, durch die das Gas strömen kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter mit einer Druckgasquelle (21) in Verbindung bringbar ist, daß die Kammer eine Expansionskammer (51a) mit einem festen, vorbestimmten Volumen umfaßt, und das die Mittel zum Freisetzen des Gases durch die öffnung (56) ein Ventil (58) in dem Gasauslaß-

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mittel zwischen der Kammer (51a) und der öffnung (56) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Gasquelle als ein Teil der Vorrichtung vorgesehen ist und eine Patrone (21) mit festem Volumen aufweist, welche ein sich unter Druck befindendes Gas enthält, wobei die Patrone (21) mit einer aufbrechbaren Dichtung (25) ausgebildet ist, und daß ein hohles Durchstoßmitbei (53) an dem Behälter (51) vorgesehen ist, mit dem die Dichtung (25) der Patrone (21) aufbrechbar ist, um eine Strömungsverbindung zwischen dem Behälter (51) und der Patrone (21) herzustellen.

7- Vorrichtung nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet , daß die Quelle als ein Teil der Vorrichtung vorgesehen ist und einen Luftkompressor (83) umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß ein Überdruckventil (61) mit der Kammer (51a) des Behälters (51) verbunden ist und daß durch dieses ein Druckaufbau innerhalb des Behälters (51) über einen vorbestimmten Druck hinaus verhinderbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß ein Druckmesser (62) mit der Kammer (51a) in Verbindung steht, um den in dieser entwickelten Druck anzuzeigen.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter (51) aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.

11. Kalibrierungsvorrichtung für ein Gerät zur Untersuchung der Lungenfunktion, von dem ein vorgegebenes Gasvolumen mit exponentiell abnehmender Strömungsgeschwindigkeit abgebbar ist, gekennzeichnet durch einen Halter (10) mit einem trennbaren Hauptteil (11) und einem Patronenaufnähmeteil (12),wobei der Patronenaufnähmeteil (12) mit einem Hohlraum zur Aufnahme einer Druckgaspatrone (21) und der Hauptteil (11) mit einem Expansionsdurchlaß (13) ausgebildet ist, der zu einer Öffnung (17) vorgegebener Größe führt und zur Expansion des von einer Patrone (21) freigesetzten Gases und zum Abgeben des Gases von dem Halter (10) dient, durch eine Durchstoßeinrichtung (26,27), die in dem Halter (10) vorgesehen ist, um die Dichtung (25) einer Gaspatrone (21) zu durchstoßen, die von der Kammer aufgenommen ist, und durch Betätigungsmittel (30-35)» durch die das Durchstoßen der Dichtung (25) einer von dem Hohlraum aufgenommenen Gaspatrone (21) mittels der Durchstoßeinrichtung (26,27) bewirkbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Halter (10) einen elastischen, äußeren Kragen (38) aufweist, durch den dieser mit dem Mundstück (39) eines Spirometers in dichtenden Eingriff bringbar ist.

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13· Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Halter (10) ein aus Einzelteilen bestehendes Filter (19>119) aufweist, welches in dem Hauptteil (11) nahe der Öffnung (17,117) angeordnet ist, um Teilchen aus der Strömung des sich ausdehnenden Gases abzutrennen.

Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Filter (19;119) aus gesintertem Metall besteht.

15· Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß ein bewegbarer Stößel (150) mit dem Filter (119) zusammenarbeitet, um die effektive Filterfläche in Abhängigkeit von dem Druck des Gases zu verringern, welches das Filter (119) beaufschlagt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit in die Öffnung (117) veränderbar ist, um eine nichtexponentielle Wellenform zu erzeugen, die allgemein mit derjenigen einer anormalen Arbeitsweise der Lunge übereinstimmt, bzw. dieser entspricht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchstoßeinrichtung (26) beweglich in dem Halter (10) gelagert ist und daß die Betätigungsmittel (30;35) mit der Durchstoßeinrichtung (26) in Eingriff bringbar sind, um die Durchstoßeinrichtung (26) in Beziehung zu dem Patronenaufnähmeteil (12) zu bringen, um die Dichtung (25) einer darin angeordneten Patrone (21) zu durchstoßen.

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17· Vorrichtung nach Anspruch 16,dadurch g e k e η η ζ e i c h ne t , daß die Durchstoßeinrichtung (26) einen Durchstoßdorn (26b) umfaßt, der in Längsrichtung zwischen einer ausgefahrenen und einer zurückgezogenen Stellung bewegbar ist, um die Dichtung (25) einer Druckgaspatrone (21) zu durchstoßen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet , daß der Dorn (26b) mit Kanälen (29) ausgebildet ist, durch die das Gas strömt.

19· Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß der Dorn (26b) einen abgeschrägten spitzen Abschnitt (27) aufweist, der von einer Vielzahl von aufeinanderzulaufenden,ebenen Flächen (28) begrenzt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet , daß Federmittel (36) vorgesehen sind, durch die der Dorn (26b) in die zurüdcgszogene Stellung drückbar ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet , daß die Betätigungsmittel eine querverlaufende Achse (32), die in dem Hauptteil dl) drehbar gelagert ist, ein Nockenelement (35)» welches von der Achse (32) in dem Durchlaß (13) gehalten ist, um den Durchstoßdorn (26b) in die ausgefahrene Lage zu bewegen , wenn die Achse (32) gedreht wird,und einen Knopf (30) zum Drehen der Achse (32) umfassen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß eine Druckgaspatrone (21) in dem Patronenaufnähmeteil (12) angeordnet ist.

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25· Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Patrone 9 - 14- ml flüssiges Kohlenstoffdioxyd enthält.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnung (17;117) einen Durchmesser zwischen 0,13 mm und 0,51 mm aufweist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Öffnung (17» 117) ungefähr 0,25 mm "beträgt.

26. Kalibrierungsvorrichtung für ein Gerät zur Untersuchung der Lungenfunktion gekennzeichnet durch einen Halter (10) mit einem Hauptteil (11) und einem Patronenhalteteil (12), wobei der Patronenhalteteil (12) einen Hohlraum zur Aufnahme einer Druckgaspatrone (21) aufweist und der Hauptteil (11) mit einer Kammer (13) für die Expansion des von der Patronenkammer (21) abgegebenen Gases und mit einer Öffnung (17;117) vorbestimmter Größe zum Freisetzen des Gases aus dem Halter (10) aufweist,durch Mittel (25;58), durch die normalerweise die Abgabe von Gas verhinderbar ist und die aber wahlweise betätigbar sind, um Gas durch die Öffnung (I7;117) mit wiederholbarer und im wesentlichen exponentiell abnehmender Strömungsgeschwindigkeit freizugeben, und durch ein betriebsmäßig mit dem Halter (10) verbundenes Gastrenngehäuse (34), welches mit einer ersten Kammer (4-6), die mit einem in direkter Verbindung mit der Öffnung (17;117) stehenden Einlaß (44) versehen ist, und einer zweiten Kammer ausgebildet ist, die einen mit einem Spirometer (S) verbindbaren Auslaß (45) aufweist, wobei'ein druckabhängiges Element (46) bewegbar in dem Gehäuse (43) angeordnet ist und die erste von der zweiten Kammer trennt.

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27· Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß der Halter (10) mit einem elastischen, äußeren Kragen (38) ausgebildet ist, der mit dem Einlaß (44·) des Gehäuses (43) in dichtendem Eingriff steht, um das Entweichen von Gas, welches von der Öffnung (175Ή7) in die erste Kammer strömt, zu verhindern.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß der Halter (10) ein aus Teilchen
"bestehendes Filter (19;119) enthält, welches in dem
Hauptteil (11) angeordnet ist, um Teilchen aus der
Strömung des expandierenden Gases abzutrennen.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet , daß das Filter anschließend an die
Öffnung (117) angeordnet ist und einen bewegbaren
Stößel (150) aufweist, der mit dem Filter (119) zusammenarbeitet, um die effektive Fläche in Abhängigkeit
von dem Druck des das Filter beaufschlagenden Gases

zu verändern, wodurch der Durchfluß durch die Öffnung
(117) veränderbar ist, um eine nichtexponentielle
Wellenform zu erzeugen, die allgemein derjenigen entspricht, die bei einem anormalen Arbeiten der Lunge vorliegt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (43) eine thermostatgesteuerte Heizeinrichtung (47) auf v/eist, um die Luft
in dem Gehäuse (43) zu erwärmen.

31· Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß das auf Druck ansprechende Element einen elastischen bzw. flexiblen Sack (46) aufweist, der in dem Gehäuse (43) angeordnet ist und mit dem Einlaß
(44) in Verbindung steht.

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/ 32y Verfahren zum Kalibrieren des Betriebszustandes eines Spirometers, welches eine ausdehnbare Kammer für die von einem Patienten ausgeatmete Luft aufweist, dessen Lungenfunktion untersucht wird, dadurch gekennzeichnet , daß man ein vorgegebenes Volumen eines sich unter Druck befindenden Gases aus einem Behälter mit einem festen Volumen schnell bzw. stoßartig in die ausdehnbare Kammer des Spirometers einströmen läßt, wobei der Behälter eine Auslaßöffnung vorbestimmter Größe aufweist, daß man das Gas im wesentlichen mit einer exponentiell abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit während eines vorgegebenen Zeitintervalls ausströmen läßt, bis ein Druckausgleich zwischen dem Druck in der ausdehnbaren Kammer des Spirometers und der Kammer des Behälters stattgefunden hat, um eine wiederholbare Volumen/Zeit-Kurve zu erzeugen, die der Kurve entspricht bzw. mit einer solchen übereinstimmt, die erzeugt wird, wenn das Spirometer verv/endet wird, um das Atmungsvolumen beim vollen Durchatmen (FEV) einer Person zu bestimmen.

33· Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter mit festem Volumen eine Gaspatrone mit durchstoßbarer Dichtung ist, die ein genau abgemessenes bzw. bestimmtes Volumen eines sich unter Druck befindenden Gases enthält, und daß das Gas dadurch freigesetzt wird, daß die Dichtung der Patrone durchstoßen wird.

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34. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet , daß zum Freisetzen des Gases ein Ventil geöffnet wird, welches dem Behälter zugeordnet ist, um dadurch das Volumen von sich unter Druck "befindendem Gas aus dem Behälter in die ausdehnbare Kammer einströmen zu lassen.

35· Verfahren zum Kalibrieren des Betriebszustandes eines Spirometers, welches ein Mundstück zur Aufnahme der von einem Patienten ausgeatmeten Luft aufweist, dessen Lungenfunktion untersucht wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Mundstück betriebsmäßig mit einem Halter verbunden wird, welcher eine geschlossene Kammer mit einem festen Volumen aufweist, die ein vorgegebenes Volumen eines sich unter Druck befindenden Gases enthält, daß der Halter mit einer Auslaßöffnung vorbestimmter Größe zum Ausströmen des Gases in das Mundstück ausgebildet ist,und daß anschließend die Kammer stoßartig bzw. schnell geöffnet wird, um das Gas durch die Öffnung mit im wesentlichen exponentiell abfallender Strömungsgeschwindigkeit in das Spirometer ausströmen zu lassen.

36. Verfahren zum Überprüfen eines Spirometers, um die Genauigkeit seiner Strömungsgeschwindigkeitsmessungen zu überprüfen, wobei das Spirometer ein Mundstück zur Aufnahme der von einem Patienten ausgeatmeten Luft aufweist, dessen Lungenfunktion untersucht wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Mundstück betriebsmäßig mit einem Halter verbunden wird, der eine Öffnung ausgewählter Größe aufweist und eine mit einem genau gemessenen Volumen eines sich unter Druck befindenden Gases gefüllte Patrone enthält, daß

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die Patrone eine Dichtung auf v/eist, die aufgebrochen werden kann, damit das Gas freigesetzt und durch die Öffnung und in das Mundstück ausströmen kann,und daß anschließend die Dichtung aufgebrochen wird, während der Halter mit dem Mundstück verbunden ist, um das
Gas in das Spirometer zu leiten, um dieses zu kalibrieren.

37· Verfahren nach Anspruch 35 und/oder 36, dadurch
gekennzeichnet , daß das Spirometer
ein Trenngehäuse mit einer ersten Kammer, die mit
dem Mundstück in Verbindung steht, und einer zweiten Kammer aufweist, von der Luft für die Spirometer-Messung ausströmt, wobei die erste und zweite Kammer durch ein auf Druck ansprechendes Element getrennt sind, welches beweglich in dem Gehäuse angeordnet ist, und daß das sich unter Druck befindende Gas von dem Halter in die erste Kammer ausströmt, um ein gleiches Volumen an
Luft aus der zweiten Kammer zu verdrängen.

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