DE3021326A1 - Einrichtung zur messung von mindestens zwei pneumatischen lungenparametern und messverfahren hierzu - Google Patents
Einrichtung zur messung von mindestens zwei pneumatischen lungenparametern und messverfahren hierzuInfo
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Description
Dräqerwerk Aktiengesellschaft
Moislinqer Allee 53-55, 2400 Lübeck
Einrichtung zur Messung von mindestens zwei pneumatischen
Lunqenparametern und Meßverfahren hierzu
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von
mindestens zwei pneumatischen Lungenparametern, nämlich
des linearen Teiles des Atemwegwiderstandes R-, des quadratischen Teiles des Atemwegwiderstandes R-, der
Compliance C und des alveolaren Restdruckes P , insbesondere in Verbindung mit einem Beatmungsgerät, wobei
dieser Einrichtung Eingangssignale von einem Drucksensor und von einem Flowmeter aus der Atemluftführung zugeführt
werden und bei der ein zeitgesteuerter Integrator aus dem Flowsignal ein entsprechendes Volumensignal bildet,
und in der ferner aus diesen Signalen die gewünschten pneumatischen Lungenparameter bestimmt werden.
Außerdem wird ein vorteilhaftes Meßverfahren angegeben.
Bei zu überwachenden Personen, insbesondere bei mit einem Beatmungsgerät beatmeten Patienten, ist eine
fortgesetzte und schnelle Bestimmung von pneumatischen Lungenparametern erforderlich. Hierzu wird beispielsweise
in der DE-OS 25 13 676 ein elektronisches Gerät zur selbsttätigen Messung und Anzeige des Strömungs—
Widerstandes R der Luft in den Bronchienwegen und der Elastizität E des Pulmonalgewebes aufgrund von Meßwerten
der Atemluftstromung und der Veränderung des endothorakalen
Druckes angegeben.
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Ein Respirations—Analysengerät, bei dem der Atemgas—
Durchfluß durch Zeitintegration aus Differenzdrucfcsignalen und weitere pneumatische Parameter, wie absoluter
Tracheal- bzw. Bronchialdruck gemessen werden können, ist in der DB-OS 27 19 9OO beschrieben.
Die DE-OS 24 13 988 und die DE-OS 25 22 774 erläutern Verfahren zur Erforschung der intrathorakalen Atemmechanik,
und damit zur Bestimmung von pneumatischen Lungenparametern.
Schließlich enthält die DE-AS 19 33 472 ein Beatmungs-
bzw. Narkosebeatmungsgerät, bei dem pneumatische Lungen— parameter in Form einer Kurve aus gemessenen Augenblickswerten zusammengesetzt werden.
Eine andere zum Stande der Technik gehörende Einrichtung nach der DE-OS 23 37 O61 betrifft eine Atemvolumenmeßvorrichtung
in Verbindung mit einem Atemdruckgeber, welche eine gesteuerte Anzeige-und/oder Alarmeinrichtung auslösen,
die auf eine vom Verhältnis des Atemdruckes zum Atemvolumen abhängige Größe anspricht.
Wegen der starken Streuung der Meßwerte in der Atemluft— strömung sind bei den bisher bekannten Einrichtungen
die berechneten bzw. angezeigten pneumatischen Lungen— parameter für viele Überwachungszwecke zu ungenau.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Einrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden,
daß eine rasche Ermittlung der gewünschten, pneumatischen Lungenparameter mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird.
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Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt dadurch, daß eine Abtastvorrichtung vorgesehen ist, welche
in zeitlichem Abstand zusammengehörige Signale für Druck, Flow und Volumen als Meßwert—Tripel abtastet
und innerhalb jedes Atemzyklus mindestens zwei solcher Meßwert-Tripel in einer periodisch löschbaren
Speichervorrichtung einspeichert, und daß eine Rechen— Vorrichtung vorgesehen ist, welche mit der Abtastvorrichtung
und der Speichervorrichtung verbunden ist, die aus den abgespeicherten Meßwert—Tripein die gewünschten
Lungenparameter aus an sich bekannten linearen Gleichungssystemen berechnet, und daß diese Rechenvorrichtung
mit einer Anzeige— und/oder Steuervorrichtung in Verbindung steht, welche die Lungenparameter anzeigt
und/oder zur Steuerung eines Beatmungsgerätes ausgibt.
In der praktischen Ausführung der Meßeinrichtung werden in einer elektronischen Schaltung die von Druck—
und Flowsensoren erzeugten Signale gemessen,und durch Integration aus der Strömungsmessung oder durch direkte
Messung wird das Volumen bestimmt. Die ein Meßwert— Tripel bildenden Größen stehen dabei als elektrische
Spannungen zur Verfügung und werden entsprechend abgetastet.
Zur Zuordnung der Tripel-Meßwerte hinsichtlich der
Inspirations- oder Bxspirationsphase überprüft die Meßeinrichtung zweckmäßig den Flow-Verlauf. Ist der Flow
einige Zeit gleich O und wird plötzlich>O, so wird
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~ 7
Exspirationsbeginn unterstellt, und anschließend werden
in der Exspirationsphase die erforderliche im allgemeinen möglichst hohe Anzahl der Meßwert-Tripel p,V,V abgespeichert,
wobei auch Werte des betragmäßig ansteigenden Verlaufs des Flows eingeschlossen werden müssen. Diese
dienen zur Kennung und Unterscheidung von Inspirationsund Exspirationsphase. Typisch tritt das Betragsiaaximum
des Flows in der Exspirationsphase ca. 50 ms nach Ex—
spirationsbeginn auf. Der Abtastzeitraum, d.h. die Zeitspanne, in der Meßwert—Tripel abgespeichert werden, muß
mindestens gleich der Zeitkonstanten der Lunge sein.
Sollen beispielsweise die Werte für R>, R_, C und P bestimmt
werden, so kann von dem linearen Gleichungs— system
i = 1,2,3,4
ausgegangen werden, in dem die Gleichungskoeffizienten
aus vier Meßwert-Tripelη <p,V und V) gebildet werden. Das lineare Gleichungssystem ist nur losbar, wenn nicht
je zwei der Größen p,V und V linear abhängig sind.
Bei dieser direkten Bestimmung werden alle Meßfehler mitverarbeitet,
und außerdem versagt die Berechnung, wenn eine der drei Größen p,V und V konstant ist. Speichert
man jedoch eine Mehrzahl, insbesondere eine Vielzahl von Meßwert—Tripein, so läßt sich das oben angegebene
lineare Gleichungssystem in der Minimalbedingung der
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Fehlerquadrate darstellen:
+ R1 ·
• V,
vi - c (vo - V ~
· Min
wobei V1 * J V(t) . dt
t-0
i = lfd. Nummer des Abtastwertes η = Anzahl der abgetasteten Wertetripel (p,V, V)
Dabei bedeuten
V der Augenblickswert des Flow
V das Volumen der aufgeblasenen Lunge am Inspirationsende
ρ der Augenblickswert des Druckes vor dem Munde
P der alveolare Restdruck
R1 der lineare Teil des Atemwegwiderstandes
R_ der quadratische Teil des Atemwegwiderstandes
C die Compliance, d.h. der Kehrwert der Elastizität der Lunge.
Nach Abspeicherung der erforderlichen Anzahl von Meßwert-Tripeln
werden durch das angegebene Gleichungssystem aus η abgespeicherten Meßwert-Tripeln die meßtechnisch
optimalen Werte für R^, R_, C und P berechne
und angezeigt. Die Meßeinrichtung kann nach jedem Atemzug die für diesen Atemzug gültigen Werte von R.., R«, C
und P anzeigen.
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Der Flow wird bevorzugt im Exspirationszweig gemessen, die Messung ist aber auch im Inspirationszweig oder
in der gemeinsamen Atemluftführung möglich.
Die Meßeinrichtung ist auch dann funktionstüchtig, wenn der Patient nicht an ein Beatmungsgerät angeschlossen
ist und lediglich über einen Meßtubus ein- und ausatmet, wenn durch entsprechende Ventilsteuerung dafür gesorgt
wird, daß bei Exspirationsbeginn ρ ^O ist und ρ abfällt,
während |vj ansteigt. Die Anwendbarkeit der Meßeinrichtung ist ferner gegeben, wenn sich der Patient im
Spontan- oder IMV- oder SIMV-Beatmungszustand befindet,
sowie bei PEEP.
In einfacheren Ausführungsformen des Meßgerätes können
gegebenenfalls nur zwei pneumatische Lungenparameter, bevorzugt der lineare Teil des Atemwegwiderstandes R- und
die Compliance C, unter Weglassung des quadratischen Teiles des Atemwegwiderstandes R_ und des alveolaren
Restdruckes P bestimmt werden,
ο
ο
Durch die Messung werden p, V oder V weder während der
Inspirations- noch während der Exspirationsphase beeinflußt. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß ein endexspiratorisches
oder ein endinspiratorisches Plateau für p, V oder V erreicht wird; das Vorliegen eines linearen
Ausatemwiderstandes bildet ebenfalls keine Voraussetzung für die Anwendbarkeit der Meßeinrichtung, die auch für
nicht-lineare Ausatemwiderstände benutzbar bleibt.
Die Genauigkeit des Meßergebnisses steigt mit der Anzahl der abgetasteten Meßwert-Tripel. Diese Anzahl muß um so
größer sein, je größer die Meßfehler in den einzelnen
- IO -
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Bestimmunqsgrößen ρ, V und V sind.
In der Zeichnung ist ein Blockschema der Meßeinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt.
In einem durch eine entsprechende Ventilanordnung bestimmten Exspirationszweig 1 befindet sich ein Flowsensor
2, dessen Ausgangssignal in einer Meßwerteinheit als Flowgröße V bestimmt und durch Integration zu einer
Volumengröße V umgeformt wird.
In einer gemeinsamen Atemluftführung 4 ist ein Drucksensor
5 vorgesehen, dessen Ausgangsgröße ebenfalls der Meßwerteinheit 3 zugeführt und als ρ bestimmt wird. In
der Meßwerteinheit 3 liegen somit zu jedem Zeitpunkt
die Größen p, V und V vor. Die Abtastung erfolgt durch Signale aus einer mit einem Mikroprozessor bestückten
Rechenvorrichtung 6, welche durch Überwachung der Betragswerte des Flow zusätzlich den Beginn der gewünschten
Meßphase (Inspiration oder Exspiration) feststellt.
Die von einer Abtastvorrichtung 7 in der Meßphase abgetasteten Meßwert-Tripel, maximal etwa 250 Meßwert-Tripel,
werden in einer löschbaren Speichervorrichtung 8 gespeichert. Am Ende jeder Meßphase werden die Meßwert-Tripel
aus der Speichervorrichtung 8 in die Rechenvorrichtung 6 überführt, und dort werden aufgrund linearer
Gleichungssysteme nach der Methode der kleinsten Summe der Fehlerquadrate optimale Werte der zu bestimmenden
pneumatischen Lungenparameter R1, R», C und P berechnet
und in einer Anzeigevorrichtung 9 angezeigt.
Der Exspiraticnszweig 1 und ein Inspirationszweig 10 der gemeinsamen Atemluftführung 4 sind im vorliegenden Falle
mit einem Beatmungsgerät 11 verbunden.
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Claims (6)
1.)Einrichtung zur Messung von mindestens zwei der nachfolgend genannten pneumatischen Lungenparameter,
nämlich des linearen Teiles des Atemwegwiderstandes R1, des quadratischen Teiles des
Atemwegwiderstandes R2, der Compliance C und
des alveolaren Restdruckes P , insbesondere in Verbindung mit einem Beatmungsgerät, wobei dieser
Einrichtung Eingangssignale von einem Drucksensor und von einem Flowmeter aus der Atemluftführung
zugeführt werden und bei der ein zeitgesteuerter Integrator aus dem Flowsignal ein entsprechendes
Voluraensignal bildet, und in der ferner aus diesen Signalen die gewünschten pneumatischen Lungenparameter
bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastvorrichtung (7) vorgesehen ist, welche
in zeitlichem Abstand zusammengehörige Signale für Druck, Flow und Volumen als Meßwert-Tripel abtastet
und innerhalb jedes Atemzyklus mindestens zwei solcher Meßwert-Tripel in einer periodisch löschbaren
Speichervorrichtung (6) einspeichert, und daß eine Rechenvorrichtung (6) vorgesehen ist, welche mit der
Abtastvorrichtung (7)und der Speichervorrichtung(8)
verbunden ist, die aus den abgespeicherten Meßwert-Tripeln die gewünschten Lungenparameter aus an sich
bekannten linearen Gleichungssystemen berechnet, und daß diese Rechenvorrichtung (6) mit einer Anzeige-
(9) und/oder Steuervorrichtung in Verbindung steht, welche die Lungenparameter anzeigt und/oder
zur Steuerung eines Beatmungsgerätes ausgibt.
— 2 —
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ORIGINAL INSPECTED
2. Einrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb eines Atemzyklus mindestens 50 Meßwert-Tripel abgetastet werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtastung der Meßwert-Tripel ausschließlich
im Inspirations- oder Exspirationsteil des Atemzyklus erfolgt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der steuerbare Integrator zur Volumenbestiramung aus dem Flowsignal durch eine Volumenmeßvorrichtung
ersetzt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung (6)einen Mikroprozessor
enthält.
6. Verfahren zur Messung von mindestens zwei der nachfolgend genannten, pneumatischen Lungenparameter,
nämlich des linearen Teiles des Atemwegwiderstandes R1,
des quadratischen Teiles des Atemwegwiderstandes R_, der Compliance C und des alveolaren Restdruckes P ,
insbesondere in Verbindung mit einem Beatmungsgerät, wobei dieser Einrichtung Eingangssignale von einem
Drucksensor und von einem Flowmeter aus der Atemluftführung zugeführt werden und bei der ein zeitgesteuerter
Integrator aus dem Flowsignal ein entsprechendes Volumensignal bildet, und in der ferner aus diesen
Signalen die gewünschten pneumatischen Lungenparameter
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■*, ■
bestimmt werden, gekennzeichnet durch folgende Ver—
fahrensschritte:
1. Bestimmung der Augenblickswerte von Druck, Flow und Volumen als Meßwert-Tripel,
2. Feststellung des Vorliegens der gewünschten Meß—
phase (Inspiration und/oder Exspiration) aus dem Verlauf einer Meßgröße,
3. Abspeicherung einer vorgegebenen Anzahl dieser Meß— wert-Tripel in einer Speichervorrichtung (8),
4. Abrufen des Speicherinhaltes und Berechnung der
gewünschten pneumatischen Lungenparameter aus an sich bekannten linearen Gleichungssysteraen,
5. Löschung der Speichervorrichtung <8) und weiter wie unter 1.
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