DE3517786C2

DE3517786C2 - Device for measuring the airway resistance according to the closure pressure method and method for processing the measured values in such a device

Info

Publication number: DE3517786C2
Application number: DE19853517786
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Ganshorn
Original assignee: GANSHORN ELECTRONIC GmbH
Current assignee: GANSHORN MEDIZIN-ELECTRONIC GMBH, 97702 MUENNERSTA
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2005-05-18
Also published as: DE3517786A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gerät zum Messen des Atemwegwiderstandes nach der Verschlußdruckmethode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es z. B. aus der "Zeitschrift für die gesamte experimentelle Medizin", Bd. 128, (1956), S. 55-75 bekannt ist, und sie umfaßt auch Verfahren zum Verarbeiten der Meßwerte bei einem derartigen Meßgerät.The invention relates to a device Measuring airway resistance using the closure pressure method according to the preamble of claim 1, how it z. B. from the "Journal for the whole experimental medicine ", vol. 128, (1956), pp. 55-75 is known, and it includes Process for processing the measured values in such a measuring device.

Zur Erfassung und Diagnose von Erkrankungen der Lunge ist der Atemwiderstand eine bedeutende Größe. Die exakteste Bestimmung dieses Wertes erfolgt heutzutage mit Hilfe eines sog. Bodyplethysmografen, der jedoch einen erheblichen technischen Aufwand erfordert. Eine wesentliche Vereinfachung demgegenüber, so daß sie auch durch niedergelassene Ärzte durchführbar wird, ist die Verschlußdruckmethode, wie sie in der eingangs erwähnten Zeitschrift dargestellt ist. Hierbei werden die zur Bestimmung des Atemwegwiderstandes erforderlichen Größen des Alveolardrucks und des Volumenstromes nacheinander gemessen, woraus man den Atemwegwiderstand durch Quotientenbildung erhält. Zur Messung des Alveolardruckes wird das Atemrohr des Probanden für Sekundenbruchteile verschlossen und dann wieder freigegeben, wobei die Verschlußzeit einerseits mindestens so lang zu bemessen ist, daß ein vollständiger Druckausgleich zwischen den Alveolen und dem im Meßgerät befindlichen Druckmesser möglich ist, andererseits jedoch so kurz gewählt werden muß, daß die Atmung des Probanden nicht behindert wird und aus der unwillkürlichen eine willkürliche Atmung wird, was zu Verfälschungen der natürlichen Atmung und demzufolge auch des Meßergebnisses führen würde. Aus diesem Grund darf die maximale Verschlußzeit nur 0,2-0,3 Sekunden betragen. Andererseits muß die Verschlußzeit so lange bemessen sein, daß sich der vollständige Druckausgleich zwischen den Alveolen und dem Druckmesser einstellt, was um so länger dauert, je höher der Atemwegwiderstand des Probanden ist, was insbesondere bei Schwerkranken, Personen also mit starken Obstruktionen, sehr lange Zeiten erfordert. In diesen, klinisch besonders interessierenden Fällen erhält man fehlerhafte bis unbrauchbare Meßwerte. Weiter ist von Nachteil, daß nach dem Verschließen und insbesondere auch dem Öffnen innerhalb der im Gerät eingeschlossenen Luftsäule Schwingungen auftreten, die ebenfalls zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen.For the detection and diagnosis of diseases of the Lungs, breathing resistance is a significant factor. The most exact determination of this value is made today with the help of a so-called body plethysmograph, the however, requires considerable technical effort. A significant simplification in comparison, so that it can also be carried out by resident doctors is the shutter pressure method, as in the magazine mentioned at the beginning is shown. Here are used to determine airway resistance required sizes of alveolar pressure and Volume flow measured successively, from which one maintains airway resistance through quotient formation. This is used to measure the alveolar pressure The subject's breathing tube was closed for a split second and then released again, the On the one hand, the shutter speed should be at least as long is that full pressure equalization between the alveoli and the one in the measuring device Pressure gauge is possible, however, however must be chosen so short that breathing the subject is not hindered and from the involuntary an arbitrary breathing becomes what to falsify natural breathing and consequently would also lead to the measurement result. Out for this reason, the maximum shutter speed is only allowed 0.2-0.3 seconds. On the other hand, the Shutter speed should be such that the complete pressure equalization between the alveoli and the pressure gauge, which is all the longer the higher the subject's airway resistance is what especially in the seriously ill, people so with strong obstructions, very long times required. In these clinically particularly interesting Cases get faulty to unusable Readings. Another disadvantage is that after closing and especially after that Opening within the air column enclosed in the device Vibrations occur, which also lead to adulteration of the measurement result.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Verbesserung derartiger Geräte dahingehend zur Aufgabe gemacht, daß eine wesentliche Erhöhung der Präzision der Meßwerte erreicht werden kann.Proceeding from this, the invention has the improvement of such devices to the task made that a substantial increase in Precision of the measured values can be achieved.

Diese Aufgabe wird mit dem Gerät nach dem Anspruch 1 gelöst und durch die Verfahren zum Verarbeiten der Meßwerte nach den Ansprüchen 2 und 3 weiter gefördert.This object is achieved with the device according to claim 1 solved and by the method for processing the measured values according to Claims 2 and 3 further promoted.

Demzufolge soll sich zwischen Mundstück und Verschluß nur noch der Druckmesser, nicht hingegen wie beim Stand der Technik, auch der Flowmesser befinden, der hinter dem Verschluß und näher am eigentlichen Gerät angebracht ist. Dieser Vorschlag basiert auf zwei grundlegenden Erkenntnissen: Die Aufbauzeit des Alveolardruckes während der Verschlußzeit im Bereich des Druckmessers hängt nicht alleine von dem Atemwegwiderstand des Probanden allein, sondern auch von dem mit dem Alveolardruck zu beaufschlagenden Volumen ab, da ein Druckausgleich bei einem höheren Volumen einer längeren Zeit bedarf. Ein möglichst geringes und deshalb rasch mit dem Alveolardruck erfüllendes Volumen erhält man, wenn unmittelbar hinter dem Mundstück Druckmesser und Verschluß angeordnet werden. Eine andere wesentliche Erkenntnis der Erfindung ist, daß die durch das Öffnen und Verschließen auftretenden Schwingungen innerhalb des Volumenstrommessers ihre Ursache haben. Dieser besteht in aller Regel aus zwei Druckaufnehmern, welche über Schläuche an einen Differenzdruckmesser angeschlossen sind und durch die der Flow erfaßt wird. Da die beiden Schläuche an unterschiedlichen Stellen enden und darüber hinaus unterschiedliche Längen besitzen, werden beim Öffnen und Schließen auch hier Schwingungen ausgelöst. Wenn sich nun der Volumenstrommesser hinter dem Verschluß befindet, werden diese Schwingungen in wesentlich geringerem Maße ausgelöst oder sind kaum noch vorhanden, da die Druckspitzen wesentlich reduziert sind. Der Vorteil der Anordnung besteht somit darin, daß zum einen durch den rascheren Druckausgleich ein schnelles Arbeiten und insbesondere auch die Erfassung von Meßwerten bei großen Obstruktionen möglich wird, und zum anderen durch das Wegfallen von Schwingungen Fehlmessungen vermieden werden können.Accordingly, there should be between the mouthpiece and the closure only the pressure gauge, but not as with the State of the art, including the flow meter located behind the shutter and closer is attached to the actual device. This suggestion is based on two basic findings: The build-up time of the alveolar pressure during the shutter time does not hang in the area of the pressure gauge solely from the subject's airway resistance, but also from the one with the alveolar print acting volume since a pressure equalization takes longer for a higher volume. The smallest possible and therefore quickly with One obtains the volume fulfilling the alveolar pressure, if immediately behind the mouthpiece pressure gauge and closure can be arranged. Another essential Knowledge of the invention is that the occurring by opening and closing Vibrations within the volume flow meter To have cause. This usually consists of two pressure transducers, which are connected to one by hoses Differential pressure gauges are connected and through which the flow is recorded. Since the two Hoses end in different places and also have different lengths, are also here when opening and closing Vibrations triggered. If now the volume flow meter located behind the breech these vibrations in much less Dimensions triggered or are hardly there anymore the pressure peaks are significantly reduced. The advantage of the arrangement is thus in that on the one hand by the faster Pressure equalization a quick work and in particular also the acquisition of measured values big obstructions becomes possible, and secondly due to the absence of vibrations can be avoided.

Es lassen sich zudem ohne weiteres häufige Messungen und die Herstellung von Tagesprofilen auf Grund der einfachen Handhabbarkeit durchführen. Frequent measurements can also easily be made and the creation of daily profiles on the ground the easy handling.

Im folgenden werden Steuerungsverfahren für das soeben beschriebene Meßgerät angegeben und näher erläutert. In Abweichung vom Stande der Technik, bei dem man bislang kurz nach Öffnen des Verschlusses den Volumenstrom gemessen und diesen bei der Quotientenbildung zur Ermittlung des Atemwegwiderstandes zugrunde gelegt hat, soll nunmehr der Volumenstrom vor dem Schließen und nach dem Öffnen des Verschlusses in mehreren Punkten abgetastet und durch Interpolation der Verlauf des Volumenstromes bei geschlossenem Verschluß ermittelt werden. Wie diese Interpolation vorgenommen werden soll, steht dabei letztlich frei, da sie beispielsweise numerisch durch Programmierung eines entsprechenden Kleinrechners oder aber auch durch eine entsprechende elektronische Schaltungsanordnung analog realisierbar sein kann. Der hierdurch erreichte Vorteil ist zweifach: Aus prinzipiellen Erwägungen heraus ist bei der Verschlußdruckmethode der Alveolardruck und der Volumenstrom nicht gleichzeitig, d. h. im selben Augenblick erfaßbar, was zur exakten Bestimmung des Atemwegwiderstandes erforderlich wäre. Im Stande der Technik wird deshalb der Volumenstrom möglichst kurzzeitig nach der Messung des Alveolardruckes erfaßt und der hierdurch bedingte Fehler als geringfügig in Kauf genommen. Bei der vorgeschlagenen Interpolation hingegen sind beide zur Quotientenbildung erforderlichen Meßwerte gleichzeitig erfaßbar. Ein weiterer Vorzug besteht darin, daß der der Quotientenbildung zugrunde gelegte Wert des Volumenstromes auf Grund von in aller Regel mehreren Abtastpunkten vor dem Schließen und nach dem Öffnen in dem gewünschten Zeitpunkt sehr exakt bestimmbar ist. Da im Stande der Technik bei Bestimmung des Volumenstromes ein einziger Meßpunkt kurz nach dem Öffnen des Verschlusses erfaßt und der Berechnung des Atemwiderstandes zugrunde gelegt wird, ergeben sich häufig Fehler daraus, daß das aus den oben bereits erwähnten Gründen bereits unmittelbar nach Öffnen des Verschlusses Schwingungen der Luftsäule innerhalb des Gerätes als auch insbesondere innerhalb des Volumenstrommessers auftreten, während der Volumenstrom gemessen wird, was teilweise zu unbrauchbaren Werten führt. Ein längeres Zuwarten bis nach dem Abklingen der Schwingungen verbietet sich deshalb, da dann der zeitliche Abstand zwischen den Messungen des Alveolardrucks und dem des Volumenstromes noch größer wird. Im Ergebnis erhält man einen wesentlich exakteren Wert des Volumenstromes einmal auf Grund der Tatsache, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung Schwingungen nur noch in sehr geringem Maße auftreten und zum anderen deshalb, da durch das Abtasten der Meßkurve und durch Extrapolation zusätzlich Fehler vermieden werden.The following are control procedures for that described measuring device specified and closer explained. In deviation from the state of the art, in which one had previously opened shortly after the closure the volume flow measured and this at the Quotient formation to determine the airway resistance has now taken as the basis, the volume flow before closing and after opening the Scanned closure in several points and by interpolation the flow of the volume flow be determined with the closure closed. How to do this interpolation is ultimately free, because they are numerical, for example, through programming a corresponding small computer or also by means of an appropriate electronic circuit arrangement can be implemented analogously. Of the the advantage achieved in this way is twofold: for principle Considerations are out with the shutter pressure method the alveolar pressure and the volume flow not at the same time, d. H. detectable at the same moment, what for the exact determination of airway resistance would be required. In the state of the art the volume flow is therefore as short as possible after measuring the alveolar pressure and the hereby caused errors as minor purchase taken. With the proposed interpolation on the other hand, both are required to form the quotient Measured values can be recorded simultaneously. A Another advantage is that of quotient formation underlying value of the volume flow due to usually several sampling points before closing and after opening in the desired time can be determined very precisely. There in the prior art when determining the volume flow a single measuring point shortly after opening of the closure and the calculation of the breathing resistance is used as a basis frequently mistakes from the fact that from the already mentioned above Establish immediately after opening of the lock vibrations of the air column inside of the device as well as especially within of the volume flow meter occur during the Volume flow is measured, which in part too leads to unusable values. A longer wait until after the vibrations have subsided because the time interval between the measurements of the alveolar pressure and the of the volume flow becomes even larger. As a result you get a much more exact value of the Volume flow once due to the fact that vibrations in the arrangement according to the invention occur only to a very small extent and for others because by scanning the measurement curve and errors by extrapolation be avoided.

Nach Betätigen des Verschlusses wird der Volumenstrom unterbunden und es steigt an dem unmittelbar vor dem Verschluß befindlichen Druckmesser der dort herrschende Druck exponentiell auf den in der Lunge herrschenden Alveolardruck an. Da andererseits die Unterbrechnung zur Vermeidung willkürlicher Reaktionen des Probanden maximal 0,2-0,3 Sekunden betragen darf, erhält man am Druckmesser nur dann den exakten Alveolardruck, wenn vor dem Öffnen des Verschlusses bereits der Druckausgleich vorgelegen hat. Die hierfür erforderliche Zeit ist unterschiedlich und wird bestimmt u. a. durch den Atemwegwiderstand des Probanden, der bei Patienten mit hohen Obstruktionen sehr groß ist. Um auch gerade in diesen, besonders interessierenden Fällen einen guten Meßwert zu erhalten, wird in Weiterbildung vorgeschlagen, nach dem Betätigen des Verschlusses den am Druckmesser herrschenden und ansteigenden Druck zu erfassen und hieraus den Grenzwert zu extrapolieren. Für das Öffnen des Verschlusses muß nicht mehr so lange gewartet werden bis am Druckmesser der Alveolardruck herrscht, was sich in der Beendigung des Druckanstieges äußert. Bereits aus mehreren Meßpunkten aus dem exponentiell ansteigenden Druckbereich läßt sich der Grenzwert bestimmen. Der Vorteil besteht darin, daß mit kürzeren Verschlußzeiten und damit wesentlich rascher und auch physiologischer gearbeitet werden kann und darüber hinaus auch bei Probanden mit hohen Obstruktionen exakte Meßwerte erhaltbar werden.After pressing the lock, the volume flow prevented and it immediately increases pressure gauge in front of the shutter the pressure there exponentially on the there is alveolar pressure in the lungs. There on the other hand, the interruption to avoid it arbitrary reactions of the test person maximum 0.2-0.3 seconds, you get only the exact alveolar pressure on the pressure gauge, if before opening the shutter there has already been pressure equalization. The the time required for this varies and is determined u. a. through airway resistance of the subject who is in patients with high Obstructions is very large. To also just in one of these, particularly interesting cases Getting good reading is in continuing education suggested after pressing the shutter the one prevailing and rising on the pressure gauge Detect pressure and from this the limit value to extrapolate. For opening the lock you don't have to wait that long until there is alveolar pressure on the pressure gauge, what is in the termination of the pressure increase expresses. Already from several measuring points from the exponentially increasing pressure range can be determine the limit. The advantage is that with faster shutter speeds and therefore essential worked faster and also more physiologically can be and also in test subjects exact measurements can be obtained with high obstructions become.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung ist in schematischer Darstellung ein Meßgerät in Seitenansicht wiedergegeben. Es besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem Rohr 1, an dessen linkem Ende ein Mundstück 2 angeformt ist. Hinter dem Mundstück befindet sich als nächstes ein Druckmesser 3 sowie weiter nach innen zu ein Verschluß 4. Aufgabe des Druckmessers 3 ist die Erfassung des in diesem Teil des Rohres jeweils befindlichen Druckes der Atemluft. Der Verschluß 4 ist so gesteuert, daß er während des Ausatemvorganges für eine kurze Zeit, die nicht länger als 0,2-0,3 Sekunden betragen darf, das Rohr 1 verschließt, so daß der Volumenstrom schlagartig Null wird. Während dieser Betriebsphase baut sich dann in dem vom Mundstück 2 bis zum Verschluß 4 verlaufenden Teil des Rohres 1 der im Inneren der Lunge herrschende Druck der sog. Alveolardruck auf. Die hierfür erforderliche Zeit hängt ab vom Atemwegwiderstand als auch von dem durch die Atemluft zu beaufschlagendem Volumen. Aus diesem Grunde soll der Abstand des Verschlusses 4 vom Mundstück 2 möglichst gering sein.In the following an embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing. In the drawing, a schematic representation of a measuring device is shown in side view. It consists in its basic structure of a tube 1 , on the left end of which a mouthpiece 2 is formed. Next to the mouthpiece is a pressure gauge 3 and further inward to a closure 4 . The task of the pressure meter 3 is to record the pressure of the breathing air that is present in this part of the tube. The closure 4 is controlled so that it closes the tube 1 during the exhalation process for a short time, which must not be longer than 0.2-0.3 seconds, so that the volume flow suddenly becomes zero. During this operating phase, the pressure prevailing in the interior of the lungs, the so-called alveolar pressure, builds up in the part of the tube 1 which extends from the mouthpiece 2 to the closure 4 . The time required for this depends on the airway resistance as well as on the volume to be acted upon by the breathing air. For this reason, the distance between the closure 4 and the mouthpiece 2 should be as small as possible.

An den Verschluß 4 schließt sich der Volumenstrommesser 5 an, der über zwei Schläuche 5 mit einem Differenzdruckmesser 7 verbunden ist, durch den die unmittelbare Anzeige des durch das Rohr 1 fließenden Volumenstromes erfolgt. An seinem rechten Ende geht das Rohr 1 in zwei Abzweigrohre 8 über, die alternierend über ein Zweiwegeventil 9 zuschaltbar sind. Letzteres kann beispielsweise so angesteuert werden, daß während eines Ausatemvorganges die vom Probanden eingegebene Atemluft über das eine Abzweigrohr 8 nach außen wieder abgegeben wird und nach Umschalten des Ventiles 9 die Einatmung beispielsweise eines Helium-Gemisches, das der Feststellung des Restvolumens der Lunge dient, über das andere Abzweigrohr 8 vorgenommen wird.Connected to the closure 4 is the volume flow meter 5 , which is connected via two hoses 5 to a differential pressure meter 7 , through which the volume flow flowing through the pipe 1 is displayed directly. At its right end, the pipe 1 merges into two branch pipes 8 , which can be switched alternately via a two-way valve 9 . The latter can be controlled, for example, in such a way that during an exhalation process the breathing air entered by the test person is released to the outside via the one branch pipe 8 and, after switching over the valve 9, inhalation of, for example, a helium mixture, which is used to determine the remaining volume of the lungs the other branch pipe 8 is made.

Als Ergebnis erhält man ein Meßgerät mit dessen Hilfe ein besonders rasches und präzises Bestimmen des Atemwegwiderstandes nach der Verschlußdruckmethode möglich wird.The result is a measuring device with its Help a particularly quick and precise determination the airway resistance according to the closure pressure method becomes possible.

Claims

1. Device for measuring the airway resistance according to the closure pressure method, with a mouthpiece ( 2 ), a pressure gauge ( 3 ), a closure ( 4 ) and a volume flow meter ( 5 ), as well as elements for controlling and processing, displaying and storing the measured values , characterized in that the closure ( 4 ) is arranged immediately behind the mouthpiece ( 2 ) and the pressure gauge ( 3 ).

2. A method for processing the measured values in a measuring device according to claim 1, characterized in that the volume flow is sampled before closing and after opening the closure ( 4 ) and from this the course of the volume flow is interpolated when the closure ( 4 ) is closed.

3. A method for processing the measured values in a measuring device according to claim 1, characterized in that in the closed state of the closure ( 4 ) the detected pressure is sensed and extrapolated to its limit value.