DE3546912C2 - Vorrichtung zur Lungenfunktionsanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lungenfunktions­ analyse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem Meßrohr, das mit Drucksensoren zur Abso­ lut- und Differenzdruckermittlung gekoppelt ist, wobei an dem Meßrohr ein Anschluß zur Einspeisung von Pulsluft vorgesehen ist.

Geräte zur Lungenfunktionsanalyse dienen zur frühzeitigen Er­ fassung von obstruktiven Lungenerkrankungen sowie zur Erkennung restriktiver Ventilationsstörungen, und sie ermöglichen ferner pulmonale Provokationsuntersuchungen sowie Bronchiolysetests.

Im Rahmen der Lungenfunktionsanalyse ist es bekannt, als ventilatorische Parameter die Atemvolumina, den Luftfluß und den Strömungswiderstand zu ermitteln. Das Atemvolumen stellt dabei eine statische Ventilationsgröße, der Luftfluß eine dynamische Ventilationsgröße und der Strömungwiderstand den Atemwegswiderstand dar, wobei die zu überwindende Druck­ differenz zwischen den Alveolen und der Außenluft dem Strömungs­ widerstand der Atemwege entspricht.

Die Bestimmung der Atemvolumina und des Luftflusses erfolgt in bekannter Weise entweder im geschlossenen und halboffenen System oder im offenen System, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere das sogenannte offene System von Bedeutung ist, bei dem in einem offenen Rohr die durchströmende Luftstrom­ menge erfaßt und daraus die Atemvolumina ermittelt werden.

Der Atemwegswiderstand, d. h. der bronchiale Strömungwiderstand, der sich aus den Widerständen in den verschiedenen Bronchial­ abschnitten zusammensetzt, kann wiederum in bekannter Weise auf verschiedene Art ermittelt werden, und zwar nach dem Prinzip der Ganzkörperplethysmographie, der Unterbrechermethode und der Oszillationsmethode. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die Oszillationsmethode von Bedeutung, und zwar die einfache Oszillationsmethode, bei der dem Atemstrom des Patienten kleine Oszillationen aufgeprägt werden, sowie die Methode der frequenzmodulierten Oszillation, bei der durch eine Frequenz­ modulierung der Oszillation die Resonanzfrequenz der Atemwege des Probanden ermittelt werden kann. Hierbei ist von Vorteil, daß bei der Resonanzfrequenz der gemessene Widerstand mit dem realen Strömungswiderstand der Atemwege identisch ist, da sich andere Widerstände, wie Massenträgheit und Dehnbarkeit der Lunge aufheben.

Aus der DE 23 37 061 A1 ist ein Gerät zur pulmonalen Überwa­ chung eines bettlägerigen Patienten bekannt, welches eine Atemvolumenmeßvorrichtung und einen Atemdruckgeber aufweist, die mit einer durch eine Anschlußvorrichtung an die äußeren Atemwege des Patienten anschließbaren, von der Atemluft des Patienten durchströmten Atemluftleitung in Verbindung ste­ hen. Außerdem ist eine von der Atemvolumenmeßvorrichtung und dem Atemdruckgeber gesteuerte Anzeige- und/oder Alarmeinrich­ tung vorgesehen, die auf eine vom Verhältnis des Atemdrucks zum Atemvolumen abhängige Größe anspricht.

Gemäß einer Ausführungsform dieses Gerätes ist in der Atem­ luftleitung ein Ventil vorgesehen, das mit einer bestimmten Frequenz geschlossen wird. Die Messung des Atemdrucks er­ folgt dabei während der Zeiten, in denen das Ventil geschlos­ sen ist, so daß sich in der Atemluftleitung ein Druck aufbau­ en kann, der ein Maß für dem Atemdruck darstellt.

Die DE 24 14 019 B2 betrifft ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Atemrohr, das einen Strömungs­ widerstand und einen Pulsgenerator zur Beaufschlagung des Atemstromes mit höherfrequenten Druck- bzw. Strömungspulsa­ tionen aufweist, sowie mit einem Druckmesser zum Messen des Druckes im Atemrohr, wobei der Druckmesser ein auf die Pulsa­ tionsfrequenz des Pulsgenerators abgestimmter Wechseldruck­ messer ist.

Die Funktionsweise dieses bekannten Gerätes beruht darauf, daß die Größe des Strömungswiderstandes, der gleichzeitig den Abschlußwiderstand des Atemrohres bildet, bekannt ist. Zur Bestimmung des Atemwegwiderstandes ist daher ein eindeu­ tig definierter Abschlußwiderstand unbedingt erforderlich.

Aus der US-Patentschrift 3,410,264 ist eine Vorrichtung bekannt, die zur Einspeisung von Pulsluft einen Lautsprecher und zum Vorsehen einer als "bias flow" bezeichneten Gleichströmung eine Vakuumpumpe besitzt. Die Vakuumpumpe saugt Luft aus einem Meßrohr an einer Stelle ab, die sich zwischen dem dem Probanden zugewandten Ende des Messrohrs und Anschlüssen von zur Differenzdruckermittlung dienenden Leitungen befindet. Die von der Vakuumpumpe hervorgerufene Luftströmung beein­ flusst daher die Messung und muss deshalb betragsmäßig bekannt sein, um verfälschte Messergebnisse zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Lungenfunktionsdiagnostik zu schaffen, die außer­ ordentlich zuverlässig und mit hoher Genauigkeit arbeitet, die Bestimmung sämtlicher interessierender Parameter ermöglicht, kompakt zu realisieren ist, eine einfache Bedienung gewährleistet und höchsten hygienischen Anforderungen entspricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung kann nach der sogenannten Oszillationsmethode in Verbindung mit einer Differenzdruck- und Absolutdruckmessung gearbeitet und gleichzeitig ein Weichenprinzip verwendet werden, das es im Gegen­ satz zu bekannten Systemen ermöglicht, ohne bestimmten, genau definierten Abschlußwiderstand zu arbeiten. Durch die Messung des Differenzdrucks, d. h. der Differenz der Drücke beiderseits eines in einem Meßrohr angeordneten feinmaschigen Drahtnetzes, die Messung des probandenseitigen Absolutdruckes im Meßrohr sowie die Einspeisung eines gepulsten Teilstromes in das Meßrohr auf der vom Probanden abgewandten Seite des feinmaschigen Drahtnetzes unter gleichzeitiger Ableitung des restlichen Teilstroms über ein das Meßrohr fortsetzendes Schlauchstück von unkritischer Länge werden überraschend hohe Meßgenauigkeiten bei einfachster und für den Probanden günstigster Betriebsweise erzielt.

Vorzugsweise wird eine gepulste Luftzuführung mit solchem Gleichstromanteil verwendet, daß ein Teil der zugeführten Pulsluft ständig über den zur Weiche gehörenden Schlauch­ abschnitt austritt, wodurch sichergestellt wird, daß der Proband ausschließlich frisch zugeführte Luft einatmet und kein Rücksaugen verbrauchter Luft auftritt. Dies ist auch deshalb von Bedeutung, weil damit sichergestellt ist, daß der Proband keinesfalls irgendwelche Weichmacheranteile ein­ atmen muß, die aus den Luftschlauchmaterialien frei werden können.

Ferner ist dabei von wesentlichem Vorteil, daß insbesondere hinsichtlich Temperatur und Feuchtigkeit konstante Meßbe­ dingungen erhalten werden, was wiederum zu einer Erhöhung der Genauigkeit der endgültig erhaltenen Meßwerte beiträgt.

Im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst hohen Meßgenauig­ keit ist es ferner von erfindungswesentlicher Bedeutung, daß als feinmaschiges Gitter bzw. Netz ein Element mit sehr geringer Masse verwendet wird, das dann durch geringe Energiezufuhr temperaturmäßig schnell gesteuert werden kann, um Kondensations­ erscheinungen auf diesem Gitter bzw. Netz zu verhindern. Vor­ zugsweise wird das Gitter oder Netz induktiv aufgeheizt, wobei die Regelung der Temperatur analog der Strömung erfolgt, d. h. es werden erfindungsgemäß bei der computergesteuerten Regelung die Luftmenge und die Richtung der Strömung sowie die Temperaturen der Strömung in der jeweiligen Richtung berücksichtigt. Die mittlere Temperatur des Netzes oder Gitters wird außerdem über einen Fühler direkt erfaßt.

In der praktischen Realisierung besteht ein erfindungsgemäßes System aus einem Basisgerät mit integriertem Drucker sowie einer insbesondere als Folientastatur ausgebildeten Eingabeeinheit, einem Meßkopf mit Pneumotachographen zur Messung von Volumen und Fluß sowie Druckabnehmerteil zur Messung der Widerstände, und einem Videobildschirm zur Darstellung von Daten und graphischen Kurven. Bei einer solchen Einheit werden außerdem der aktuelle Luftdruck sowie die Raumtemperatur selbstständig ermittelt und im Programmablauf verwertet.

Aufgrund der erhaltenen Meßwerte ist es möglich, alle wichtigen Lungenfunktionsparameter zu ermitteln, und zwar insbesondere die Vitalkapazität, das inspiratorische Reservevolumen, das ex­ spiratorische Reservevolumen, das Atemzugvolumen, die forcierte Vitalkapazität, die absolute Sekundenkapazität sowie die re­ lative Sekundenkapazität. Die ermittelten Realwerte können mit gespeicherten Normalwerten in Relation gesetzt werden, was für die Auswertung eine wesentliche Erleichterung darstellt.

Mittels eines mikroprozessorgesteuerten Rechners kann aus dem im Pneumotachographen gemessenen Volumen in Relation zur Zeit­ achse sowohl die inspiratorische sowie die exspiratorische Flußvolumenkurve bestimmt werden, wodurch zusätzlich erfaßbar sind der maximale exspiratorische Fluß, der maximale in­ spiratorische Fluß sowie der forcierte exspiratorische Fluß und weitere Relativwerte.

Nachfolgend werden anhand der Zeichnung weitere erfindungs­ wesentliche Besonderheiten beschrieben; die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer be­ vorzugten Ausführungsform eines im Rahmen der Erfindung ver­ wendbaren Meßkopfes.

Der zur Bestimmung der Funktionsparameter dienende Meßkopf besteht aus einem vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten Rohr mit einem Durchmesser von etwa 25 bis 30 mm, das im Bereich seiner Mitte eine Erweiterung aufweist, die die eigentliche Meßvorrichtung aufnimmt.

An dem probandenseitigen Ende 1 des Rohres wird ein einen Weg­ werfartikel darstellendes Mundstück aufgesteckt, das der Proband während der Atemmessung im Mund halten muß.

Am gegenüberliegenden anderen Ende 6 des Rohres kann bei der Atemwiderstandsmessung ein Rohr oder ein Schlauch aufgesteckt werden, um eine Weichenfunktion bzg. einer über einen Anschluß 15 zuge­ führten Pulsluft mit Gleichstromanteil auszuüben.

Das gesamte Meßrohr mit den eingebauten Elementen ist steckbar mit einem Handgriff 10 verbunden. Diese Verbindung ist leicht lösbar ausgeführt, wodurch eine problemfreie Abnahme und Sterilisierung des Meßrohrs durchgeführt werden kann.

In Rohrmitte ist ein feinmaschiges Drahtnetz 8 angebracht, das sich über den gesamten Querschnitt des Rohres erstreckt und an dem der durch die Luftströmung hervorgerufene Druckabfall ge­ messen wird. Das Drahtnetz 8 besteht vorzugsweise aus nicht­ rostendem Metall und kann beispielsweise etwa 300 bis 400 Fäden pro Zoll aufweisen.

Um bei starker bzw. sehr starker turbulenter Strömung Meßfehler zu vermeiden, sind beiderseits des feinmaschiges Drahtnetzes 8 Siebe 7, 9 angeordnet, welche zu einer Verringerung auftretender Luftwirbel führen. Außerdem stellen diese Siebe einen mechanischen Schutz für das empfindliche Drahtnetz 8 dar.

Die Messung des Druckabfalls am Drahtnetz 8 erfolgt über einen Druckaufnehmer 11, insbesondere einen Piezo-Druckaufnehmer mit integriertem Verstärker. Dieser Druckaufnehmer ist mit dem Meß­ rohr über sehr kurze und völlig geschützt im Handgriff 10 liegende Verbindungsleitungen mit Ringkanälen 3, 5 verbunden, die im Meß­ rohr beiderseits des Drahtnetzes 8 ausgebildet sind. Eine Be­ sonderheit dieser Ringkanäle besteht darin, daß sie über mehrere über den Umfang verteilte Bohrungen mit dem Innenraum des Meß­ rohrs in Verbindung stehen und auf diese Weise jeweils ein Mittel­ wert des beiderseits des Drahtnetzes herrschenden Druckes ge­ bildet wird. Auf diese Weise werden Inhomogenitäten der Luft­ strömung - über den gesamten Querschnitt betrachtet - ausge­ schaltet.

Da die vom Probanden ausgeatmete Luft Körpertemperatur besitzt und eine relative Luftfeuchtigkeit von 100% aufweist, muß Vorsorge getroffen werden, um die Ausbildung eines Feuchtig­ keitsniederschlags auf der Oberfläche des Drahtnetzes 8 zu verhindern. Dieses feinmaschige Drahtnetz 8 muß daher zumindest auf Körpertemperatur erwärmt werden, um diese Niederschlags­ bildung zu verhindern. Ein sich bildendes Kondensat würde nämlich den Luftwiderstand des Drahtnetzes erhöhen und zu erheblichen Meßfehlern führen, und es bestünde außerdem die Gefahr, daß sich Keime aus der Atemluft in der feuchten Um­ gebung rasch vermehren.

Nach der Erfindung erfolgt die erforderliche Aufheizung des feinmaschigen, eine sehr geringe Masse besitzenden Drahtnetzes 8 auf induktive Weise, und zwar durch eine Spule 4, die in das Meßrohr eingebettet ist und das Drahtnetz 8 in dessen Ebene umschließt.

Aufgrund der geringen Masse des Drahtnetzes 8 kann eine sehr schnelle temperaturmäßige Steuerung dieses Drahtnetzes durch geringe Energiezufuhr erfolgen. Die Regelung der Temperatur erfolgt analog der Strömung, d. h. es wird Luftmenge und Richtung der Luftströmung in gleicher Weise berücksichtigt wie eine Berücksichtigung der Temperaturen der Strömung in der jeweiligen Richtung vorgenommen wird. Außerdem wird die mittlere Temperatur des Gitters über einen Fühler direkt gemessen. Die Temperatur der Luftströmung muß im wesentlichen nur richtungsabhängig unterschieden werden, da die Raumlufttemperatur automatisch erfaßt wird und dies die Temperatur der Luftströmung in der einen Richtung darstellt, während die Luftströmung in der anderen Richtung, die der Ausatmung des Probanden entspricht, im Regel­ fall etwa 37°, entsprechend der Körpertemperatur, beträgt. Wenn die entsprechenden Meßwerte zur Verfügung stehen, kann die Energiezufuhr zum Drahtnetz 8 über ein geeignetes Programm problemfrei und exakt gesteuert werden, was sich hinsichtlich der erzielbaren Meßgenauigkeit außerordentlich vorteilhaft auswirkt.

In gleicher Weise wie für die Differenzdruckerfassung ist es auch für die probandenseitig erfolgende Absolutdruckerfassung von wesentlichem Vorteil, daß der jeweilige Drucksensor im Handgriff 10 untergebracht ist und damit sehr kurze, keinerlei Knickgefahren ausgesetzte und damit auch das Meßergebnis in keiner Weise verfälschende Verbindungsleitungen verwendet werden können.

Für die Atemwiderstandsmessung ist die Erzeugung einer oszillierenden Luftströmung erforderlich. Dazu ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Handgriff 10 eine Membranpumpe 12 vorgesehen, die einen oszillierenden Luft­ strom erzeugt, welcher über einen Ringkanal 2 im Meßrohr in den Mund- und Rachenraum des Probanden geleitet wird. Der Oszillationsdruck im Mundraum wird mit einem Piezo- Absolutdruckmesser 13, der ebenfalls im Handgriff 10 unter­ gebracht ist, gemessen. Ein vorzugsweise flexibel aus­ gebildetes Spiralkabel 14 verbindet den Meßkopf mit der Recheneinheit.

Die Einspeisung des oszillierenden Luftstroms, der von der Pumpe 12 erzeugt wird, kann auch über den lediglich schematisch dargestellten Anschluß 15 erfolgen. Die Druckabnahme über den Absolutdrucksensor 13 bleibt bei dieser Ausführungsform unver­ ändert.

Die verwendete Pumpe zur Zuführung des oszillierenden Luftstromes ist bevorzugt so ausgebildet, daß sie ein sich leicht öffnendes Ansaugventil besitzt, wodurch ausgeschlossen wird, daß ein Rück­ saugen aus dem Schlauch durch die Pumpe selbst auftreten kann, da der Widerstand des entsprechenden Schlauchs bzw. der Verbindungs­ leitung zu hoch ist.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß die gepulste Luftzuführung, deren Pulsationsfrequenz vorzugsweise im Bereich von 2 bis 120 Hertz liegt, in der Weise und mit solchem Gleichstromanteil er­ folgt, daß ein Teil der zugeführten Luft ständig über das dem Probanden gegenüberliegende Ende des Meßkopfes austritt und auf diese Weise sichergestellt wird, daß der Patient ausschließlich frisch zugeführte Luft einatmet und kein Rücksaugen verbrauchter Luft erfolgt. Die Ableitung eines Teils der zugeführten Pulsluft erfolgt dabei nach Art einer Weiche, wobei die Weichenver­ hältnisse durch Wahl des Abschlußstücks bzw. durch Vorsehen eines Anschlußsschlauches vorgegeben werden. Dabei ist jedoch die Länge des Schlauches völlig unkritisch. Dies ist eine Folge davon, daß die Meßwerte über eine Absolutdruckmessung und eine Differenzdruckmessung unabhängig von einem bestimmten Abschluß­ widerstand erhalten werden.

Durch Messung mit frequenzmodulierten Oszillationen kann die Resonanzfrequenz der Atemwege des Probanden ermittelt werden. Da in diesem Falle der gemessene Widerstand identisch zum realen Strömungswiderstand der Atemwege ist, ergibt sich eine besonders hohe Meßgenauigkeit, und zwar insbesondere bei höher­ gradigen Obstruktionen.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitendes Gerät umfaßt einen Mikrocomputer, der den Meßablauf steuert und die ermittelten Meßdaten auswertet sowie diese in Form von Tabellen und Graphiken darstellt. Ein Bildschirm dient zur Kommunikation mit dem Mikro­ computer. Sämtliche Funktionsparameter werden über den bereits erläuterten Meßkopf ermittelt. Zur Dokumentation der Ergebnisse kann im Mikrocomputer ein Thermodrucker integriert sein, aber es ist auch ein externer Matrixdrucker anschließbar.

Sämtliche Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Ausführungs­ beispiel erläutert worden sind, werden als erfindungswesentlich betrachtet und sollen Schütz zumindest im Rahmen von Unteransprüchen genießen.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Lungenfunktionsanalyse mit einem Meßrohr (1, 6), das mit Drucksensoren (11, 13) zur Absolut- und Differenzdruck­ ermittlung gekoppelt ist, wobei an dem Meßrohr (1, 6) ein Anschluß (15) zur Einspeisung von Pulsluft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der dem Probanden abgewandten Seite des Meßrohrs (1, 6) zumindest während der Meßwertermittlung ein undefinierter Ab­ schlußwiderstand vorgesehen ist,
wobei die Pulsluft einen derart hohen Gleichstromanteil aufweist und das Meßrohr (1, 6) derart ausgebildet ist, daß ein Teil der einge­ speisten Pulsluft über den undefinierten Abschlußwiderstand ab­ leitbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußwiderstand durch ein Rohr oder einen Schlauch undefinierter Länge gebildet ist, der insbeson­ dere auf das Meßrohr (1, 6) aufgesteckt wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1, 6) mit einer Pumpe (12) zur Einspei­ sung von Pulsluft gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsluft einen derart hohen Gleichstrom­ anteil aufweist, daß stets ein Teil der Pulsluft zum Probanden gelangt, ein anderer Teil aber stets abgeführt wird, so daß der Proband ausschließlich Frischluft atmet.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1, 6) mit einem Handgriff (10) lösbar verbunden ist, in dem die Drucksensoren (11, 13) unterge­ bracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Verbindungsleitungen zwischen Drucksenso­ ren (11, 13) und Meßrohr (1, 6) im Handgriff (10) unter­ gebracht sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1, 6) mit einem feinmaschigen Drahtnetz (8) versehen ist, an dessen beiden Seiten die Druckerfas­ sung erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr auf der dem Probanden zugewandten Seite des Drahtnetzes mit einer Einlaßöffnung für die Pulsluft versehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1, 6) auf der dem Probanden abgewandten Seite des Drahtnetzes (8) mit einer Einlaßöffnung (15) für die Pulsluft versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtnetz (8) mit einer Einrichtung (4) zur Auf­ heizung desselben gekoppelt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtnetz (8) über eine Induktionsschleife (4) aufheizbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Regelung der Eigentemperatur des Drahtnetzes (8) in Abhängigkeit von Strömungsrich­ tung, Lufttemperatur und/oder Feuchtigkeit vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Drahtnetzes (8) im Meßrohr Ringkanä­ le (3, 5) ausgebildet sind, die einerseits über mehrere über den Umfang verteilte Bohrungen mit dem Innenraum des Meßrohrs (1, 6) und andererseits mit einem Differenz­ druckmesser (11) in Verbindung stehen, der im Handgriff (10) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkanäle (3, 5) über eine Vielzahl von Bohrun­ gen mit dem Meßrohrinnenraum verbunden sind, welche gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Drahtnetzes (8) Schutzsiebe (7, 9) angebracht sind.