DE4326374C2 - Referenzimpedanz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Referenzimpedanz für die dynami­ sche Kalibration der Druck- und Flowmeßeinrichtung eines Lungenfunktionsprüfgerätes zur oszillometrischen Messung des Atemwegwiderstandes (thorakopulmonale Impedanz) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung einer sol­ chen Referenzimpedanz zum Kalibrieren entsprechender Meß­ geräte und die Verwendung einer oder mehrerer solcher Referenzimpedanzen in einem Gerätes zur oszillometrischen Messung des Atemwegwiderstands.

Bei der oszillometrischen Bestimmung des Atemwegwiderstandes werden am Mund des Patienten Druckschwingungen appliziert und üblicherweise mit einem Druckwandler und einem Pneumotacho­ graphen die sich ergebenden Werte für Druck und Flow gemes­ sen. Hieraus kann man dann den Atemwegwiderstand als Quotient aus Druck und Flow ermitteln. Bei der Impulsoszillometrie (IOS) ist das applizierte Meßsignal ein mit einem Lautsprecher durch Anlegen eines elektrischen Rechteckimpulses erzeugter kurzzeitiger Druckimpuls, der in seinem Spektrum die für die Untersuchung benötigten Frequenzkomponenten von 0 bis 50 Hz enthält.

Bei derartigen Messungen müssen frequenzbezogene Verfälschun­ gen der Flow- und Drucksignale aufgrund geometrischer, pneu­ matischer und elektrischer Übertragungsfunktionen der Meßein­ richtung berücksichtigt und eliminiert werden. Zum Kalibrie­ ren der Druck- und Flowmeßeinrichtung in ihrem dynamischen Verhalten, d. h. im Frequenzgang, wird deshalb bei der Oszillo­ metrie, die ja auch die Frequenzebene zur Berechnung von Lungenfunktionsparametern heranzieht, an Stelle des Patienten eine Referenzimpedanz bekannter Größe angeschlossen. Mit Hilfe der in ihren Werten bekannten Referenzimpedanz läßt sich der Einfluß der Meßeinrichtung auf Ergebnisse der Messung numerisch erfassen. So kann ein Korrekturalgorithmus bestimmt werden, der diesen Einfluß eliminiert.

Für den routinemäßigen Einsatz oszillometrischer Verfahren ist die Kontrolle der dynamischen Kalibration im Hinblick auf die Vergleichbarkeit gemessener Parameter von eminenter Bedeutung.

Bisher wurden für diesen Zweck Referenzimpedanzen verwendet, die neben der rein resistiven Komponente erhebliche kapazi­ tive und/oder induktive Widerstandskomponenten besitzen (die kapazitive Komponente entspricht hier bekanntlich der adiaba­ tischen Komplianz oder Kompressibilität des Gases, während die induktive Komponente der Massenträgheit des Gases ent­ spricht). Ein typisches Beispiel hierfür ist ein zylindri­ sches Rohr, in das metallische Drahtsiebe eingesetzt sind (Eur Respir Rev, 1991, 1, Rev 3, 158-162). Derartige Impedan­ zen zeigen insbesondere bei relativ großen Flowamplituden, wie sie bei der Impulsoszillometrie auftreten, kein lineares Verhalten. Eine andere bekannte Impedanz, die aus einem Bündel einer Vielzahl dünner Glasröhrchen besteht (Eur Respir Rev, 1991, 1, Rev 3, 163-166) erweitert zwar den Bereich des linea­ ren Strömungsverhaltens, hat aber eine größere induktive Kom­ ponente. Die reaktiven Komponenten der bekannten Referenz­ impedanzen sind nur für bestimmte Flowwerte definiert, sie sind also flowabhängig.

Ähnliche Probleme treten bei einer aus der DE 39 03 857 A1 be­ kannten Vorrichtung zur Bestimmung des Atemtraktwiderstands eines Patienten nach der Methode der oszillatorischen Widerstandsbestimmung auf, in der als Referenzimpedanz ein einsei­ tig offener geeichter Luftschlauch verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für die Impulsozillometrie geeignete Referenzimpedanz anzu­ geben, die ein einfaches Kalibrieren ermöglicht und dabei ei­ nen genau reproduzierbaren und weitgehend flowunabhängigen Widerstandswert hat.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale der Referenzimpedanz gelöst. Die Verwendung der Referenzimpedanz in einem Gerät zur oszillometrischen Messung des Atemwegwiderstands und zum Kalibrieren eines solchen Gerät ist in den unabhängigen Ansprüchen 9 und 10 angegeben. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, das Verhalten der Meßeinrichtung lastabhängig auch bei größeren Flowampli­ tuden und bei sehr unterschiedlichen Geräten zuverlässig zu messen und in einer entsprechenden Systemkorrektur zu berück­ sichtigen.

Besonders vorteilhaft ist die vorzugsweise durch einen kreis­ runden Siebwiderstand gebildete Referenzimpedanz, weil sie erfindungsgemäß so ausgestaltet sein kann, daß die nicht re­ sistiven Komponenten der Impedanz vernachlässigbar klein sind. Eine gegebenenfalls noch vorhandene geringe Reaktanz ist ebenfalls genau definierbar und flowunabhängig. Hierdurch wird die Kalibration erheblich vereinfacht. Der rein resisti­ ve Siebwiderstand ist in Betrag und Phase im interessierenden Frequenzbereich bis 50 Hz frequenzlinear.

Besonders bei dem oben erwähnten routinemäßigen Einsatz oszillometrischer Verfahren zeigen sich die Vorteile der beschriebenen Referenzimpedanz, die keine komplexen Impedanz­ charakteristiken erzeugt, sondern einen definierten frequenz­ unabhängigen Resistanzverlauf und eine Reaktanz im Null­ bereich.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläu­ tert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Aus­ führungsform der Referenzimpedanz;

Fig. 2 den Aufbau eines dreilagigen Siebwiderstandes der Re­ ferenzimpedanz, dessen mittlere Sieblage ein ausgestanztes Loch enthält, über dessen Größe der absolute Siebwiderstandswert hochgenau abgleichbar ist;

Fig. 3 den Meßkopf eines IOS-Prüfgerätes, an den die hier beschriebene Referenzimpedanz angeschlossen ist;

Fig. 4 Kurven des Druck-Flow-Verlaufes bei Referenzim­ pedanzen mit unterschiedlichen Widerstandswerten; und

Fig. 5 typische Werte der Resistanz und Reaktanz einer Referenzimpedanz gemäß Fig. 1 und 2.

Wie in Fig. 1 erkennbar ist, besteht die Referenzimpedanz im wesentlichen aus einem flachen, scheibenförmigen Siebwider­ standselement 3, das am freien Ende einer nach außen geschlos­ senen Strömungsanlaufstrecke 2 mit kreisförmigem Querschnitt montiert ist, die am anderen Ende in ein zum Anschluß an die Meßeinrichtung dienendes, beispielsweise allgemein zylindri­ sches oder konisches Anschlußrohrstück 1 übergeht und sich von diesem bis zum Umfang der senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden (in Fig. 1 nicht sichtbaren) kreisrunden Anström­ fläche annähernd parabolisch oder trompetenförmig erweitert. Das Strömungsprofil erweitert sich vom Anschlußrohrstück 1 mit einem Innendurchmesser von z. B. 26 mm auf einen Siebwider­ standsdurchmesser von z. B. 55 mm. Dabei beträgt der Abstand zwischen Konus und Sieb etwa 40 mm. Das aus dem Rohrstück 1 und der Anlaufstrecke 2 gebildete Formteil besteht aus star­ rem Kunststoffmaterial. Insbesondere die Anlaufstrecke soll starre Wände haben.

Die zur Anlaufstrecke, d. h. zum Strömungskanal entgegenge­ setzte Seite 4 des Siebwiderstandselements 3 liegt zur Um­ gebung offen und frei (im Gegensatz zu bekannten Pneumotacho­ graphen, die den Druckabfall an einem Siebwiderstand zwischen zwei einander ähnlichen Rohrstücken bestimmen).

Die bei 5 angedeutete, aus einem Kunststoffbügel und/oder einer Metallfassung bestehende Verschlußkonstruktion zur aus­ wechselbaren Halterung des Siebwiderstandselements 3 bedeckt nur den Rahmen des Metallsiebes und engt den aktiven Siebquer­ schnitt nicht ein.

Das Siebwiderstandselement 3 besteht vorzugsweise aus drei aufeinanderliegenden Sieblagen gleicher Größe, die aus dem­ selben beispielsweise gewebten, insbesondere metallischen Sieb- oder Netzmaterial hergestellt sein können. Vorzugsweise findet ein Edelstahlgewebe mit einer Drahtstärke von 30 µm und einer Maschenweite von 33 µm Anwendung (die Werkstoff­ bezeichnung lautet 1.4301). Während die beiden außenliegenden Sieblagen die in Fig. 2 dargestellte, ununterbrochene Ober­ fläche haben, ist aus der mittleren Sieblage eine im Ver­ gleich mit den Siebmaschen große zentrale kreisrunde Öffnung 6 (beispielsweise mit einem Durchmesser von ungefähr 3 cm) ausgestanzt oder auf andere Weise ausgenommen. Über die Größe der ausgestanzten Fläche läßt sich der absolute Widerstands­ wert hochgenau einstellen.

Weiterhin bewirkt das ausgestanzte Loch in Verbindung mit den beiden äußeren Sieblagen und dem Kunststoffformteil einen linearen Frequenzgang ohne Resonanzstellen im Bereich von 0 bis 50 Hz.

Fig. 3 zeigt den Meßkopf 10 eines nach dem bekannten Prinzip der Impulsoszillometrie (IOS) arbeitenden Lungenfunktions­ prüfgerätes zum Messen des Atemwegwiderstandes des Menschen, für das die beschriebene Referenzimpedanz erfindungsgemäß verwendet wird. Der Meßkopf enthält den Lautsprecher 11 zum Erzeugen der Testimpulse. Die Modulation des Atemstromes durch das Testsignal findet im Y-Verbindungsstück 12 statt. Der Patient atmet über Abschlußwiderstände 15 zur Umgebungs­ luft. Dem Atemstrom überlagert werden die im Y-Verbindungs­ stück 12 durch den Lautsprecheranschluß zugeführten Test­ signale. Der vom Testsignalfluß überlagerte Atemstrom (V') wird in üblicher Weise mit einem Pneumotachograph 13 am Munde des Patienten gemessen. Zusätzlich befindet sich direkt zwi­ schen einem Mundstück und dem Pneumotachograph ein Druck­ sensor 14, der den Munddruck (P) registriert. Der Druck-Flow- Quotient ist die zu bestimmende thorakopulmonale Impedanz des. Patienten.

Zum Kalibrieren des Meßkopfes wird dagegen am Ausgang des Drucksensors 14 die Referenzimpedanz gemäß Fig. 1 mit ihrem dem erwähnten Mundstück ähnlichen Anschlußkonus 1 ange­ schlossen.

Vorzugsweise ist das rein resistiv wirkende Siebwiderstands­ element 3 am freien Ende der Strömungsanlaufstrecke 2 aus­ wechselbar in einer von Hand lösbaren Schnellverschlußkon­ struktion montiert; die schon erwähnte Verschlußkonstruktion 5 kann beispielsweise als Bajonettverschluß ausgebildet sein. Die leichte Austauschbarkeit der Siebwiderstände und ihre technologische Güte ermöglichen die Bereitstellung von Referenzimpedanzen, welche die gesamte Breite des physio­ logischen Impedanzspektrums des Menschen überdecken und damit eine noch genauere Überprüfung des Systemverhaltens erlauben.

Andererseits kann dieselbe Referenzimpedanz zum Justieren verschiedener Lungenfunktionsgeräte verwendet werden, so daß beispielsweise die Geräte verschiedener Labors verglichen und standardisiert werden können.

Wie schon erwähnt wurde, zeichnet sich die beschriebene Referenzimpedanz durch weitgehende Flowunabhängigkeit aus, d. h. man kann die Referenzimpedanz auch bei relativ großen Strömungsamplituden einsetzen. Strömungstechnisch stellt der zur Ankopplung an das System notwendige, vom Rohrstück 1 ge­ bildete Anschlußkonus eine Lochblende dar, die ein quadrati­ sches flowabhängiges Widerstandsverhalten hat. Diese Kompo­ nente, hier mit R* bezeichnet, kann grundsätzlich nicht eliminiert werden. Durch geeignete Wahl des Siebwiderstands läßt sich das Verhältnis zum nichtlinearen Teil aber beliebig zu Gunsten des Siebwiderstands vergrößern. Für die Impuls­ oszillometrie veranschaulicht die nachfolgende Tabelle, daß selbst ohne Berücksichtigung der quadratischen Eingangskompo­ nente der Fehler bei Siebwiderständen größer als 2 hPa/l/s in vertretbaren Grenzen gehalten werden kann:

Die vollständige Ersatzschaltung der Referenzimpedanz besteht demzufolge aus der Reihenschaltung von nichtlinearer Kompo­ nente R* und dem Siebwiderstand R_z. Die nichtlineare Kompo­ nente der Referenzimpedanz am Anschlußkonus berechnet sich nach der allgemeinen Formel

R* = k × V',

wobei der konstante Faktor k je nach Anschlußkonus zu ermit­ teln ist. Beispielsweise wurde für einen Anschlußkonus mit einem Innendurchmesser von 26 mm ein k von 2,56 hPa/(l/s)² bestimmt. Mathematisch ist es mit Hilfe der angegebenen For­ mel möglich, das Verhalten der Referenzimpedanz über einen Flowbereich bis 18 l/s zu linealisieren.

In Fig. 4 sind Druck-Flow-Verläufe dargestellt, die für ver­ schiedene Referenzimpedanzen aufgezeichnet wurden, ohne Kor­ rektur der nichtlinearen Widerstandskomponente. Flowampli­ tuden, wie sie bei der Impulsoszillometrie auftreten, sind durch die gestrichelte Einrahmung hervorgehoben. Mindestens im Bereich dieser Einrahmung ist der Druck-Flow-Quotient hin­ reichend konstant, das Widerstandsverhalten demzufolge linear.

Neben der Flowunabhängigkeit wirkt die beschriebene Referenz­ impedanz aufgrund zweckmäßiger Form der Strömungsanlauf­ strecke in Verbindung mit dem Siebwiderstand im wesentlichen rein resistiv. Das in der Referenzimpedanz eingeschlossene Luftvolumen erzeugt eine für die Messung zu vernachlässigende Komplianz (Nachgiebigkeit), so daß diese Komponente für praktische Zwecke als Null definiert werden kann. Ähnliches gilt für die Induktanz.

Der typische Verlauf von Resistanz und Reaktanz einer bei praktischen Versuchen verwendeten Referenzimpedanz gemäß Fig. 1 von 200 Pa/l/s in Abhängigkeit von der Frequenz ist in Fig. 5 gezeigt. Dabei stellen die obere Kurve die gemessene Resi­ stanz und der untere Verlauf die gemessene Reaktanz dar.

Claims (10)

1. Referenzimpedanz für die dynamische Kalibration der Druck- und Flowmeßeinrichtung eines Lungenfunktionsprüfgerätes zur oszillometrischen Messung des Atemwegwiderstandes,
mit einem resistiv wirkenden Widerstandselement (3) mit quer zur Strömungsrichtung verlaufender Anströmfläche
und mit einem mit dem Widerstandselement (3) über eine Strö­ mungsanlaufstrecke (2) verbundenen Rohrstück (1) zum Anschluß an eine Meßeinrichtung (10),
wobei die entgegengesetzt zur Strömungsanlaufstrecke (2) lie­ gende Fläche (4) des Widerstandselements (3) zur Umgebung offen liegt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche des resistiven Widerstandselements (3) wesentlich größer ist als die Quer­ schnittsfläche des Rohrstücks (1) an der Stelle des Anschlusses an die Meßeinrichtung (10) und die Strömungsanlaufstrecke (2) sich bis zum Umfang der Anströmfläche hin stetig erweitert.

2. Referenzimpedanz nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Widerstandselement (3) und die Strömungsan­ laufstrecke (2) zwischen der Anschlußstelle des Rohrstücks (1) und dem Widerstandselement (3) derart ausgebildet sind, daß die nicht resistiven Komponenten der Referenzimpedanz vernachläs­ sigbar klein sind.

3. Referenzimpedanz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungsanlaufstrecke (2) sich von einem zylindrischen oder konischen Rohrstück (1) annähernd parabo­ lisch oder trompetenförmig zum Umfang der Anströmfläche des Wi­ derstandselements (3) hin erweitert.

4. Referenzimpedanz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Anströmfläche des Widerstandselements (3) größer ist als die in Strömungs­ richtung gemessene Länge des sich erweiternden Teils der Strö­ mungsanlaufstrecke (2).

5. Referenzimpedanz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) mindes­ tens drei aufeinanderliegende Sieblagen enthält und aus der mittleren Sieblage eine zentrale Öffnung (6) ausgenommen ist.

6. Referenzimpedanz nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) aus einem Metallgewebe mit einer Maschenweite von ungefähr 30 bis 40 µm gebildet ist.

7. Referenzimpedanz nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das resistive Widerstandsele­ ment (3) am freien Ende der Strömungsanlaufstrecke (2) auswech­ selbar in einer von Hand lösbaren Schnellverschlußkonstruktion (5) montiert ist.

8. Referenzimpedanz nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl auswechselbarer Widerstandselemente (3) mit unterschiedlichen Widerstandswerten verfügbar ist, die den für die Messung relevanten Teil des phy­ siologischen Spektrums der Atemwegimpedanzen des Menschen abde­ cken.

9. Verwendung einer Referenzimpedanz nach einem der vo­ rangehenden Ansprüche zum Kalibrieren eines Gerätes zur oszil­ lometrischen Messung des Atemwegwiderstands des Menschen und/oder zum Korrigieren der mit dem Gerät gewonnenen Meßergeb­ nisse.

10. Verwendung einer oder mehrerer Referenzimpedanzen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Gerät zur oszillo­ metrischen Messung des Atemwegwiderstands mit einer einen Druckimpulserzeuger (11), einen Flowmesswandler (13) und einen Druckmesswandler (14) enthaltenden Messeinrichtung (10), an die die Referenzimpedanzen anschließbar sind.