DE60033471T2

DE60033471T2 - Verfahren zur messung der funktionellen residualkapazität

Info

Publication number: DE60033471T2
Application number: DE60033471T
Authority: DE
Inventors: Erkki Heinonen
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: DE60033471D1; EP1065973B1; WO2000044280A1; EP1065973A1; US6139506A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Messen der pulmonalen funktionalen Restkapazität (FRK) eines Subjekts. Die funktionale Restkapazität (FRK) ist das Gasvolumen, das nach einer nicht erzwungenen Ausatmung bzw. Exhalation in den Lungen verbleibt.
Derzeit werden zwei Verfahren verwendet, um die funktionale Restkapazität zu messen. Bei einem derartigen Verfahren wird das Subjekt in einem gasdichten Körperkasten positioniert. Die Luftwege des Subjekts werden abdichtend mit einer Atmungsleitung verbunden, der mit dem Raum außerhalb des Körperkastens verbunden ist. Der Kreislauf weist ein Ventil oder eine andere Einrichtung zum vorübergehenden Schließen der Leitung auf. Durch Messen der Lungendrücke und der Drücke in dem Kasten bei verschiedenen Atmungszuständen und Ventilbedingungen kann die funktionale Restkapazität ermittelt werden.
Jedoch ist dieses Verfahren nicht für bedenklich Kranke und/oder künstlich beatmete Patienten geeignet, da eine spontane Atmungshandlung und eine Bewegung des Patienten in den und aus dem Körperkasten erforderlich sind.
Die Inertggas-Wash-out-Messtechnik bezüglich der funktionalen Restkapazität beruht auf einer Bestimmung der Menge an aus den Lungen des Subjekts exhaliertem Gas und entsprechender Veränderungen von Gaskonzentrationen bei dem exhalierten Gas. Das zur Messung verwendete Gas ist in dem Sinne inert, als es während der Atmung nicht verbraucht wird.
Dieses Gas wird manchmal auch als „Marker"-, „Tracer"- oder „Indikator"-Gas bezeichnet. Übliche Gase, die für Messungen der funktionalen Restkapazität verwendet werden, sind Stickstoff, Helium, Argon und Schwefelhexafluor (SF₆). Stickstoff wird verwendet, um die nachfolgende Technik zu beschreiben.
Anfänglich enthält das die funktionale Restkapazität bildende Lungenvolumen Stickstoff im selben Prozentsatz wie in Luft, d.h. etwa 80%. Bei der Wash-out- bzw. Auswasch-Messtechnik beginnt das Subjekt, reinen Sauerstoff zu atmen. Mit jedem Atemzug wird Stickstoff in den Lungen durch Sauerstoff ersetzt, oder anders herum ausgedrückt, wird der Stickstoff durch den Sauerstoff aus den Lungen „ausgewaschen". Das Atmen reinen Sauerstoffs könnte fortgesetzt werden, bis der gesamte Stickstoff aus den Lungen herausgewaschen ist. Bei praktischen Verwendungen der Technik wird das Atmen reinen Sauerstoffs fortgesetzt, bis die Stickstoffkonzentration in den ausgeatmeten Atmungsgasen unter eine gegebene Konzentration abfällt.
Der Kern der Inertgas-Auswasch-Technik besteht darin, das Volumen an aus den Lungen herausgewaschenem Inert- oder Indikatorgas zu bestimmen und, nachdem die anfängliche Konzentration an Indikatorgas in den Lungen bekannt ist, die funktionale Restkapazität der Lungen aus diesen Quantitäten zu berechnen. Im Fall von Luft und Stickstoff beträgt die anfängliche Stickstoffkonzentration in den Lungen 80%. Das Volumen ausgewaschenen Stickstoffs beträgt somit 80% des Lungenvolumens. Wenn die Menge herausgewaschenen Stickstoffs 1.870 ml beträgt, beträgt das FRK-Volumen somit 2.337 ml (d.h. 1.870 geteilt durch 0,8).
Eine direkte Art und Weise, das Inertgas-Wash-out-Verfahren zum Bestimmen des FRK-Volumens durchzuführen, ist in dem Biomedical Engineering Handbook, CRC Press, 1995, ISBN 0-8493-8346-3, S. 1237–1238, beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Verfahren atmet das Subjekt reinen Sauerstoff ein und atmet in ein anfänglich leeres Sammelreservoir aus, bis die ausgeatmete Stickstoffkonzentration unter eine gewünschte Konzentration abfällt, beispielsweise einen Ende-des-Atemzugs-Wert unter 1%. Das ausgeatmete Volumen wird anschließend gemessen, und die Konzentrationsmenge an Stickstoff in dem ausgeatmeten Volumen wird z.B. mittels eines Spektrometers ermittelt. Das Produkt des ausgeatmeten Gasvolumens und der Stickstoffkonzentration ist die Menge an ausgeatmetem Stickstoff. Wie oben erwähnt wurde, ergibt die zuletzt genannte Quantität geteilt durch die ursprüngliche Stickstoffkonzentration (im Fall von Luft 0,8) das FRK-Volumen. Die vorstehende Ermittlung kann als
ausgedrückt werden, wobei F_N2 die Stickstoffkonzentration in dem gesammelten Gas ist; V_E das Volumen an ausgeatmeten Gasen ist und 0,80 die Stickstoffkonzentration in Luft ist.
Obwohl das vorstehende Verfahren einfach ist, erfordert es jedoch eine sperrige Ausrüstung, um Dutzende Liter ausgeatmeten Gases aufzufangen. Ferner ist es notwendig, zu gewährleisten, dass in dem System keine Lecks vorhanden sind, so dass der Patient lediglich Sauerstoff einatmet und lediglich in das Sammelreservoir ausatmet.
Statt die Menge an Inertgas, das in ein Sammelreservoir ausgeatmet wird, zu messen, kann die Quantität exhalierten Gases erhalten werden, indem das Produkt eines momentanen ausgeatmeten Gasstroms und der entsprechenden Inertgaskonzentration integriert wird. Ein derartiges Messverfahren ist in Crit Care Med, Vol. 18, Nr. 1, 1990, S. 84–91, und im Yearbook of Intensive Care and Emergency Medicine, Springler, 1998 (ISBN 3-540-63798-2), S. 353–360, beschrieben.
Dieser Ansatz kann als
ausgedrückt werden, wobei Q . der exhalierte Gasstrom ist, t_B die Anfangszeit des Wash-outs ist und t_E die Endzeit ist. Der Nenner der Gleichung gibt an, dass es äußerst genau ist, zu sagen, dass das Inertgas in den Lungen die Differenz zwischen dem Anfangswert F_n2(t_B) und dem Endwert F_n1(t_E) ist.
Jedoch weist diese Technik auf Grund des Erfordernisses einer präzisen Synchronisierung des Gasflusses und der Konzentrationsmessungen Schwierigkeiten auf. Diese präzise Synchronisierung kann auf Grund verschiedener Verzögerungen in den verschiedenen Sensoren in Bezug auf den Fluss und die Konzentration schwierig zu erhalten sein. Je nach dem verwendeten Indikatorgas weist die Technik ferner eine Verzögerung auf, die durch das Einwaschen (engl.: wash-in) des Indikatorgases vor dem Beginn der Messung verursacht wird. Außerdem kann die Messung durch Lecks im Messsystem gestört werden. Dies kann beispielsweise bei pädiatrischen Patienten auftreten, bei denen üblicherweise nicht-abgedichtete Intubationsschläuche verwendet werden, oder wenn eine Atmungsmaske an dem Subjekt nicht vollkommen abgedichtet ist. In einem solchen Fall entweicht eine unmessbare Menge des Indikatorgases aus der zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität verwendeten Menge. Eine ähnliche Technik wie oben wurde durch das Verfahren und die Vorrichtung implementiert, das bzw. die in der EP 0653183 offenbart wurden.
Analog zu der oben beschriebenen Wash-out-Messtechnik ist es auch möglich, ein Wash-in eines Indikatorgases zur Messung der funktionalen Restkapazität zu verwenden. Eine derartige Technik und Vorrichtung sind in der europäischen Patentveröffentlichung EP 791,327 beschrieben. Diese Technik beinhaltet auch eine Augenblicksmessung des Gasflusses und der entsprechenden Indikatorgaskonzentration und eine Integration des Produkts daraus, um Indikatorgasquantitäten zu bestimmen. Bei der Wash-in-Technik werden die Messungen sowohl für eingeatmete als auch ausgeatmete Mengen an Indikatorgas durchgeführt. Ähnlich der Wash-out-Technik weist diese Technik jedoch die Schwierigkeit der Synchronisierung der zwei Messungen und einer Sensibilität bezüglich Lecks im System auf.
Ferner erfordern alle vorstehenden Techniken, dass das Subjekt zuerst mit einem Gas, z.B. Luft, und dann einem anderen Gas, z.B. reinem Sauerstoff, beatmet wird. Wenn das Subjekt, dessen funktionale Restkapazität auf diese Weise ermittelt wird, ein bedenklich kranker Patient ist, ist eine Veränderung der Konzentration an eingeatmetem Sauerstoff medizinisch eventuell nicht ratsam oder unmöglich.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Somit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen der funktionalen Messkapazität eines Subjekts zu liefern, das die oben erwähnten Unzulänglichkeiten existierender Techniken/Vorrichtungen vermeidet.
Im Einzelnen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein derartiges Verfahren zu liefern, das lediglich zu einer minimalen Störung des natürlichen Atmungsablaufs des Systems führt, um dadurch das Erhalten von Messungen der funktionalen Restkapazität bei einem bedenklich kranken Patienten oder einem ähnlichen Subjekt zu erleichtern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein derartiges Verfahren zu liefern, das eine genaue Bestimmung der funktionalen Restkapazität ungeachtet des Vorliegens von Lecks, von nicht-abgedichteten Intubati onsschläuchen und dergleichen bei Atmungsgeräten, die dem Subjekt zugeordnet sind, ermöglicht. Die Technik der vorliegenden Erfindung ist somit in der Lage, genaue FRK-Messungen von Subjekten wie z.B. pädiatrischen Patienten zu erhalten.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine genau ermittelte Menge an Indikatorgas den durch das Subjekt eingeatmeten Atmungsgasen zuzuführen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Indikatorgas Schwefelhexafluor (SF₆) sein. Das Vorliegen eines derartigen Gases kann ohne weiteres überwacht werden, so dass zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität sehr geringe Quantitäten des Gases, beispielsweise Konzentrationen von weniger als 1,0% oder sogar Quantitäten von weniger als 0,5%, verwendet werden können. Die Verwendung derartiger niedriger Konzentrationen an Indikatorgas minimiert Veränderungen des natürlichen Atmungsablaufs des Subjekts.
Das Indikatorgas wird auf eine Weise bereitgestellt, die gewährleistet, dass das gesamte Indikatorgas den Lungen des Subjekts zugeführt wird. Ferner ist erwünscht, dass sich das Indikatorgas so einheitlich wie möglich mit den Atmungsgasen in den Lungen des Subjekts vermischt. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass eine diskrete Dosis des Indikatorgases in die Atmungsgase des Subjekts injiziert wird. Der Beginn der Gabe wird auf den Beginn der Einatmung abgestimmt, und die Gabe endet, bevor die Lungen gefüllt sind, d.h. während sich die Atmungsgase immer noch in die Lungen des Patienten hineinbewegen.
Die Menge an Indikatorgas, das durch das Subjekt ausgeatmet wird, wird gemessen, z.B. durch Integrieren des Produktes eines momentanen Ausatmungsgasflusses und der entsprechenden Konzentration an Indikatorgas während der Ausatmung.
Eine Subtraktion der Menge an ausgeatmetem Indikatorgas von der Menge an eingeatmetem Indikatorgas liefert die Menge an Inertgas, das am Ende der Ausatmung in den Lungen des Subjekts verbleibt, d.h. die Menge an Indikatorgas in der funktionalen Restkapazität (FRK) der Lungen des Subjekts. Die Konzentration an Indikatorgas in den ausgeatmeten Gasen, beispielsweise die Ende-des-Atemzugs-Konzentration, kann als identisch mit der Konzentration des Indikatorgases in der funktionalen Restkapazität der Lungen des Subjekts angenommen werden. Das Volumen der funktionalen Restkapazität kann somit ermittelt werden, indem das Volumen an in den Lungen des Subjekts verbleibendem Indikatorgas durch die Konzentration des Indikatorgases in den ausgeatmeten Gasen dividiert wird. Dies wird in der nachfolgenden Gleichung 3 ausgedrückt.
wobei V_ein die Menge an eingeatmetem Indikatorgas ist, Q der Ausatmungsgasfluss ist und F die entsprechende Indikatorgaskonzentration ist.
Serien bzw. Sequenzen von Atemzügen und eine mehrdimensionale Regressionsanalyse von Datensätzen, die aus den Atemzügen derartiger Serien erhalten werden, werden dazu verwendet, die Genauigkeit der Ermittlung der funktionalen Restkapazität zu verbessern. Eine derartige Analyse beinhaltet einen veränderbaren Regressionskoeffizienten, der die Genauigkeit der Bestimmung der funktionalen Restkapazität ungeachtet des Vorliegens von Atmungsgaslecks oder anderen Fehlerquellen gewährleistet.
Weiterentwicklungen des oben beschriebenen Verfahrens der vorliegenden Erfindung, beispielsweise eine Kompensation von anatomischen Toträumen, eine Vereinfachung von Annahmen bei der Ermittlung der Menge an ausgeatmetem Indikatorgas und dergleichen, sind in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm der Vorrichtung, die zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
2 ist ein Flussdiagramm, das bestimmte Wirkprinzipien, die bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, veranschaulicht;
3A und B sind ein Flussdiagramm, das die Schritte des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4 ist ein Orthogonalachsen-Raumsystem, das die Art und Weise, auf die die funktionale Restkapazität mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung bestimmt wird, graphisch zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
1 zeigt eine Vorrichtung, die zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität der Lungen 10 eines Subjekts geeignet ist. Das Subjekt atmet ein Atmungsgas oder Atmungsgase durch einen Atmungskreislauf, der einen Atmungsschlauch 12 umfasst. Der Schlauch 12 kann mit einer Gesichtsmaske für das Subjekt verbunden sein, oder der Schlauch 12 kann ein Endotrachealtubus sein, der in die Trachea des Subjekts platziert wird. Das Subjekt kann spontan oder mit der Unterstützung eines Respirators oder einer anderen Beatmungsvorrichtung 14 durch Komponenten des Atmungskreislaufs atmen, die einen Inhalationszweig 16 und einen Exhalationszweig 18 umfassen, die durch einen Y-Verbinder 20 mit dem Atmungsschlauch 12 verbunden sind.
Wenn ein Respirator verwendet wird, können die Atmungsgase für das Subjekt aus Gasvorräten wie z.B. mit Druck beaufschlagten Gaszylindern 22 und 24 sowie durch eine Leitung 26, die Umgebungsluft liefert, bereitgestellt werden. Durch eine Steuerung 30 gesteuerte Ventile 28a, 28b und 28c bestimmen die Zusammensetzung von durch das Subjekt eingeatmeten Gasen.
Die Steuerung 30 bestimmt ferner die Atmungsrate, die Menge an dem Patienten bereitgestellten Inhalationsgasen, den Betrag des Enddrucks, dem der Patient unterworfen wird, und andere Aspekte der Atmung des Subjekts mittels eines Inhalationsventils 32 und eines Exhalationsventils 34. Das Inhalationsventil 32 ist mit dem Inhalationszweig 16 verbunden. Das Exhalationsventil 34 ist dem Exhalationszweig 18 verbunden und gibt üblicherweise die ausgeatmeten Gase an die Atmosphäre ab, beispielsweise durch eine Leitung 36.
Das Vorstehende beschreibt einen Respirator eines allgemein herkömmlichen Aufbaus.
In dem Atmungsschlauch 12 oder dem Respirator ist ein Strömungssensor 40 zum Bestimmen der Gasströmungsrate in dem Atmungsschlauch, insbesondere während der Ausatmungsphase des Atmungszyklus, vorgesehen. Der Strömungssensor 40 kann ein Strömungssensor eines beliebigen geeigneten Typs sein, beispielsweise kann er ein Pneumotachograph sein, der den Druckabfall über einen Strömungsbegrenzer, ein Turbinenrad, einen Anemometer oder dergleichen nutzt, um die Strömung zu bestimmen. Die Ausgabe des Strömungssensors 40 wird der Schaltungsanordnung 42 bereitgestellt, um das physische Phänomen, das in dem Strömungssensor auftritt, in eine Signalangabe der Gasströmungsrate umzuwandeln. Der Strömungssensor 40 oder der Atmungsschlauch 12 kann auch eine Verbindung für eine Abtastschaltung 44 umfassen, die mit einer Vorrichtung 46 zum Bestimmen der Konzentration einer oder mehrerer ausgewählter Komponenten der Gase in der Atmungsleitung 12 verbunden ist. Eine derartige Konzentrationsbe stimmungsvorrichtung kann ein Infrarot-Spektrometer, ein Massenspektrometer oder eine andere geeignete Einrichtung umfassen. Alternativ dazu kann ein Gaskonzentrationssensor in dem Atmungskreislauf angeordnet sein, um Gaskonzentrationen in dem Atmungskreislauf zu messen.
Die in 1 gezeigte Atmungsvorrichtung umfasst ferner eine Einrichtung zum Liefern einer genau bestimmten Menge eines Indikatorgases in den Atmungskreislauf für den Patienten. Das Indikatorgas kann aus einer mit Druck beaufschlagten Tankquelle 48 geliefert werden. Wie oben erwähnt wurde, ist das Indikatorgas ein Gas wie z.B. Stickstoff, Helium, Argon oder, wie es derzeit als vorzuziehen erachtet wird, Schwefelhexafluor (SF₆). Eine Dosierungsvorrichtung, wie z.B. ein elektrisch gesteuertes Ventil 50, ist mit dem Auslass der Indikatorgasquelle 48 verbunden. Die Dosierungsvorrichtung 50 liefert präzise gesteuerte diskrete Dosen oder Pulse an Indikatorgas an die Versorgungsleitung 52 zur Lieferung an den Atmungsschlauch 12.
Die Dosierungsvorrichtung 50 wird durch eine Funktionale-Restkapazität-Messschaltung 54 gesteuert. Wenn ein Respirator verwendet wird, empfängt die Funktionale-Restkapazität-Messschaltung 54 eine Eingabe von der Respiratorsteuerung 30 zum Steuern der Zeitgebung der Lieferung der Indikatorgasdosen an den Atmungsschlauch 12. Oder es kann zu diesem Zweck ein Sensor in dem Atmungskreislauf vorgesehen und mit der Schaltung 54 verbunden sein. Der Sensor kann ein Drucksensor sein, oder je nach der Art des als Strömungssensor 40 verwendeten Sensors kann es möglich sein, den Strömungssensor 40 zu diesem Zweck zu verwenden. Die Funktionale-Restkapazität-Messschaltung 54 empfängt ferner Eingaben von der Strömungsratenschaltung 42 und der Konzentrationsmessvorrichtung 46.
Um eine exakte Messung der funktionalen Restkapazität zu erhalten, ist es wünschenswert, die genaue Dosis an Indikatorgas auf eine solche Weise den durch das Subjekt eingeat meten Atmungsgasen zuzuführen, dass gewährleistet ist, dass die gesamte Indikatorgasdosis in die Lungen des Subjekts abgegeben wird. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass der Beginn der Verabreichung der gemessenen Menge an Indikatorgas mit dem Beginn der Inhalation durch das Subjekt synchronisiert wird und dass das Indikatorgas in einem Puls abgegeben bzw. verabreicht wird, der endet, bevor die Inhalation endet und die Versorgung der Lungen mit eingeatmeten Atmungsgasen aufhört. Der Sensor, z.B. ein Drucksensor oder Strömungssensor 40, der in dem Atmungsschlauch 12 vorgesehen ist, kann dazu verwendet werden, den Beginn der Inhalation zu erfassen. Oder, wenn ein Respirator 14 verwendet wird, können Signale, die durch die Steuerung 30 an die Funktionale-Restkapazität-Messschaltung 54 geliefert werden, dieses Ergebnis erzielen, indem sie den Betrieb der Schaltung 54 und der Dosierungsvorrichtung 50 mit dem Betrieb des Respirators koordinieren.
Wenn das Indikatorgas zu Beginn der Einatmung abgegeben wird, kann die Auswirkung eines Lecks in dem Atmungskreislauf verringert oder ausgeschaltet werden. Ein derartiges Leck tritt am allerwahrscheinlichsten am Ende der Einatmung oder am Anfang der Ausatmung auf, wenn der Druck in den Lungen am größten ist. Dadurch, dass das Indikatorgas zu Beginn der Einatmung abgegeben wird, wenn die Drücke noch niedrig sind, tritt dieses Leck nicht auf, und das gesamte Indikatorgas wird in die Lungen des Subjekts abgegeben. Die Dauer des Indikatorgaspulses kann gemäß dem Atmungszyklus des Subjekts ausgewählt werden, so dass die Abgabe des Indikatorgases abgeschlossen ist, bevor die Inhalation endet.
Somit kann das Austrittsende der Indikatorgasversorgungsleitung 52 so nahe bei den Lungen wie möglich platziert werden, um die Verabreichung des Indikatorgases in die Lungen des Patienten zu unterstützen. Wenn beispielsweise ein Endotrachealtubus verwendet wird, kann das Austrittsende der Versorgungsleitung 52 an dem distalen Ende des Endotrachealtubus platziert werden.
Es wird gewünscht, eine möglichst einheitliche Vermischung des Indikatorgases mit dem Atmungsgas oder den Atmungsgasen in den Lungen des Subjekts zu erzielen, und ein Bereitstellen von Indikatorgas auf die vorstehende Weise unterstützt, dass bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Inhalation des Subjekts abgeschlossen ist, eine einheitliche Vermischung in dem gesamten Lungenvolumen des Subjekts erhalten wird. Die Lieferung des Indikatorgases auf diese Weise trägt ferner dazu bei, zu verhindern, dass das Indikatorgas in den oberen Luftwegen oder anderen nicht zur Lunge gehörenden Abschnitten des Atmungssystems des Subjekts verbleibt.
Eine Vorrichtung, die der in 1 gezeigten ähnlich ist, ist in der US-Patentanmeldung Seriennr. 09/82,110, die am 20. Mai 1998 eingereicht wurde, und in der US-Patentanmeldung Seriennr. 08/841,466, die am 22. April 1997 eingereicht wurde, wobei beide Anmeldungen an dieselbe Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung übertragen wurden, ausführlich offenbart.
2 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm, das das Verständnis des Verfahrens der vorliegenden Erfindung fördern wird. Die Erläuterung des Flussdiagramms verwendet die Vorrichtung der 1. Bei Schritt 100 betreibt die Funktionale-Restkapazität-Messschaltung 54 die Dosierungsvorrichtung 50 dahin gehend, eine spezifische volumetrische Menge an Indikatorgas (V_ein) den Gasen zuzuführen, die durch das Subjekt während der Inhalationsphase eines Atmungszyklus inhaliert werden.
Bei Abschluss der Inhalationsphase des Atmungszyklus atmet das Subjekt Gase aus seinen Lungen 10 aus. Bei dem Respirator 14 ist das Inhalationsventil 32 geschlossen, und das Exhalationsventil 34 ist geöffnet. Die Menge an Indikatorgas, das auf eine Ausatmung durch das Subjekt hin ausgeatmet wird, kann gemessen werden, indem das Produkt der augenblicklichen Gasströmung (Q) in dem Atmungsschlauch 12 und der entsprechenden Indikatorgaskonzentration (F), die während der Exhalation auftritt, integriert wird.
Das Produkt der augenblicklichen Strömungsrate und der augenblicklichen Indikatorgaskonzentration wird bei Schritt 104 bezüglich der Zeit integriert, um die Menge an Indikatorgas (V_aus) zu erhalten, das durch den Patienten ausgeatmet wird.
Eine Subtraktion der Menge des durch das Subjekt ausgeatmeten Indikatorgases (V_aus) von der Menge des durch den Patienten eingeatmeten Indikatorgases (V_ein) liefert die Menge an Indikatorgas (V_verbleibend), das am Ende der Exhalation in den Lungen des Subjekts verbleibt, d.h. die Menge an Indikatorgas in der funktionalen Restkapazität (FRK) des Subjekts.
Die Konzentration des am Ende der Exhalation existierenden Indikatorgases, d.h. die Ende-des-Atemzugs-Konzentration, wird bei Schritt 106 gemessen, z.B. durch die Messvorrichtung 46. Die Physiologie der Lungen ist derart, dass die Ende-des-Atemzugs-Konzentration eines Indikatorgases in den ausgeatmeten Gasen des Subjekts dieselbe ist wie die Konzentration an Indikatorgas in den Lungen 10 des Subjekts, oder derselben sehr nahe kommt.
Da die Ende-des-Atemzugs-Konzentration des Indikatorgases dieselbe ist wie die Indikatorgaskonzentration in den Lungen des Patienten, kann die funktionale Restkapazität der Lungen ermittelt werden, indem das Volumen des in den Lungen des Subjekts verbleibenden Indikatorgases, wie es in Schritt 106 ermittelt wurde, durch die Ende-des-Atemzugs-Konzentration des Indikatorgases, wie sie in Schritt 108 ermittelt wurde, geteilt wird. Siehe Schritt 110. Die funktionale Restkapazität der Lungen ist bei Schritt 112 angegeben.
Die vorstehenden Schritte bestimmen somit die funktionale Restkapazität der Lungen des Patienten gemäß der obigen Gleichung 3.
Das Flussdiagramm der 2 zeigt eine vereinfachte, einen einzigen Atemzug umfassende „Wash-in"-Technik, bei der ein Indikatorgas während des Atmens des Subjekts den Atmungsgasen zugeführt wird.
3A und B zeigen noch genauer das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wobei dieses Verfahren eine Mehrzahl aufeinander folgender Atmungszyklen des Patienten verwendet, um eine genaue Messung der funktionalen Restkapazität zu erhalten. 3A und B zeigen sowohl eine Wash-in-Phase als auch eine Wash-out-Phase.
Für sich wiederholende Atemzüge des Patienten wird Gleichung 3 zu
wobei F_ET die Differenz zwischen der Ende-des-Atemzugs-Konzentration zu Beginn der Bestimmung der funktionalen Restkapazität und der Ende-des-Atemzugs-Konzentration am Ende der Bestimmung der funktionalen Restkapazität ist.
Bei dem in 3A und B gezeigten Verfahren wird bei Schritt 200 eine spezifische Menge an Indikatorgas (V_ein) üblicherweise während einer Mehrzahl von Einatmungen durch das Subjekt abgegeben. Wie oben erwähnt wurde, erfolgt dies vorzugsweise in Form einer diskreten Dosis oder eines diskreten Pulses an Indikatorgas. Die Verabreichung der spezifischen volumetrischen Menge an Indikatorgas kann ansprechend auf ein Signal von einem Sensor, z.B. dem Sensor 40, in dem Atmungsschlauch 12, das eine Einatmung durch das Subjekt anzeigt, oder ansprechend auf ein Signal von der Steuerung 30, das angibt, dass das Inhalationsventil 32 gerade geöffnet wird, um Atmungsgase an den Inhalationszweig 16 und den Atmungsschlauch 12 zu liefern, bewerkstelligt werden. Wie oben angemerkt wurde, kann, wenn als Indikatorgas Schwefelhexafluor (SF₆) verwendet wird, die gelieferte Indikatorgasmenge gering sein, beispielsweise eine Menge, die ausreicht, um eine Konzentration von 0,5% oder weniger in den in der funktionalen Restkapazität des Subjekts vorhandenen Gasen zu liefern.
(ΣV_ein)
Die bei jeglichem gegebenen Atemzug bereitgestellte Menge wird zu der Summe der Mengen hinzuaddiert, die während der Inhalationsphasen vorheriger Atemzüge durch den Patienten abgegeben wurden, um die Gesamtmenge der Indikatorgasquantität (ΣV_ein) für n Atemzüge zu bilden. Somit wird die Menge an während des zweiten Atemzugs (2) abgegebenen Gases zu der Quantität an bei dem ersten Atemzug (1) verabreichtem Gas hinzuaddiert; die Menge an während des dritten Atemzugs (3) geliefertem Indikatorgas wird zu der Summe der Mengen an bei Atemzügen 1 und 2 bereitgestelltem Indikatorgas hinzuaddiert, usw. Der Summierungsvorgang wird für jeden Atemzug bei dem kumulativen, aufeinander folgenden Atemzügen, durchgeführt, d.h. für Atemzug 1, für Atemzüge 1 und 2, für Atemzüge 1, 2 und 3, usw., um einen ΣV_ein-Wert für den Atemzug 1, für Atemzüge 1 und 2 usw. zu liefern. Die Summierung, die die Mehrzahl von ΣV_ein-Werten erzeugt, ist bei Schritt 202 gezeigt.
Die Menge an während jedes Atemzugs hinzugefügtem Indikatorgas kann dieselbe sein. Oder die hinzugefügte Menge an Indikatorgas kann bei aufeinander folgenden Atemzügen variieren.
Die Menge an Indikatorgas, das in den Atmungsgasen, die durch den Patienten bei jedem Atemzug ausgeatmet werden, enthalten ist, wird in den Schritten 204a, 204b und 206 ermittelt, wobei diese Schritte analog zu den in 2 gezeigten Schritten 102a, 102b und 104 sind. Zu diesem Zweck werden die Strömungsrate der ausgeatmeten Gase und die Konzentration des Indikatorgases in den ausgeatmeten Gasen des Subjekts bei Schritten 204a und 204b gemessen. Die Messung der Strömungsrate wird durch den Strömungssensor 40 und die Strömungsratenschaltungsanordnung 42 durchgeführt. Die Messung der Konzentration des Indikatorgases wird durch die Konzentrationsmessvorrichtung 46 durchgeführt. Die Integration bei Schritt 206 kann durch eine geeignete Schaltungsanordnung in der Funktionale-Restkapazität-Messschaltung 54 ausgeführt werden. Das Ergebnis dieser Schritte ist die Menge an Indikatorgas V_aus, das während jedes Atemzugs ausgeatmet wird.
Auf ähnliche Weise wie bei Schritt 202 wird bei Schritt 208 die Menge an Indikatorgas, das bei jeglichem gegebenen Atemzug ausgeatmet wird, zu der Summe von Mengen an Indikatorgas, das während vorhergehender Ausatmungen ausgeatmet wurde, hinzuaddiert, um eine Quantität (ΣV_aus) zu bilden, die die Gesamtmenge an Indikatorgas angibt, das durch das Subjekt über n Atemzüge ausgeatmet wird. Im Einzelnen wird der Summierungsvorgang für jeden Atemzug in der kumulativen Serie von Atemzügen durchgeführt. Das heißt, dass die Menge an bei dem ersten Atemzug ausgeatmetem Indikatorgas bestimmt wird, die Summe der Mengen an bei den Atemzügen 1 und 2 ausgeatmeten Indikatorgasen ermittelt wird, die Summe der Mengen an bei den Atemzügen 1, 2 und 3 ausgeatmeten Indikatorgasen ermittelt wird, usw. Dies liefert einen ΣV_aus-Wert für den ersten Atemzug, für Atemzüge 1 und 2 usw.
Wie oben angemerkt wurde, zeigen 3A und B ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sowohl eine Wash-in-Phase als auch eine anschließende Wash-out-Phase aufweist. Bei der Wash-out-Phase wird die Versorgung des Subjekts mit Indikatorgas beendet, d.h. V_ein wird zu null, wie bei Schritt 210. Dies kann bei einem in 3A gezeigten Atemzug y erfolgen. Nachdem nun die Lieferung an Indikatorgas beendet ist, bleibt die Gesamtmenge an Indikatorgas (ΣV_ein), das dem Subjekt bereitgestellt wird, danach unverändert, da ein Null-Volumen an Indikatorgas zu ΣV_ein hinzuaddiert wird.
Bei nachfolgenden Atemzügen nach Beendigung der Lieferung von Indikatorgas wird das Indikatorgas aus der funktionalen Restkapazität des Subjekts herausgewaschen. Die Menge an Indikatorgas in den ausgeatmeten Atmungsgasen des Subjekts wird in den Schritten 204a, 204b und 206 weiterhin gemessen und bei Schritt 208 summiert. Die Anzahl von Atemzügen kann derart sein, dass die Lungen des Subjekts am Ende des Tests frei von Indikatorgas sind; das heißt, dass alle Indikatorgase, die an die Lungen des Subjekts geliefert wurden, aus den Lungen des Subjekts beseitigt wurden.
Beim Integrieren des Produktes der Gasströmungsrate Q und der augenblicklichen Indikatorgaskonzentration F bezüglich der Zeit sowohl über die Wash-in- als auch über die Wash-out-Phase hinweg, wobei somit bei von Indikatorgas freien Lungen begonnen und beendet wird, sollte die Menge an eingeatmeten Indikatorgas und die Menge an ausgeatmetem Indikatorgas dieselbe sein bzw. ΣVein – Σ∫F × Q × dt = 0 (5)
Auf Grund verschiedener Ungenauigkeiten wie z.B. einer unvarschriftsmäßigen Zeitsynchronisation der ausgeatmeten Atmungsgasströmung und einer Konzentrationsmessung und bei einer Integration des ausgeatmeten Volumens bzw. eines Lecks von Atmungsgasen aus dem Atmungskreislauf heraus, wäre die Summe der inkrementalen Bestimmungen von ausgeatmeten Indikatorgas (ΣV_aus) und der gelieferten Mengen an Indikatorgas (ΣV_ein) in der Tat nicht gleich null. Ein Faktor K kann in die Gleichung 5 eingefügt werden, um das Vorliegen etwaiger derartiger Fehler widerzuspiegeln und die Diffe renz zwischen den beiden Quantitäten auf null zu bringen. In der Abwesenheit etwaiger derartiger Fehler wäre der Faktor K eins. Gleichung 5 wird somit ΣVein – K × Σ∫F × Q × dt = 0 (6)
Bei Schritt 210 wird die Konzentration an Indikatorgas in den Lungen des Subjekts ermittelt, z.B. durch Verwendung von Ende-des-Atemzugs-Konzentrationen in den ausatmeten Gasen des Subjekts. Wie in den Erörterungen der Gleichungen 2 und 4 erwähnt ist, ist die Quantität F_ET die Differenz zwischen der Konzentration zu Beginn der Bestimmung der funktionalen Restkapazität und der Konzentration am Ende der bei der Bestimmung der funktionalen Restkapazität verwendeten Serie von Atemzügen. Wenn die Bestimmung der funktionalen Restkapazität mit einer Indikatorgaskonzentration von null in den Lungen des Subjekts beginnt, ist die Quantität F_ET die Indikatorgaskonzentration zum Ende der Serie von Atemzügen, die bei der Bestimmung verwendet werden. Andernfalls ist die Quantität F_ET die Differenz zwischen der Konzentration bei dem ersten Atemzug der Serie von Atemzügen und der Konzentration des letzten Atemzugs der Serie.
Die Ermittlung der Indikatorgaskonzentration F_ET in den Lungen des Subjekts wird somit korrekterweise auf die ΣV_ein- und ΣV_aus-Quantitäten bezogen, die zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität verwendet werden. Das Ergebnis ist eine Mehrzahl von ΣV_ein-, ΣV_aus- und F_ET-Datensätzen, d.h. ein Datensatz für den ersten Atemzug, ein Datensatz für die Atemzüge 1 und 2, ein Datensatz für die Atemzüge, 1, 2 und 3 für die Atemzüge, die zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität verwendet werden.
Faktor K wird in die Gleichung 4 eingesetzt, um zu ermöglichen, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung beispielsweise mit unvollständig abgedichteten Atmungsmasken bei spontan atmenden Subjekten oder bei pädiatrischen Pati enten verwendet wird, bei denen Lecks durch nicht-abgedichtete Intubationsschläuche auftreten. In beiden derartigen Situationen geht ein Teil des ausgeatmeten Indikatorgases verloren. 4, wie sie über die Integration sowohl für die Wash-in- als auch die Wash-out-Phase ausgedrückt wurde, wird zu
Zu Zwecken der Erläuterung und wie bei Schritt 212 angegeben ist, kann Gleichung 7 zu ΣVein = FRK × FET + K × ΣVaus (8)vereinfacht werden, wobei sie in dieser Form dahin gehend zu sehen ist, dass sie eine Lineare-Oberfläche-Gleichung des Typs y = b1x1 + b2x2 (9)klar definiert.
In der Gleichung 9 sind die Termini y, x₁ und y₂ bekannte Variablen, und b₁ und b₂ sind Regressionskoeffizienten, d.h. die Termini, die die Menge ausdrücken, mit der x₁ oder x₂ multipliziert werden muss, um eine entsprechende Veränderung von y zu ergeben, oder, umgekehrt, die Menge, um die sich y für eine Einheitsänderung bei x₁ oder x₂ verändert. Auf diese Weise stellen diese Koeffizienten das Ausmaß dar, bis zu dem sich eine Linie, die die Beziehung zwischen y und x₁ oder y und x₂ in einem zweidimensionalen Graphen zeigt, schräg nach oben oder schräg nach unten neigt.
Im Fall der Gleichungen 7 und 8 sind ΣV_ein, ΣV_aus und F_ET die gemessenen Variablen, und K und FRK sind zu ermittelnde Regressionskoeffizienten. Unter Verwendung einer zweidimensionalen Regressionsanalyse und zumindest zweier Sätze von ΣV_ein-, ΣV_aus- und F_ET-Daten, wie sie in den Schritten 202, 208 und 210 ermittelt wurden, können Beste-Anpassung-Werte für jedes von K und FRK beispielsweise auf der Basis einer Anpassung mit Hilfe der Fehlerquadratmethode bei Schritt 214 erhalten werden. Eine Verwendung zusätzlicher Sätze von ΣV_ein-, ΣV_aus- und F_ET-Werten aus den Schritten 202, 208 und 210 bei einer derartigen Regressionsanalyse und Anpassung verbessert die Genauigkeit der Beste-Anpassung-Werte für K und FRK.
Die Art und Weise, auf die das Vorstehende ausgeführt wird, ist durch die in 4 gezeigte graphische Erläuterung in vereinfachter Form ersichtlich. 4 zeigt ein Raumsystem mit drei orthogonalen Achsen, bei dem ΣV_ein, ΣV_aus und F_ET die Koordinatenachsen x, y bzw. z bilden. Die x-y-Ebene enthält die Beziehung von ΣV_ein zu ΣV_aus und enthält somit einen Ausdruck des K-Regressionskoeffizienten, der die Beziehung zwischen diesen Quantitäten als Neigung einer Linie 300 definiert, die in dieser Ebene erscheint. Die z-y-Ebene zeigt die Beziehung von ΣV_ein zu F_ET und enthält somit einen Ausdruck des FRK-Regressionskoeffizienten, der die Beziehung zwischen diesen Quantitäten als Neigung einer Linie 302 definiert.
Die graphische Ableitung der Koeffizienten K und FRK ist aus 4 ersichtlich, wie folgt. Die Mehrzahl von Sätzen von gemessenen Variablen und der Ende-des-Atemzugs-Indikatorgaskonzentration F_ET, das Gesamtvolumen an ausgeatmetem Gas (ΣV_aus), d.h. Σ∫F × Q × dt, und die Gesamtmenge an inhaliertem Indikatorgas (ΣV_ein) für jeden kumulativen Atemzug 1 mit n identifiziert eine Mehrzahl von Punkten in dem x, y, z-Raumsystem. Da das Raumsystem der 4 dreidimensional ist, wird statt einer Linie eine in 4 als 304 gezeigte Ebene auf der Basis der Fehlerquadratmethode an die in dem Raumsystem identifizierten Datenpunkte angepasst. Diese Ebene ist die durch die Gleichungen 7 und 8 definierte lineare Oberfläche.
Der Abschnitt der Ebene 304, der auf diese Weise an die Datenpunkte angepasst ist, bildet in der x-y-Ebene die Linie 300, deren Neigung der Regressionskoeffizient K ist. Der Abschnitt der Ebene 304 in der z-y-Ebene bildet die Linie 302, deren Neigung der Regressionskoeffizient FRK und somit die funktionale Restkapazität der Lungen des Subjekts ist, die bei Schritt 214 geliefert wird.
Man wird erkennen, dass am Ende einer Ausatmung in den Lungen und den oberen Luftwegen des Subjekts, die einen mit dem Gemisch des Indikatorgases und Atmungsgases gefüllten anatomischen Totraum bilden, ein Volumen verbleibt. Da die Menge des Indikatorgases in den Lungen als Differenz zwischen der eingeatmeten Menge und der ausgeatmeten Menge ermittelt wird, umfasst die Menge des Indikatorgases in den Lungen diejenige in dem anatomischen Totraum. Die auf die obige Art und Weise ermittelte funktionale Restkapazität umfasst üblicherweise den Effekt dieses anatomischen Totraums. Wenn eine echte funktionale Restkapazität der Lunge benötigt wird, kann das Volumen des anatomischen Totraums, das üblicherweise konstant ist und von der Größe des Subjekts abhängt, von dem auf die obige Weise ermittelten Wert der funktionalen Restkapazität subtrahiert werden, wie bei Schritt 216 gezeigt ist, um eine funktionale Restkapazität zu liefern, die dieses Totraumvolumen nicht beinhaltet.
Die abschließende Ermittlung der funktionalen Restkapazität ist bei Schritt 218 angegeben.
Zu Zwecken der Übersichtlichkeit bei der Ableitung der Gleichung 7 wurde davon ausgegangen, dass die Wash-in- und Wash-out-Zeiträume bei einer Indikatorgaskonzentration von null in den Lungen des Subjekts und in den Ende-des-Atemzugs-Atmungsgasen beginnen und bei denselben enden. Jedoch kann bei der Verwendung einer Mehrzahl von Atemzügen die Gleichung 7 dahin gehend verwendet werden, Datenpunkte gemessener Werte unter Verwendung einer beliebigen Serie von Atemzügen in der Gesamtserie von kumulativen Atemzügen 1 mit n, und für die die anfängliche und abschließende Ende-des-Atemzugs-Konzentration an Indikatorgas nicht unbedingt null beträgt, festzulegen.
Es wird einleuchten, dass bei der Verwendung des in Verbindung mit Gleichung 6 beschriebenen Faktors K die Ermittlung des ausgeatmeten Volumens des Indikatorgases in den Schritten 204a, 204b und 206 nicht absolut genau sein muss, da die Größe des Faktors K geändert wird, um etwaige Ungenauigkeiten, insbesondere diejenigen einer konstanten Natur, die sich beispielsweise aus einem Leck oder aus Zeitsynchronisationsfehlern zwischen einer Strömungs- und Konzentrationsmessung ergeben, zu kompensieren.
Das Vorstehende wird durch Bezugnahme auf Gleichung 7 ersichtlich. Es sei angenommen, dass der während eines Ausatmens erzeugte pneumatische Druck bewirkt, dass bei einer Atemgesichtsmaske eines Subjekts Exhalationsgase nach außen austreten. Die Quantität ΣV_aus nimmt auf Grund der Lecks ab. Jedoch bleiben die Quantitäten FRK, F_ET und ΣV_ein der Gleichung 7 von dem Leck an Exhalationsgasen unbeeinflusst. Bei Gleichung 7 nimmt der Faktor K zu, während ΣV_aus abnimmt, um die in der Gleichung ausgedrückte Gleichheit aufrechtzuerhalten. Bei der graphischen Erläuterung der 4 bewegt die Verringerung von ΣV_aus die zum Festlegen der Ebene 304 verwendeten Datenpunkte entlang der x-Achse zum Ursprung hin, wobei die Neigung der Linie 300 und die Größe des Faktors K vergrößert wird.
Somit vermeidet die Bestimmung der funktionalen Restkapazität anhand des Verfahrens der vorliegenden Erfindung Ungenauigkeiten, die auf Lecks, Synchronisierungsfehler und dergleichen zurückzuführen ist, oder sie ist bezüglich derselben weniger anfällig.
Die Verwendung des Faktors K kann die Ermittlung der Menge an ausgeatmetem Indikatorgas (ΣV_aus) weiter vereinfachen. Wenn die Aufeinanderfolge von Atemzügen, die zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität verwendet werden, beispielsweise durch ein konstantes Volumen eines ausgeatmeten Atmungsgases gekennzeichnet ist, z.B. wenn das Atmungsgerät 14 im Gebrauch ist, kann die in Gleichung 7 angetroffene Quantität K × Σ∫F × Q × dt zu K' × ΣF_ET vereinfacht werden.
Das heißt, dass das konstante Volumen an ausgeatmetem Atmungsgas in dem veränderten Faktor K' widergespiegelt wird. Durch eine Verwendung dieser Vereinfachung wird das Erfordernis vermieden, die Strömungsmaßzahl Q und die entsprechende Konzentrationsmessung F zu erhalten, so dass Gleichung 7 zu FRK × FET + K' × ΣFET = ΣVein (10)wird.
In 3 kann der Schritt 204a eliminiert werden, und Schritt 204b wird zu einer Messung der Ende-des-Atemzugs-Konzentration des Indikatorgases F_ET. Bei 1 könnte zwar der Strömungssensor 40 ebenfalls eliminiert werden, jedoch ist es vorzuziehen, denselben als Einrichtung zum Erfassen des Beginns der Einatmung zurückzubehalten und die Zuführung von Dosen des Indikatorgases auszulösen.
Eine weitere Vereinfachung in einem allgemein gleich bleibenden Zustand besteht darin, die Quantität K'' × ΣVausgeatmet × F_ET als die Quantität des ausgeatmeten Indikatorgases zu verwenden. V_ausgeatmet ist die Menge des durch das Subjekt ausgeatmeten Atmungsgases. Die vorstehende Quantität kann verwendet werden, wenn die Menge der durch das Subjekt ausgeatmeten Atmungsgase relativ vorhersehbar ist oder vorhersehbar gemacht werden kann, beispielsweise indem ein geschätzter anatomischer Totraum von der Menge des durch das Subjekt ausgeatmeten Atmungsgases subtrahiert wird, um Schwankungen bei V_ausgeatmet infolge von Schwankungen des Volumens des anatomischen Totraums zu minimieren.
Ein alternatives Verfahren zum Bestimmen des FRK folgt nun. Statt die kumulative Summe des Volumens an während einer Reihe von Atemzügen abgegebenem Indikatorgas zu nutzen, kann die Ableitung der kumulativen Summe dazu verwendet werden, das Volumen des während jedes einzelnen Atemzuges abgegebenen Indikatorgases zu bestimmen. Desgleichen wird statt der kumulativen Summe des Volumens des ausgeatmeten Indikatorgases eine Ableitung genommen, um das Volumen an während jedes Atemzugs ausgeatmetem Gas zu bestimmen. In dieser Situation wird statt der Indikatorgaskonzentration die Differenz (ΔF_ET) der Konzentration des Indikatorgases zwischen dem gegebenen Atemzug und dem unmittelbar vorhergehenden Atemzug ermittelt.
Wenn die Ableitungswerte für jeden Atemzug gemäß dem oben beschriebenen alternativen Verfahren verwendet werden, wird Gleichung 8 zu ΔFET × FRK = Vein – K × Vaus (11)
Ein Datensatz, einschließlich Datenpunkten V_ein, V_aus und ΔF_ET, für jeden gegebenen Atemzug kann gemessen werden, und mehrere Datensätze, von denen jeder während eines einzigen, dem gegebenen Atemzug vorangehenden Atemzugs genommen wird, können dazu verwendet werden, unter Verwendung einer Mehrfachregressionsanalyse, wie sie zuvor erläutert wurde, K und FRK zu ermitteln. Bei dem alternativen Ausführungsbeispiel stellen die gemessenen Werte V_ein, V_aus und ΔF_ET die x-, y- bzw. die z-Achse dar.
Bei einem wieder anderen alternativen Verfahren zum Bestimmen von K und FRK kann das Indikatorgas anfänglich in die Lungen des Patienten gewaschen werden, bis in den Lungen ein gleich bleibender Zustand vorliegt. Nachdem ein gleich bleibender Zustand erreicht ist, wird das F_ET zu einer Konstante für nachfolgende Atemzüge, und das V_aus ist gleich dem V_ein. Da der Korrekturfaktor K auf die Menge an verloren gegangenem Indikatorgas bezogen ist, kann der Wert K aus der eindimensionalen Regression V_ein = K × V_aus gelöst werden. Nachdem der K-Faktor gemäß der Beschreibung ermittelt wurde, kann der K-Faktor dazu verwendet werden, die FRK ausgehend den während der Wash-in- und/oder Wash-out-Phasen gesammelten Datensätze zu lösen. Die Lösung von FRK mit dem bereits bekannten K ist eine eindimensionale Regression FET × FRK = ΣVein – K × ΣVaus (12)oder, falls das oben dargelegte Ableitungsverfahren verwendet wird und Datensätze für jeden einzelnen Atemzug gesammelt werden, ΔFET × FRK = Vein – K × Vaus (13)

Claims

Ein Verfahren zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität (FRK) der Lungen eines Subjekts, wobei das Subjekt aufeinander folgende Atemzüge aufweist, jeweils bei einer Inhalation und einer Exhalation, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Liefern eines Atmungsgases oder von Atmungsgasen an das Subjekt, wobei das Atmungsgas oder die Atmungsgase während Einatmungen in die Lungen des Subjekts strömen, und Ausatmungsgase während Ausatmungen aus dem Subjekt strömen; Abgeben einer gegebenen Menge an Indikatorgas in das Atmungsgas oder in die Atmungsgase, das beziehungsweise die während der Einatmung durch das Subjekt in die Lungen des Subjekts strömt beziehungsweise strömen, in zumindest einem Atemzug einer Anzahl von aufeinander folgenden Atemzügen, die zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität ausgewählt sind; Summieren der Mengen an während der ausgewählten Anzahl von Atemzügen bereitgestelltem Indikatorgas, um für zumindest zwei gegebene Atemzüge in der ausgewählten Anzahl die kumulative Gesamtsumme der Mengen an Indikatorgas zu liefern, das bei dem gegebenen Atemzug und bei allen Atemzügen, die dem gegebenen Atemzug in der ausgewählten Anzahl von aufeinander folgenden Atemzügen vorangehen, abgegeben wird (ΣV_ein); Bestimmen einer Quantität, die für die Menge an Indikatorgas, das bei jedem Atemzug der Anzahl von aufeinander folgenden Atemzügen während Ausatmungen durch das Subjekt aus den Lungen des Subjekts beseitigt wird, repräsentativ ist; Summieren der Quantitäten, die für die Mengen an Indikatorgas, das während der ausgewählten Anzahl von Atemzügen aus den Lungen des Subjekts beseitigt wird, repräsentativ sind, um für die zumindest zwei gegebenen Atemzüge in der ausgewählten Anzahl die kumulative Gesamtsumme der Mengen von Indikatorgas zu liefern, das bei dem gegebenen Atemzug und bei allen Atemzügen, die dem gegebenen Atemzug in der ausgewählten Anzahl aufeinander folgender Atemzüge vorangehen, beseitigt wird (ΣV_aus); Erhalten einer Angabe der Konzentration an Indikatorgas in den Lungen des Subjekts (F_ET) für die zumindest zwei gegebenen Atemzüge, und Resultieren aus der Abgabe und der Beseitigung der Indikatorgasmengen, die in den kumulativen Gesamtsummen für die zumindest zwei gegebenen Atemzüge summiert sind; dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: Verwenden der Quantitäten ΣV_ein, ΣV_aus und F_ET als gemessene Variablen, um zumindest zwei Messwert-Datensätze zu bilden, bei denen die Quantitäten durch Regressionskoeffizienten derart bezogen sind, dass das Produkt der Indikatorgaskonzentration (F_ET) und eines ersten Regressionskoeffizienten, der die funktionale Restkapazität (FRK) umfasst, plus das Produkt der kumulativen Gesamtsumme an Indikatorgas, das aus den Lungen des Subjekts beseitigt wurde (ΣV_aus), und eines zweiten Regressionskoeffizienten K der kumulativen Gesamtsumme des abgegebenen Indikatorgases (ΣV_ein) gleicht; und Verwenden der zumindest zwei Messwert-Datensätze und der Beziehung zwischen ΣV_ein, ΣV_aus und F_ET, um Werte für K und FRK zu erhalten, wobei der auf diese Weise erhaltene Wert FRK eine Bestimmung der funktionalen Restkapazität der Lungen des Subjekts ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Schritte umfasst: Abgeben des Indikatorgases in die Lungen des Subjekts, bis in der Lunge ein gleich bleibender Zustand vorliegt, so dass die Konzentration an Indikatorgas (F_ET) in den Lungen des Subjekts für jeden nachfolgenden Atemzug in der Anzahl von aufeinander folgenden Atemzügen konstant ist; Verwenden der Quantitäten V_ein und V_aus als gemessene Variablen, um den zweiten Regressionskoeffizienten K zu ermitteln, der der Quotient des V_ein und V_aus ist; und Verwenden des ermittelten Werts des zweiten Regressionskoeffizienten K und der zumindest zwei Messwert-Datensätze, um eine eindimensionale Regression durchzuführen, um den ersten Regressionskoeffizienten FRK zu ermitteln.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bestimmens von K und FRK den Schritt des Ausführens einer mehrdimensionalen Regressionsanalyse unter Verwendung der zumindest zwei Datensätze, um Werte für K und FRK zu erhalten, die an die Datensätze angepasst sind, umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Abgebens des Indikatorgases ferner als Abgeben einer gegebenen Menge an Indikatorgas in einer Mehrzahl von Atemzügen der Anzahl aufeinander folgender Atemzüge definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem der Schritt des Abgebens des Indikatorgases ferner als Abgeben des Indikatorgases in dem zumindest einen Atemzug und als anschließendes Beenden der Verabreichung von Indikatorgas für die verbleibenden Atemzüge der ausgewählten Anzahl aufeinander folgender Atemzüge definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem der Schritt des Abgebens einer gegebenen Menge an Indikatorgas ferner als Abgeben einer ähnlichen Menge an Indikatorgas während der Mehrzahl von Atemzügen definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Abgebens des Indikatorgases ferner als Abgeben einer Menge an Indikatorgas definiert ist, die ausreichend ist, um eine Konzentration von 1,0% oder weniger, insbesondere 0,5% oder weniger, in dem beziehungsweise den zu dem Subjekt strömenden Atmungsgas(en) festzulegen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Abgebens des Indikatorgases ferner als Abgeben des Indikatorgases in der Nähe der Lungen des Subjekts definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Bestimmens einer Quantität, die für die beseitigte Menge an Indikatorgas repräsentativ ist, ferner als Bestimmen der Menge an Indikatorgas, das während einer Exhalation aus den Lungen des Subjekts beseitigt wird, definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der Schritt des Bestimmens der beseitigten Menge an Indikatorgas ferner als Bestimmen der Menge mittels einer Messung der Exhalationsgasströmung und der Konzentration an Indikatorgas während einer Ausatmung definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Schritt des Bestimmens der beseitigten Menge an Indikatorgas ferner als Messen der Exhalationsgasströmung und der entsprechenden Konzentration an Indikatorgas während einer Ausatmung und als Integrieren des Produkts der momentanen Gasströmungs- und Indikatorgaskonzentrationsmessungen definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die ausgeatmete Menge an Atmungsgas(en) allgemein konstant ist und bei dem der Schritt des Bestimmens einer Quantität, die für die beseitigte Menge an Indikatorgas repräsentativ ist, ferner als Erhalten der Menge aus der Konzentration an Indikatorgas in den Lungen des Subjekts definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Menge an Atmungsgas(en), die durch das Subjekt ausgeatmet wird, eine vorhersehbare Quantität ist und bei dem der Schritt des Bestimmens einer Quantität, die für die Menge des aus den Lungen des Subjekts beseitigten Indikatorgases repräsentativ ist, ferner als Verwenden der Konzentration des Indikatorgases in den Lungen des Subjekts und der Menge des durch das Subjekts ausgeatmeten Atmungsgases definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Erhaltens der Angabe der Indikatorgaskonzentration in den Lungen des Subjekts ferner als Messen der Indikatorgaskonzentration in den Ende-des-Atemzugs-Ausatmungsgasen des Subjekts definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Erhaltens der Indikatorgaskonzentrationsangabe ferner als Bestimmen der Differenz zwischen der Indikatorgaskonzentration zum Beginn der ausgewählten Anzahl aufeinander folgender Atemzüge und der Indikatorgaskonzentration am Ende der ausgewählten Anzahl aufeinander folgender Atemzüge definiert ist.
Ein Verfahren zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität (FRK) der Lungen eines Subjekts, wobei das Subjekt aufeinander folgende Atemzüge aufweist, jeweils bei einer Inhalation und einer Exhalation, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Liefern eines Atmungsgases oder von Atmungsgasen an das Subjekt, wobei das Atmungsgas oder die Atmungsgase während Einatmungen in die Lungen des Subjekts strömen, und Ausatmungsgase während Ausatmungen aus dem Subjekt strömen; Abgeben einer gegebenen Menge an Indikatorgas in das Atmungsgas oder in die Atmungsgase, das beziehungsweise die während der Einatmung durch das Subjekt in die Lungen des Subjekts strömt beziehungsweise strömen, in zumindest einem Atemzug einer Anzahl von aufeinander folgenden Atemzügen zum Bestimmen der funktionalen Restkapazität; Summieren der Menge an Indikatorgas, das in einem Messzeitraum zwischen einem gegebenen Atemzug und einem vorherigen Referenzatemzug abgegeben wird, um eine Menge an während des Messzeitraums verabreichtem Indikatorgas (V_ein) zu liefern; Bestimmen einer Quantität, die für die Menge an Indikatorgas, das während einer Ausatmung durch das Subjekt aus den Lungen des Subjekts beseitigt wird, repräsentativ ist; Summieren der Quantitäten, die für die Menge an Indikatorgas, das während des Messzeitraums zwischen dem gegebenen Atemzug und dem Referenzatemzug aus den Lungen beseitigt wird, repräsentativ sind, um eine Menge an während des Messzeitraums aus den Lungen beseitigtem Indikatorgas (V_aus) zu liefern; Erhalten einer Angabe der Konzentration an Indikatorgas in den Lungen des Subjekts (F_ET) für den gegebenen Atemzug; dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: Subtrahieren der Konzentration an Indikatorgas in den Lungen des Subjekts (F_ET) für den vorherigen Referenzatemzug von der Konzentration des Indikatorgases in den Lungen des Subjekts (F_ET) für den gegebenen Atemzug, um eine Differenzkonzentration an Indikatorgas in den Lungen des Subjekts in dem Messzeitraum zu ermitteln (ΔF_ET); Verwenden der Quantitäten V_ein, V_aus und ΔF_ET aus zumindest zwei Messzeiträumen, um zumindest zwei Messwert-Datensätze zu bilden, als gemessene Variablen, bei denen die Quantitäten durch Regressionskoeffizienten derart bezogen sind, dass das Produkt der Indikatorgasdifferentialkonzentration (ΔF_ET) und eines ersten Regressionskoeffizienten, der die funktionale Restkapazität (FRK) umfasst, plus das Produkt des Volumens an Indikatorgas, das aus den Lungen des Subjekts beseitigt wurde (V_aus), und eines zweiten Regressionskoeffizienten K dem Volumen des abgegebenen Indikatorgases (V_ein) gleicht; und Verwenden der zumindest zwei Messwert-Datensätze und der Beziehung zwischen V_ein, V_aus und ΔF_ET, um Werte für K und FRK zu erhalten, wobei der auf diese Weise er haltene Wert FRK eine Bestimmung der funktionalen Restkapazität der Lungen des Subjekts ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner folgende Schritte umfasst: Abgeben des Indikatorgases in die Lungen des Subjekts, bis ein gleich bleibender Zustand vorliegt, so dass die Konzentration an Indikatorgas (F_ET) in den Lungen des Subjekts für jeden Atemzug konstant ist; Verwenden der Quantitäten V_ein und V_aus als gemessene Variablen, um den zweiten Regressionskoeffizienten K, der der Quotient des V_ein und V_aus ist, zu ermitteln; und Verwenden des ermittelten Wertes von K und der zumindest zwei Messwert-Datensätze, um eine eindimensionale Regression durchzuführen, um den ersten Regressionskoeffizienten FRK zu bestimmen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der Schritt des Bestimmens von K und FRK den Schritt des Ausführens einer mehrdimensionalen Regressionsanalyse unter Verwendung der zumindest zwei Datensätze, um Werte für K und FRK zu erhalten, die an die Datensätze angepasst sind, umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem der Referenzatemzug der Atemzug ist, der dem gegebenen Atemzug unmittelbar vorausgeht, so dass der Messzeitraum zwischen dem gegebenen Atemzug und dem dem gegebenen Atemzug unmittelbar vorausgehenden Atemzug liegt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 19, das ferner als Abgeben der unterschiedlichen Mengen an Indikatorgas während einer Mehrzahl aufeinander folgender Atemzüge definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 16, bei dem der Schritt des Abgebens des Indikatorgases ferner als Abgeben einer diskreten Dosis an Indikatorgas an das Atmungsgas oder die Atmungsgase, das beziehungsweise die zu dem Subjekt strömt beziehungsweise strömen, definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der Schritt des Abgebens des Indikatorgases ferner als Abgeben des Indikatorgases entweder in Form eines Pulses von Indikatorgas oder durch Öffnen und Schließen eines Ventils definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 16, bei dem der Schritt des Abgebens des Indikatorgases ferner als Abgeben eines Indikatorgases, das Schwefelhexafluor (SF₆) umfasst, definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 16, bei dem der Schritt des Abgebens des Indikatorgases ferner als Synchronisieren des Beginns der Abgabe mit dem Beginn der Inhalation durch das Subjekt und als Beenden der Abgabe des Indikatorgases, bevor die Inhalation endet, definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 19, bei dem der Schritt des Durchführens einer mehrdimensionalen Regressionsanalyse ferner als Erhalten von Werten für K und FRK, die auf der Basis der Fehlerquadratmethode an die Datensätze angepasst sind, definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 19, das ferner so definiert ist, dass es den Schritt des Kompensierens der Bestimmung der funktionalen Restkapazität für anatomische Toträume in Atmungsorganen des Subjekts umfasst.