DE60103492T2

DE60103492T2 - Gerät und Verfahren zur Messung des Sauerstoffverbrauchs

Info

Publication number: DE60103492T2
Application number: DE60103492T
Authority: DE
Inventors: Romano Zannoli
Original assignee: UNI DEGLI STUDI DI BOLOGNA BOL; Universita di Bologna
Current assignee: UNI DEGLI STUDI DI BOLOGNA BOL; Universita di Bologna
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: EP1234541B1; EP1234541A1; ATE267548T1; DE60103492D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zur Messung des Sauerstoffverbrauchs eines Lebewesens.
Die vorliegende Erfindung kann zum Fortschritt auf dem Gebiet der menschlichen Physiologie verwendet werden, worauf die nachfolgende Erörterung explizit Bezug nimmt, ohne dadurch ihren allgemeinen Charakter zu verlieren.
Auf dem Gebiet der Physiologie ist bekannt, dass es die Aufgabe des Herzens ist, Blut bei einer ausreichenden Flussrate im Körperkreislauf zu pumpen, um die Gewebe gesund zu halten. Das heißt mit anderen Worten, dass das Herz eine ausreichende Blutfördermenge erzeugen muss, um den Körperbedarf an Nährstoffen, insbesondere Sauerstoff, abzudecken und die Abfallprodukte des Stoffwechsels aus den Geweben zu entfernen.
Die Herzleistung (c.o.), welche als „das Blutvolumen, das pro Minute von der linken Herzkammer ausgestoßen wird," definiert ist, ergibt sich als Kombination zweier Faktoren. Der erste ist die Herzfrequenz (H.R.), das ist die Anzahl de Schläge pro Minute, der zweite ist das unitäre (systolische) Volumen oder Schlagvolumen, das ist die Blutmenge, die von der Kammer bei jedem Schlag gepumpt wird und die in Millimeter gemessen wird (A.M. Katz, Physiology of the heart, Raven Press, 1977).
Die Studien, die an bestimmten Säugetieren, insbesondere am Menschen, durchgeführt wurden, zeigten, dass eine lineare Beziehung zwischen der Herzleistung und dem Sauerstoffverbrauch während des Atmens bestand (A.C. Barger, V. Richards, J. Metcalfe und B. Günter, Regulation of circulation during exercise, Am. J. Physiol. 184: 613–623, 1956): der Organismus benötigt unter Beanspruchung eine größere Sauerstoffmenge, die durch eine plötzliche Anpassung der Herzleistung bereit gestellt wird.
Daher ist es bei gesunden Patienten möglich, deren Herzleistung durch Messen ihres Sauerstoffverbrauchs abzuschätzen; bei Patienten mit Herzerkrankung oder Funktionsstörung des Atmungssystems ist es möglich, zu beobachten, wie diese Beziehung von dem einfachen linearen Verhältnis abweicht. Die Einschätzungen des Sauerstoffverbrauchs sind insbesondere zur Verbesserung der sportlichen Leistungsfähigkeit nützlich und ermöglichen unter anderem die Identifikation der anaeroben Schwelle eines individuellen Patienten. Tatsächlich ist es möglich die anaerobe Schwelle eines Patienten dadurch zu identifizieren, dass der Trend des Sauerstoffverbrauchs und die Produktion des Kohlendioxids während einer programmierten, fortschreitenden Anstrengung beobachtet werden.
Zurzeit wird, um den Sauerstoffverbrauch festzustellen, ein Gerät verwendet, welches sowohl die Beatmung als auch die Sauerstoffkonzentration in der durch den Patienten geatmeten Luft misst. Das meist entwickelte Verfahren führt eine „Atemzug für Atemzug" Analyse durch und weist einen schneller Analysator zur Messung der O₂-Konzentration und des Gasflusses bezogen auf jeden Atemvorgang, unmittelbar am Mund des Patienten. Durch jeweils momentanes Multiplizieren des Luftflusses F(t) mit der Sauerstoffkonzentration C(t) wird der momentane Sauerstofffluss erhalten, der integriert über das Intervall eines Atemzugs die Menge an Blut liefert, die im Blut bei jedem Atemzug gelöst wird. Durch wiederum Multiplizieren mit der Atemfrequenz wird das Volumen des verbrauchten Sauerstoffs
pro Minute erhalten.
Der mit der Messung verbundene Fehler ist abhängig von der Präzision des Flussmessers und von der Empfindlichkeit und von der Ansprechgeschwindigkeit des Sauerstoffanalysators.
Der Fluss wird unter Verwendung von Spirometern, Pneumotachographen, Massendurchflussmesser, Konvektionsströmungsmesser, Ultraschallflussmesser, Turbinen gemessen. Diese Geräte stellen nicht immer eine korrekte momentane Messung sicher (Turbinen insbesondere weisen ein verspätetes Ansprechverhalten auf).
Die momentane Konzentrationsmessung des Sauerstoffs in der Atemluft kann mit einem Massenspektrometer mit elektrochemischem oder magnetischem System durchgeführt werden. In diesem spezifischen Fall der Atem- für Atemzug Messung ist es unverzichtbar, dass der Sauerstoffanalysator ein geeignet schnelles Ansprechverhalten aufweist und dass keine Zeitdifferenz zwischen dem Konzentrationssignal und dem Flusssignal vorliegt.
Nur das Massenspektrometer weist die notwendige Ansprechgeschwindigkeit auf, um mit Präzision die kontinuierlichen Konzentrationsänderungen während eines einzelnen Atemzuges zu messen. Diese Art von schnellem Analysator hat jedoch die Unannehmlichkeit, eine akkurate Kalibrierung mit einem Referenzgas, hohe Stabilisationszeiten, hohe Kosten erforderlich zu machen und dass es von einem erfahrenen Bediener benutzt werden muss. Andere Analysatoren, die elektrochemische Verfahren (Zirkoniumzellen) und paramagnetische Verfahren verwenden, weisen ein ausreichend schnelles Ansprechverhalten auf und können durch einen kleinen Trick bei Atem- für Atemzugvorgängen verwendet werden.
Elektrochemische Analysatoren mit einer längeren Ansprechzeit (sogar ein paar Sekunden) können nur bei Ansammlung der Gase in Mischkammern verwendet werden und wenn nicht besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, sind sie nicht zur Messung während Belastung geeignet.
Alle Geräte zur Analyse des Sauerstoffverbrauchs unter Belastung weisen die Einschränkung auf, die Verwendung einer Maske oder eines Mundstücks erforderlich zu machen. Die Notwendigkeit, eine Maske oder ein Mundstück am Patienten applizieren zu müssen, um die Beatmung zu messen und die Ausatemluft zu sammeln, ist die größte Beschränkung in der Verwendung der Sauerstoffverbrauchsmessung. Dieses Zubehör impliziert stillschweigend komplexe und kostenintensive Wasch- und Sterilisiervorgänge oder die Verwendung von Einwegmaterial, was nicht immer angemessen ist und hohe Kosten verursacht. Des weiteren vertragen manche Patienten die Maske oder das Mundstück nicht gut und zeigen demgemäß unregelmäßiges Atmen, was die Messungen stört.
Zum Beispiel offenbart die US 5285794 ein Verfahren zur Überwachung der Beatmungsgase eines Patienten, welches eine Gasmischkammer umfasst. Ein konstanter Fluss eines therapeutischen Gasgemisches wird von einem Durchflussmesser in einer Zuführleitung, die zu einer Gesichtsmaske eines Beatmungsgerätes führt, gemessen. Die Maske ist über einen Umlauf mit der Zuführleitung verbunden, so dass der Patient vom bzw. in den Fluss der Zuführleitung ein- und ausatmet. Beides das umgelaufene und das ausgeatmete Gasgemisch strömen in die Kammer mit einstellbarem Volumen, welche einen internen Ventilator und Sensoren zur Ermittlung des prozentualen Gehalts an Sauerstoff und Kohlendioxid enthält.
Als weiteres Beispiel offenbart DE 2035982 einen Apparat zur Überwachung der Atemgase eines Patienten, der eine Gasmischkammer und Gesichtsmaskenatemgerät enthält.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffverbrauchs zu schaffen, die frei von den oben beschriebenen Nachteilen ist und gleichzeitig leicht und ökonomisch zu verwenden ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Apparat zur Messung des Sauerstoffverbrauchs, mit den Merkmalen, wie in Anspruch 1 beansprucht, realisiert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Messung des Sauerstoffverbrauchs.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Messung des Sauerstoffverbrauchs mit den Merkmalen, wie in Anspruch 15 beansprucht, zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, welche eine bevorzugte aber nicht beschränkend wirkende Ausführungsform darstellen, beschrieben, wobei
1 eine schematische und perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäß realisierten Apparates ist;
2 eine schematische Blockdarstellung einiger Elemente des erfindungsgemäß realisierten Apparates ist;
3 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Abwandlung eines Details des erfindungsgemäß realisierten Apparates ist;
4 eine schematische Entwurfsdarstellung einer alternativen Ausführungsform ist, die erfindungsgemäß realisiert ist.
Bezug nehmend auf 1, ist im Gesamten ein Apparat zur Messung des Sauerstoffverbrauchs eines Patienten 2 mit 1 indiziert. Das Konzept des Apparats 1 beginnt mit der theoretischen und experimentellen Beobachtung der Strömungsprofile in der Nähe des Mundes unter forcierter Beatmung. Es wurde tatsächlich festgestellt, dass während des Einatmens die Luft von einer weiten perioralen Fläche genommen wird, während beim Ausatmen die Luft auf einen nach vorne gerichteten Strahl mit limitierten Volumen konzentriert wird.
Dieser Unterschied im Verhalten bedeutet, dass bei dem nächsten Einatmen nur ein sehr kleiner Teil der ausgeatmeten Luft wieder eingeatmet wird.
Der Apparat 1 ist auf einer Oberfläche 3 angeordnet und weist ein schematisch dargestelltes Regelgerät 4 des Standes der Technik und eine Mischkammer 5, die im Wesentlichen kastenförmig ist, auf. Die Mischkammer 5 umfasst eine erste vertikale Wand 6 mit einem Eingangsloch 7 und eine zweite vertikale Wand, die im Wesentlichen parallel zur Wand 6 verläuft und ein Auslassloch 9 aufweist. Die Löcher 7 und 9 sind koaxial angeordnet und auf die Mittelpunkte der betreffenden Wände 6 und 8 festgelegt. Die Linie, die die Mittelpunkte der Löcher 9 und 7 verbindet, gibt eine horizontale Achse z vor, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 3 verläuft.
Die Mischkammer 5 umfasst ferner eine untere horizontale Wand 10, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 3 verläuft und auf der Oberfläche 3 selbst aufliegt. Innerhalb der Mischkammer 5, genauer in ihrem Zentrum, ist ein schematisiert dargestellter Konzentrationsdetektor 12 des Standes der Technik installiert. Der Detektor 12 wird von einem Tragarm 13 gehalten, der in die horizontale Wand 10 der Mischkammer 5 integriert ist. Der Detektor 12 ist elektrisch mit dem Regelgerät 4 verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform misst der Konzentrationsdetektor 12 die Sauerstoffkonzentration und ist insbesondere ein paramagnetisches Oxymeter. Dieses Instrument nutzt das Verhalten von Sauerstoff aus, der einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird: unter diesen Bedingungen tendiert der Sauerstoff dazu, im Bereich des magnetischen Feldes selbst zu verharren, wobei ein Strömungswiderstand in der Röhre, die ihn enthält, festgestellt wird (R. Zannoli, C. Orsi, Elementi die strumentazione medica, Società Editrice Esculapio, 1995). Dieser Widerstand wird durch einen Druckunterschied wiedergegeben, der von einem Wandler detektiert wird und in ein elektrisches Signal, das an das Regelgerät 4 weitergeleitet wird, umgewandelt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung misst der Konzentrationsdetektor 12 auf bekanntem Weg die Konzentration von Kohlendioxid mit einer Infrarottechnik.
Der Apparat 1 umfasst ferner einen Eingangsförderer 14, der dazu geeignet ist, die gasförmigen Substanzen, die vom Patienten 2 ausgeatmet werden und die Luft, die aus dem umgebenden Umfeld stammt, in die Mischkammer 5 zu fördern. In 1 ist der Strahl aus ausgeatmeter Luft durch die Schraffur, die mit dem Buchstaben E indiziert ist, schematisch dargestellt, wohingegen die Luft, die aus dem äußeren Umfeld stammt, durch die alternierende Schraffur, die mit dem Buchstaben F indiziert ist, repräsentiert wird.
Der oben erwähnte Förderer 14 ist mit einem Element 15 in Form eines Kegelstumpfes, das innen hohl ist und das Wände 16 hat, die bevorzugt aus Nylon hergestellt sind. Die genannten Wände 16 sind strukturiert, um so teilweise deformierbar zu sein, was so die Volumenänderung des Elements 15 unter dem Druck der Luft, die vom Patient 2 ausgeatmet wird, selbst verursacht.
Der Förderer 14 umfasst ferner eine flexible Röhre 17, die sich im Wesentlichen in Richtung der Achse z erstreckt. Die Röhre 17 ist strömungsaufwärts zur Mischkammer 5 und strömungsabwärts zum Element 15 angeordnet, um so das Element 15 mit der Mischkammer 5 zu verbinden. Das erste Ende 18 der Röhre 17 ist mit einer der beiden Grundflächen 19 und 20 des Elements 15 verbunden, insbesondere die mit dem kleineren Radius 19; das zweite Ende 21 ist durch das Eingangsloch 7 in die Mischkammer 5 eingeführt.
Ein schematisch dargestellter Träger 22 des Standes der Technik ist im Verbindungsbereich zwischen der Röhre 17 und dem Element 15 angeordnet. Der Träger 22 ist geeignet die Röhre 17 in einer im Wesentlichen horizontalen Position bezogen auf die tragende Oberfläche 3 und in einer geeigneten Position bezüglich des Patienten 2 zu halten.
Der Apparat 1 umfasst ferner einen Auslassförderer 23, der strömungsabwärts zur Mischkammer 5 angeordnet ist und dazu geeignet ist, gasförmige Substanzen, die in der Kammer 5 vorhanden sind, in das äußere Umfeld zu fördern. Der Förderer 23 ist mit einem Rohr 24 mit variablem Querschnitt versehen, das sich im Wesentlichen in Richtung der Achse Y erstreckt. Das erste Ende 25 der Röhre 24 ist mit einem Loch 9 verbunden und das zweite Ende 26 der Röhre 24 ist offen.
Die Röhre 24 umfasst drei Abschnitte 27, 28 und 29. Der erste Abschnitt, der das Ende 25 aufweist, ist unmittelbar mit der Mischkammer 5 verbunden und hat einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt. Der zweite Abschnitt 28, der zwischen dem ersten Abschnitt 27 und dem dritten Abschnitt 29 angeordnet ist, hat einen Querschnitt, der abnimmt, wenn man diesen vom ersten Abschnitt 27 zum dritten Abschnitt 29 passiert. Der dritte Abschnitt 29 umfasst das Ende 26 und hat einen inneren Durchmesser, der im Wesentlichen konstant kleiner als der innere Durchmesser des ersten Abschnitts 27 und im Wesentlichen denselben wie der kleinste innere Durchmesser des zweiten Abschnitts 28 aufweist.
Der Auslassförderer 23 umfasst ferner eine schematisch dargestellte Absaugvorrichtung 30 des Standes der Technik die im Abschnitt 27 angeordnet ist und von dem Regelgerät 4 angesteuert wird. Die Absaufvorrichtung 30 ist dazu geeignet, die gasförmigen Substanzen zu bewegen, wobei sie vom Förderer 14 genommen werden, entlang der Röhre, durch die Mischkammer 5 und die Röhre 24 transportiert werden und schließlich in das äußere Umfeld entlassen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Absaugvorrichtung 30 einen Ventilator, der von einem Elektromotor angetrieben wird.
Der Auslassförderer 23 ist auch mit einem schematisch dargestellten Durchflussmesser 31 des Standes der Technik ausgestattet, der strömungsabwärts zur Absaugvorrichtung 30 am Abschnitt 29 angeordnet ist; der Durchflussmesser 31 ist mit dem Regelgerät 4 verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Durchflussmesser 31 ein Fleisch-Pneumotachograph.
Das Regelgerät 4, das mittels eines Stromversorgungskabels A elektrisch versorgt wird, empfängt die Messungen, die von dem Konzentrationsdetektor 12 und dem Durchflussmesser 31 gemacht werden und reguliert in Abhängigkeit von den empfangenen Daten die Absaugvorrichtung 30, um so die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Mischkammer 5 konstant zu halten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der volumetrische Sauerstoffprozentsatz innerhalb der Mischkammer 5 im Wesentlichen auf einen konstanten Wert von 18,5 gehalten.
Das Regelgerät 4 umfasst ferner einen Timer 32 und eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung 33, die elektrisch untereinander verbunden sind. Die Vorrichtung zur Datenverarbeitung 33, die den Durchfluss an gasförmigen Substanzen, die die Mischkammer 5 verlassen, mit der Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Mischkammer 5 und der Sauerstoffkonzentration in der Luft, die aus dem umgebenden Umfeld stammt, multipliziert, stellt den Sauerstoffverbrauch fest. Die Vorrichtung zur Datenverarbeitung kann sowohl den momentanen Sauerstoffverbrauch als auch den mittleren Verbrauch in einem vorgegebenen Zeitintervall feststellen.
Die Vorrichtung zur Datenverarbeitung 33, die den Algorithmus C.O. = 7VO2 + 5verwendet, wobei C.O. die Herzleistung und VO₂ der verbrauchte Sauerstoffwert sind (A.C. Barger, V. Richards, J. Metcalfe und B. Günter, Regulation of circulation during exercise, Am. J. Physiol. 184: 613 – 623, 1956) (A.V. Bock, C. Vancaulaert, D.B. Dill, A. Fölling und L.M. Hurxthal, Dynamical changes occuring in man at work, J. Physiol. 66: 136, 1928), stellt auch die Herzleistung fest.
Das Regelgerät 4 umfasst ferner eine Speichervorrichtung 34, die die von dem Regelgerät 4 empfangenen Daten und die von der Verarbeitungseinheit 33 emfangenen Daten sammelt und unterteilt sie gemäß dem Patient 2, um so für jeden Patienten 2 ein Diagramm zu erzeugen. Jedes Diagramm liefert die Daten aller Versuche, die an einem betroffenen Patienten durchgeführt werden, um so die Änderungen im Verhalten des Patienten 2 unter verschiedenen Bedingungen und zu verschiedenen Zeiten beobachten zu können.
Der Apparat 1 umfasst ferner einen Bildschirm 35, der elektrisch mit dem Regelgerät 4 verbunden ist, auf dem die von dem Regelgerät 4 empfangenen Daten und die von der Verarbeitungseinheit 33 erhaltenen Daten dargestellt werden. Diese Daten können den Versuch betreffen, der an dem Patienten 2 durchgeführt wird und / oder sie können in einem der Diagramme enthalten sein.
Der Apparat 1 umfasst ferner einen Drucker 36, der elektrisch mit dem Regelgerät 4 verbunden ist, mit dem die von dem Regelgerät 4 empfangenen Daten und die von der Verarbeitungseinheit 33 erhaltenen Daten auf Blättern ausgedruckt werden. Diese Daten können den Versuch betreffen, der an dem Patienten 2 durchgeführt wird und / oder sie können in einem der Diagramme enthalten sein.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist der Apparat 1 schematisch dargestellte Mittel 37 des Standes der Technik, die elektrisch mit dem Regelgerät 4 verbunden sind, zur Messung der Energie, die vom Patienten 2 während der Messung verbraucht wird, auf. Insbesondere ist entschieden worden, die Messungen durchzuführen, während der Patient 2 auf einem feststehenden Fahrrad (cyclette^®) radfährt, wobei die genannten Mittel 37 Leistungsmesser sein werden, die dazu geeignet sind, die Leistung, die durch Pedaltakt ausgedrückt wird, des Patienten 2 zu messen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung verarbeitet die Einheit 33 Diagramme, die Bezug nehmen auf den Sauerstoffverbrauch und / oder die Herzleistung über die Zeit und / oder die Belastung, die vom Patienten 2 aufgebracht wird. Diese Diagramme können auf dem Bildschirm dargestellt werden und / oder auf Blättern mit dem Drucker 36 ausgedruckt werden.
Während des Vorgangs ist der Patient 2 mit seinem Mund und seiner Nase vor der Grundfläche 20 des Elements 15 platziert, so dass der Raum zwischen dem Gesicht des Patienten 2 und der Grundfläche 20 selbst so ist, so dass es der ausgeatmeten Luft und der Luft, die aus dem äußeren Umgebung stammt, ermöglicht wird, in das Innere des Mischkammer 5 einzudringen.
Wenn der Patient 2 den Versuch beginnt, ist die Absaugvorrichtung 30 schon mit geringer Geschwindigkeit aktiv.
Die ausgeatmete Luft und die Luft, die von der äußeren Umgebung stammt, werden in den Eingangsförderer 14 gesaugt und gehen durch die Röhre 17 hindurch in die Mischkammer 5. Der Sauerstoffprozentsatz innerhalb der Mischkammer 5 wird durch den Konzentrationsdetektor 12 gemessen. In Abhängigkeit von den vom Konzentrationsdetektor 12 empfangenen Signalen, steuert das Regelgerät 4 die Absaugvorrichtung 30 an, um den Durchfluss an gasförmigen Substanzen im umgekehrten Verhältnis zur Sauerstoffkonzentration innerhalb der Mischkammer 5 zu regulieren. In der Praxis bedeutet dies, dass je mehr der volumetrische Sauerstoffprozentsatz dazu neigt, bezogen auf den Wert 18,5% abzusinken, desto größer wird der Durchfluss an gasförmigen Substanzen sein.
Die gasförmigen Substanzen, die die Kammer 5 verlassen, treten in dieser Reihenfolge durch den Abschnitt 27, den Abschnitt 28, den Abschnitt 29, durch den Durchflussmesser 31 hindurch und werden letztlich in die äußere Umgebung entlassen.
Die Messung des Durchflusses an gasförmigen Substanzen, die von dem Duchflussmesser 31 aufgenommen werden, wird zum Regelgerät 4 gesendet.
Die Einheit 33 multipliziert den Durchfluss an gasförmigen Substanzen, die die Kammer 5 verlassen, mit der Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Mischkammer 5 und der Sauerstoffkonzentration der Luft, die aus dem umgebenden Umfeld stammt und stellt sowohl den momentanen Sauerstoffverbrauch als auch den mittleren Verbrauch bezogen auf ein vorgegebenes Zeitintervall fest.
Die Datenverarbeitungseinheit 33, die den Algorithmus C.O. = 7VO2 + 5verwendet, stellt auch die Herzleistung fest, die zu einer bestimmten Zeit berechnet wird oder bezüglich eines vorgegebenen Zeitintervalls überwacht wird.
Die Daten, die vom Steuergerät 4 empfangen werden und die Daten, die von der Verarbeitungseinheit 33 erhalten werden, können auf dem Bildschirm 35 dargestellt werden und / oder von der Speichereinheit 34 gespeichert werden, um dadurch ein Diagramm für jeden Patienten 2 zu erzeugen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist die Kammer 5 in ihrem Inneren einige Querträger 38 auf, die in 1 mit punktierten Linien eingezeichnet und am Loch 7 vorgegeben sind und welche als Strömungsdeviatoren fungieren, um die gasförmigen Substanzen homogen innerhalb der Mischkammer 5 selbst zu verteilen.
Eine Abwandlung eines Details der Kammer 5 ist in 3 dargestellt. Gemäß dieser Abwandlung ist die Kammer 5 mit einer Wand 39 innerhalb der Kammer 5 selbst versehen. Die Wand 39 verläuft parallel zur Wand 8 und hat im Wesentlichen dieselbe Form und Dimensionen wie die Wand 8. Die Wand 39 hat ein Loch 40 das koaxial mit den Löchern 7 und 9 angeordnet ist; sie ist beweglich entlang der Richtung der Achse z und wird von einer Antriebseinheit 41 unter Ansteuerung durch das Regelgerät 4 bewegt. Die Antriebseinheit 41 umfasst zwei Paare hydraulischer Zylinder 42. Das erste Ende 25 der Röhre 24 ist innerhalb der Kammer 5 vorgegeben. Ein Bereich 27a des Abschnitts 27 ist innerhalb der Kammer 5 vorgegeben und geht durch das Loch 40 hindurch in die bewegliche Wand 39. Das Regelgerät 4 steuert die Antriebseinheit 41, so dass das Mischvolumen für die gasförmigen Substanzen, die aus dem Förderer 14 kommen, variabel ist. Insbesondere nimmt das Volumen der Kammer 5 im Verhältnis zu dem Volumen der gasförmigen Substanzen, die vom Patient 2 während des Vorgangs der zunehmenden Belastung ausgeatmet werden, zu. Auf diese Weise, selbst wenn der Patient 2 auf dem Höhepunkt seiner Belastung große Mengen an gasförmigen Substanzen ausatmet, bleibt das Signal, das der Konzentrationsdetektor 12 an das Regelgerät 4 sendet, stabiler und neigt nicht zu starken Oszillationen.
Gemäß einer möglichen Abwandlung ist der Detektors 12 auf der Außenseite der Kammer 5 angeordnet, mit welcher er mittels einer Röhre 43 verbunden ist, was in 1 mit gepunkteten Linien dargestellt ist. Durch die Röhre 43 wird eine Probe der gasförmigen Substanzen aus der Kammer 5 genommen und zum Detektor 12 transportiert. Eine Pumpe (nicht dargestellt), welche am Detektor 12 vorgegeben ist, saugt die Probe an.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausgestaltung umfasst der Detektor 12 zwei Sensoren, die zur Messung der Sauerstoffkonzentration bzw. Kohlendioxidkonzentration geeignet sind. In diesem Fall berechnet die Datenverarbeitungseinheit 33 auch das Verhältnis R zwischen der Kohlendioxidproduktion und dem Sauerstoffverbrauch.
4 stellt schematisiert eine weitere Ausgestaltung dar, demgemäß die Röhre 17 drei Abschnitte 17a, 17b, 17c aufweist, die so untereinander verbunden sind, dass sie im Wesentlichen eine y-förmige Röhre ausbilden. Insbesondere der Abschnitt 17a umfasst das Ende 18 und gabelt sich, um die Abschnitte 17b und 17c auszubilden. Der Abschnitt 17b umfasst das Ende 21 und wird durch das Loch 7 in die Mischkammer 5 eingeführt. Der Abschnitt 17c ist unmittelbar mit dem Auslassförderer 23 am Abschnitt 27 strömungsabwärts zum Loch 8 und strömungsaufwärts zur Absaugvorrichtung 30 verbunden. Auf diese Weise geht nur eine Portion der gasförmigen Substanzen, die durch den Förderer 14 hindurch aufgesaugt wurde, durch die Kammer 5 hindurch, die folglich kleine Dimensionen aufweisen kann.
Aus den obigen Erklärungen wird deutlich, dass diese Erfindung vorteilhaft auf dem Gebiet der Humanphysiologie angewendet werden kann, wobei die Möglichkeit eröffnet wird, zahlreiche Probleme zu lösen. Es ist tatsächlich möglich, den Sauerstoffverbrauch und die Herzleistung unter Verwendung präziser Sauerstoffanalysatoren zu messen, die jedoch vergleichsweise lange Ansprechzeiten haben und daher die Verwendung von enorm komplexen Sauerstoffanalysatoren (zum Beispiel Massenspektrometer) vermieden wird, die zusätzlich die Unannehmlichkeit aufweisen, dass komplizierte Kalibrierungen durch erfahrenes Personal notwendig sind.
Das beschriebene Verfahren vermeidet die Notwendigkeit zur Neutaktung der Beatmungs- und Strömungssignale, was die Folgefehler reduziert.
Die Erfindung ermöglicht es ferner, die oben erwähnten Messungen ohne die Verwendung von Masken und Mundstücken zur Aufsammlung der vom Patienten 2 ausgeatmeten Luft durchzuführen. Auf diese Weise ist es nicht mehr notwendig, komplexe und teure Verfahren zur Sterilisation des Zubehörs durchzuführen oder Einwegmaterial zu verwenden, das nicht immer geeignet ist und hohe Kosten verursacht. Schließlich wird Dank der Erfindung das Phänomen der unregelmäßigen Atmung vermieden, dass auf der Tatsache beruht, dass einige Patienten die Maske oder das Mundstück gut vertragen, so dass manchmal die Messungen signifikant gestört werden. Diese Erfindung ist insbesondere für Patienten ideal, die schwach sind und im „basalen" Ruhezustand befindlich sind, aber es stellt Leistungen sicher, die für viele diagnostische Erfordernisse bei Verfahren unter vorgegebener Belastung von Patienten mit Herzkrankheiten und von Athleten geeignet sind.

Claims

Apparat (1) zur Messung des Sauerstoffverbrauchs eines Lebewesens (2), welcher wenigstens eine Mischkammer (5) mit wenigstens einem Eingangsbereich (7) und wenigstens einem Auslassbereich (9) umfasst, wobei der besagte Apparat dadurch charakterisiert ist, dass er Folgendes umfasst; Saugvorrichtungen (30), um damit einen Strom von gasförmigen Substanzen durch den besagten Eingangsbereich (7), von der Außenseite der besagten Mischkammer (5) in das Innere der Mischkammer, und durch den besagten Auslassbereich (9), aus dem Inneren der besagten Mischkammer (5) an die Außenseite der besagten Mischkammer (5), zu erzeugen, Ermittlungsvorrichtungen (12), um damit die Konzentration wenigstens einer ersten, gasförmigen Substanz im Inneren der Mischkammer (5) zu messen, wenigstens ein Messgerät (31), um damit den Strom der gasförmigen Substanzen zu messen, ein Regelsystem (4), um damit die Saugvorrichtungen (30) zu steuern, um so die Konzentration der besagten ersten, gasförmigen Substanz im Inneren der besagten Mischkammer (5) im Wesentlichen konstant zu halten, Vorrichtungen zu Datenverarbeitung (33), um damit den Sauerstoffverbrauch des Lebewesens (2) als eine Funktion des besagten Stroms der gasförmigen Substanzen zu ermitteln; wobei der Strom der gasförmigen Substanzen diejenigen Substanzen, die von dem Lebewesen (2) ausgeatmet werden, sowie die Luft, die aus der äußeren Umgebung stammt, umfasst,
Apparat (1) gemäß Anspruch 1, bei welchem das besagte Messgerät (31) wenigstens eine Strömungs-Ermittlungsvorrichtung (31) umfasst, um damit den Strom der gasförmigen Substanzen, aus dem Inneren der besagten Mischkammer (5) an die Außenseite der besagten Mischkammer (5), zu messen, 3, Apparat gemäß Anspruch 2, bei welchem die Vorrichtung zur Datenverarbeitung (33) so gestaltet ist, dass sie den Strom der gasförmigen Substanzen, welcher die Mischkammer (5) verlässt, mit der Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Mischkammer (5) und der Sauerstoffkonzentration in der Luft, die aus der äußeren Umgebung stammt, multipliziert, um so den Sauerstoffverbrauch des Lebewesens (2) zu ermitteln.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die besagte Mischkammer (5) ein variables Volumen hat.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die besagte erste, gasförmige Substanz Sauerstoff ist.
Apparat (1) gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem die besagten Ermittlungsvorrichtungen (12) so gestaltet sind, dass sie eine Konzentration messen, die aus der Gruppe, welche aus der Sauerstoffkonzentration, der Kohlendioxydkonzentration und einer Kombination daraus besteht, ausgesucht wurde.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, welcher wenigstens ein Beförderungsmittel (14) umfassen, um damit die gasförmigen Substanzen von der Außenseite der besagten Mischkammer (5) in das Innere der besagten Mischkammer (5) zu transportieren; wobei die besagten Beförderungsmittel (14) einen trichterförmigen Abschnitt (15) umfassen.
Apparat (1) gemäß Anspruch 7, bei welchem der größte Innendurchmesser des trichterförmigen Abschnitts (15) größer als der Innendurchmesser des Mundes ist, oder als der Durchmesser des Ausstroms (E) der gasförmigen Substanzen, die von dem Lebewesen (2) ausgeatmet werden, um so einen ringförmigen Scheitelrand festzulegen, durch welchen die Luft (F), die aus der äußeren Umgebung stammt, eingesaugt wird; wobei sich die Oberfläche der Fassung, mit einem größeren Innendurchmesser als ihn der tunnelförmige Abschnitt (15) hat, in einer festgelegten Distanz zum Mund befindet.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, welcher Vorrichtungen zur Ermittlung (37) der Energie, die von dem Lebewesen (2) verbraucht wird, umfasst.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, welcher einen Timer (32) umfasst.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, welcher Vorrichtungen zum Ermitteln (33) der Herzleistung des Lebewesens (2) als eine Funktion des Sauerstoffverbrauchs umfasst.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, welcher Vorrichtungen zur Wiedergabe (35) von Daten umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt wurden, welche aus Folgendem besteht; mittlerer Sauerstoffverbrauch, augenblicklicher Sauerstoffverbrauch, mittlere Kohlendioxydproduktion, augenblickliche Kohlendioxydproduktion, Verhältnis (R) zwischen Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxydproduktion, mittlere Herzleistung, augenblickliche Herzleistung, mittlerer Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Energieverbrauch, mittlerer Energieverbrauch und eine Kombination daraus.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, welcher Vorrichtungen für die Speicherung (34) von Daten umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt wurden, welche aus Folgenden besteht; der mittlere Sauerstoffverbrauch, augenblicklicher Sauerstoffverbrauch, mittlere Kohlendioxydproduktion, augenblickliche Kohlendioxydproduktion, Verhältnis (R) zwischen Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxydproduktion, mittlere Herzleistung, augenblickliche Herzleistung, mittlerer Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Energieverbrauch, mittlerer Energieverbrauch und eine Kombination daraus.
Apparat (1) gemäß irgendeinem der vorherigen Ansprüche, welcher Vorrichtungen zum Ausdrucken (36) der Daten umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt wurden, welche aus Folgenden besteht: mittlerer Sauerstoffverbrauch, augenblicklicher Sauerstoffverbrauch, mittlere Kohlendioxydproduktion, augenblickliche Kohlendioxydproduktion, Verhältnis (R) zwischen Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxydproduktion, mittlere Herzleistung, augenblickliche Herzleistung, mittlerer Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Energieverbrauch, mittlerer Energieverbrauch und eine Kombination daraus.
Verfahren zur Messung des Sauerstoffverbrauchs, welches das Ansaugen der Substanzen, die von einem Lebewesen (2) in einen Apparat (1) für Messungen, der mit einer Mischkammer (5) ausgestattet ist, hinein ausgeatmet werden, bereit stellt; das besagte Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass es Folgendes bereit stellt; das Ansaugen der Luft, die aus der äußeren Umgebung stammt, zusammen mit den Substanzen, die von dem Lebewesen (2) ausgeatmet werden; das Messen der Konzentration von wenigstens einer ersten, gasförmigen Substanz innerhalb der Mischkammer (5); die Veränderung des Stroms von Substanzen, der in die Messapparatur (1) eintritt und/oder sie verlässt, auf eine solche Art und Weise, dass die Konzentration der wenigstens einen ersten, gasförmigen Substanz innerhalb der Mischkammer (5) im Wesentlichen konstant gehalten wird; das Messen des Stroms von Substanzen, der in die Messapparatur (1) eintritt und/oder sie verlässt; die Berechnung des Sauerstoffverbrauchs als eine Funktion des Stroms von Substanzen, der in die Messapparatur (1) eintritt und/oder sie verlässt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, in welchem der Sauerstoffverbrauch des Lebewesens (2) durch die Multiplikation des Stroms von Substanzen, der die Messapparatur (1) verlässt, mit der Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration im Inneren der Mischkammer (5) und der Sauerstoffkonzentration in der Luft, die aus der Umgebung, welche die Mischkammer (5) umgibt, stammt, erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, in welchem die erste, gasförmige Substanz, deren Konzentration gemessen wird, und deren Konzentration im Inneren der Mischkammer (5) im Wesentlichen konstant gehalten wird, Sauerstoff ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche von 15 bis 17, welches das Messen der Energie, die das Lebewesen (2) verbraucht, bereit stellt.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche von 15 bis 18, welches die Berechnung der Herzleistung des Lebewesens (2) als eine Funktion des Sauerstoffverbrauchs des Lebewesens (2) bereit stellt.
Verfahren gemäß Anspruch 19, in welchem, abhängig vom Sauerstoffverbrauch (VO₂) und der Gleichung: C.O. = 7VO₂ + 5, die Herzleistung (C.O.) des Lebewesens (2) erhalten wird.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche von 15 bis 20, welches die Wiedergabe von irgendeinem der folgenden Werte bereit stellt: mittlerer Sauerstoffverbrauch, augenblicklicher Sauerstoffverbrauch, mittlere Kohlendioxydproduktion, augenblickliche Kohlendioxydproduktion, mittlere Herzleistung, augenblickliche Herzleistung, mittlerer Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Energieverbrauch, mittlerer Energieverbrauch oder eine Kombination daraus.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche von 15 bis 21, welches die Speicherung von irgendeinem der folgenden Werte bereit stellt: mittlerer Sauerstoffverbrauch, augenblicklicher Sauerstoffverbrauch, mittlere Kohlendioxydproduktion, augenblickliche Kohlendioxydproduktion, mittlere Herzleistung, augenblickliche Herzleistung, mittlerer Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Energieverbrauch, mittlerer Energieverbrauch oder eine Kombination daraus.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche von 15 bis 22, welches das Ausdrucken von irgendeinem der folgenden Werte bereit stellt: mittlerer Sauerstoffverbrauch, augenblicklicher Sauerstoffverbrauch, mittlere Kohlendioxydproduktion, augenblickliche Kohlendioxydproduktion, mittlere Herzleistung, augenblickliche Herzleistung, mittlerer Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Strom von gasförmigen Substanzen, augenblicklicher Energieverbrauch, mittlerer Energieverbrauch oder eine Kombination daraus.
Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23, welches die Speicherung des Sauerstoffverbrauchs, der Herzleistung, des Stroms von gasförmigen Substanzen und des Energieverbrauchs des Lebewesens in einem einzigen Kurvenblatt bereit stellt, so dass es durch die Analyse dieses Kurvenblattes möglich ist, die Veränderungen eines jeden Parameters abzuschätzen.