DE69027083T2

DE69027083T2 - Vorrichtung zum Messen des Atemwegwiderstandes

Info

Publication number: DE69027083T2
Application number: DE69027083T
Authority: DE
Inventors: Brian Roger Cain; Philip Jan Chowienczyk; Christopher Patrick Lawson
Original assignee: Micro Medical Ltd
Current assignee: CareFusion UK 232 Ltd
Priority date: 1989-09-11
Filing date: 1990-09-11
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2010-09-12
Also published as: EP0419113A1; EP0419113B1; US5233998A; DE69027083D1; GB2236395B; GB9019444D0; GB8920499D0; GB2236395A; ATE138253T1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Atemwegwiderstandes und, insbesondere, betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des Atemwegwiderstandes bei Patienten, unter Verwendung eines Unterbrecherverfahrens. Solch eine Vorrichtung ist zum Beispiel aus der Druckschrift DE-A-3 517 786 bekannt.
Bei Patienten ist es oftmals notwendig, ihren Atemweg-Durchmesser oder Veränderungen in ihrem Atemweg-Durchinesser zu beurteilen, die einem therapeutischen Eingriff, wie zum Beispiel einer Spirometrie, folgen. Herkömmliche Untersuchungen und Vorrichtungen zum Beurteilen des Atemweg-Durchmessers oder der Veränderungen im Atemweg-Durchmesser erfordern einen verhältnismäßig hohen Grad an Mitwirkung des Patienten. Dies schließt die herkömmlichen Untersuchungen und Vorrichtungen bei einer wichtigen Patientengruppe, nämlich den Neugeborenen, den Vorschulkindern, den kritisch Kranken, den komatösen Patienten, und manchen greisen Patienten aus.
Ein bekanntes, jedoch nicht übliches und bisher nicht ausgenutztes Verfahren zum Beurteilen des Atemweg-Durchmessers und von Veränderungen im Atemweg-Durchmesser ist als Atemwegverschluß- oder Unterbrecherverfahren bekannt. Dieses Unterbrecherverfahren hat die Fähigkeit, eine Messung des Atemweg-Durchmessers zur Verfügung zu stellen, die minimale Mitwirkung des Patienten erfordert. Das Prinzip der Arbeitsweise ist, daß während vorübergehender Unterbrechung des Luftstroms der Druck der Lungenbläschen sich rasch mit dein Druck am Mund ausgleicht. Eine Messung des Munddrucks unmittelbar nach dem Verschluß wird daher den Druck der Lungenbläschen ergeben. Vorausgesetzt, daß der Verschluß ausreichend schnell ist, wird der Druck an den Lungenbläschen unmittelbar nach dem Verschluß dem Druck an den Lungenbläschen unmittelbar vor dem Verschluß annähernd gleich sein. Das Verhältnis dieses Drucks zur Strömungsgeschwindigkeit zur Zeit des Verschlusses ist der Atemwegwiderstand, wie er durch das Unterbrecherverfahren bestimmt wird. Der Atemwegwiderstand steht in Beziehung zum Atemweg-Durchmesser. Das Unterbrecherverfahren ist nicht verbreitet benutzt worden, teilweise da die erforderliche Ausrüstung technisch schwierig herzustellen ist, und teilweise wegen theoretischer Vorbehalte hinsichtlich der Richtigkeit des Unterbrecherverfahrens. Es sind wenige experimentelle Daten veröffentlicht worden um das Unterbrecherverfahren zu widerlegen oder zu unterstützen. Jüngste theoretische Untersuchungen lassen es als wahrscheinlich erscheinen, daß das Unterbrecherverfahren im wesentlichen richtig ist, obwohl die Nachgiebigkeit der oberen Atemwege bewirken kann, daß der Atemwegwiderstand, wie er durch das Unterbrecherverfahren bestimmt wird, den wahren Wert des Atemwegwiderstands unterbewertet.
Da das Unterbrecherverfahren die Möglichkeit bietet, hei der obenerwähnten ausgeschlossenen wichtigen Patientengruppe verwendet zu werden, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen des Atemwegwiderstandes zu schaffen, die auf dem Unterbrecherverfahren beruht.
Folglich schafft diese Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des Atemwegwiderstandes, welche Vorrichtung ein Gehäuse, eine Bohrung kreisförmigen Querschnitts in dem Gehäuse, strömungsmessende Einrichtungen, die in der Bohrung angeordnet sind, und die zum Messen eines Luftstroms durch die Bohrung bestimmt sind, der durch eine ausatmende oder einatmende Person verursacht wird, unterbrechende Ventil-Einrichtungen, die zum Unterbrechen des Luftstroms durch die Bohrung bestimmt sind, und Druckfühler-Einrichtungen zum Wahrnehmen von Änderungen im Druck in der Bohrung, die durch die unterbrechenden Ventil- Einrichtungen verursacht werden, die die Bohrung öffnen und schließen und auf diese Weise den Luftstrom durch die Bohrung unterbrechen, aufweist, und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die unterbrechenden Ventil-Einrichtungen ein elliptisches Plattenteil sind, das durch Drehgelenk-Einrichtungen schwenkbar in der Bohrung angebracht ist; die Vorrichtung Hilfsmotor-Antriebs-Einrichtungen aufweist, die zum Bewegen des elliptischen Plattenteils zwischen einer die Bohrung verschließenden Stellung und einer die Bohrung öffnenden Stellung bestimmt sind, die mit den Drehgelenk-Einrichtungen verbunden sind, und die das elliptische Plattenteil über die Drehgelenk-Einrichtungen zwischen der die Bohrung verschließenden Stellung und der die Bohrung öffnenden Stellung antreiben; und das elliptische Plattenteil derart ausgebildet und angeordnet ist, daß es sich in der die Bohrung verschließenden Stellung in einem spitzen Winkel zur Bohrung erstreckt.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird besonders einfach zu benutzen sein, wird keine Mitwirkung durch die Patienten erfordern, wird tragbar sein, und wird eine unmittelbare sofortige Messung des Atemweg-Durchmessers liefern. Die Vorrichtung ist einfacher zu benutzen als die in der DE-A-2852491 gezeigte Vorrichtung, die eine Vorrichtung zum Messen des Atemwegwiderstands zeigt, die Druckfühler-Einrichtungen, strömungsmessende Einrichtungen, und unterbrechende Ventil-Einrichtungen aufweist.
Normalerweise werden die Druckfühler-Einrichtungen, die strömungsmessenden Einrichtungen und die unterbrechenden Ventil-Einrichtungen zusammen in nächster Nähe in Reihe geschaltet sein, wobei die strömungsmessenden Einrichtungen zwischen den unterbrechenden Ventil-Einrichtungen und den Druckfühler-Einrichtungen angeordnet sind.
Die Druckfühler-Einrichtungen können ein piezoelektrisches druckempfindliches Teil sein.
Vorzugsweise weisen die strömungsmessenden Einrichtungen Strömungswiderstands- Einrichtungen auf, zum Beispiel eine Gaze aus rostfreiem Stahl.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Rechner-Einrichtungen aufweisen. Die Rechner- Einrichtungen können einen Mikrocomputer, einen Analog-Digital-Wandler, Anzeigeeinrichtungen, einen Graphikdrucker und eine kleine Tastatur aufweisen. Der Mikrocomputer ist vorzugsvveise ein Ein-Chip-Mikrocomputer.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Schalt-Einrichtungen zum Umkehren der Polarität eines erhaltenen Druck-Signals und folglich eines Strömungs-Signals aufweisen, um es der Vorrichtung zu gestatten, den Atemwegwiderstand bei Einatmung oder Ausatmung zu messen.
Nunmehr wird eine Ausführungsform der Erfindung nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Messen des Atemwegwiderstands zeigt;
Fig. 2 etwas schematisiert einen Querschnitt durch einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zeigt; und
Fig. 3 eine Auswertung des Atemwegdrucks gegen die Zeit ist.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird dort eine Vorrichtung 2 zum Messen des Atemwegdrucks gezeigt, die ein Unterbrecherverfahren benutzt. Die Vorrichtung 2 weist eine Wandlereinheit 4 auf, die durch ein Kabel 6 mit Rechner-Einrichtungen in der Form einer speziell gefertigten kleinen Rechnereinheit 8 verbunden ist. Die Wandlereinheit 4 steht unmittelbar mit dem Atemweg eines Patienten entweder über eine (nicht gezeigte) Atemmaske oder ein Mundstück 10 in Verbindung.
Die Wandlereinheit 4 ist so entworfen, daß sie die genaue Messung des Atemwegwiderstands, wie er durch das Unterbrecherverfahren bestimmt wird, erleichtert. Die Wandlereinheit 4 tut dies, indem ein schneller Atemweg-Verschluß und eine Aufzeichnung mit hoher Genauigkeit des Druck-Ausgleichsvorgangs erzielt wird. Die Wandlereinheit 4 weist eine Reihen-Verbindung von Druckfühler-Einrichtungen in der Form eines Druckfühlers 12, strömungsmessender Einrichtungen in der Form eines Strömungswiderstands-Elements 14, und eines Unterbrecherventils 16, das als Verschluß-Ventil angesehen werden kann, auf. Der Druckfühler 12, das Strömungswiderstands-Element 14 und das Unterbrecherventil 16 sind, wie in Fig. 2 gezeigt, in nächster Nähe miteinander verbunden. Der Druckfühler 12 weist ein piezoelektrisches druckempfindliches Element auf. Der Druckfühler 12 ist mit dem Atemweg verbunden mit einem toten Raum von weniger als 0,2 ml. Dies stellt eine genaue Aufzeichnung vor Druci(ausgleichsvorgängen bei Frequenzen bis zu 500 Hz sicher.
Zwischenschaltung des Strömungswiderstands-Elements 14 zwischen den Druckfühler 12 und das Unterbrecherventil 16 erzeugt einen strömungsabhängigen Druck. Wenn das Unterbrecherventil 16 offen ist, kann die Atemweg-Strömung in Form aufgezeichneten Drucks gemessen werden.
Das Unterbrecherventil 16 weist eine elliptische Platte 18 von geringem Gewicht auf, die angetrieben wird, um den Hohlraum einer Röhre 20 abzuschließen. Kräfte auf die verschließende Platte 18, die als Ergebnis des Luftstroms durch das Unterbrecherventil 16 erzeugt werden, sind neutralisiert. Deshalb wird nur eine ganz geringe Kraft benötigt, um die Platte 18 zu bewegen. Die Verwendung einer elliptischen Platte 18 anstatt einer kreisförmigen Platte 18 beseitigt Reibungskräfte zwischen den Oberflächen der Platte 18 und dem Hohlraum der Röhre, wenn das Unterbrecherventil 16 geschlossen ist. Dies wiederum vermindert die Kraft, die erforderlich ist, um das Unterbrecherventil 16 anzutreiben. Ein hohe Verschlußgeschwindigkeit wird erzielt, die annähernd 4 ms beträgt. Die elliptische Platte 18 ist von geringem Gewicht, benötigt geringste elektrische Leistung und ist unauffällig in der Verwendung. Das Unterbrecherventil 16 weist einen Hilfsmotor 22 auf, der die Platte 18 über Wellen 24, 26 und Zahnräder 28, 30 antreibt.
Steuersignale an das Unterbrecherventil 6 und das analoge Signal vom Druckwandler 12 werden an die Rechnereinheit 8 weitergegeben. Die Rechnereinheit 8 ist eine speziell vorgesehene Rechnereinheit, die einen Signal-Chip-/Einzel-Chip-Mikrocomputer, einen Analoq-Digital-Wandler, eine Flüssigkristallanzeige, einen Graphik- Drucker und eine kleine Tastatur aufweist.
Die Vorrichtung 2 arbeitet wie folgt. Bei offener elliptischer Platte 18 werden Druck und folglich die Strömung ständig überwacht. Wenn die Strömung einen vorherbestimmten Wert erreicht, der normalerweise 0,5 l/s beträgt, wird das Unterbrecherventil 16 betätigt. Während der nächsten 100 ms werden Druckwerte in einem Speicherabsohnitt der Rechnereinheit 8 in Abständen von 1 ms gespeichert. Ungefähr 5 ms nachdem das Ventil betätigt wird, wird ein vollständiger Atemwegverschluß erzielt. Die elliptische Platte 18 wird für weitere 100 ms in der geschlossenen Stellung gehalten. Diese Zeitspanne des Atemwegverschlusses ist für den Patienten so gut wie nicht wahrnehbar. Die elliptische Platte 18 wird dann geöffnet und der gespeicherte Druck- Ausgleichvorgang wird ausgewertet, um den Atemwegwiderstand, wie er durch die Unterbrecher-Technik bestimmt wird, zu berechnen, siehe Fig. 3. In Fig. 3 ist die Zeit (t&sub0;) des vollständigen Atemwegverschlusses definiert als die, zu der das Drucksignal 25% der Differenz zwischen dem Höchstwert der ersten deutlich ausgebildeten Spitze der Druckschwingungen und dem Ausgangswert erreicht. Das Signal wird dann über zwei 10 ms-Zeitspannen gemittelt. Die erste Zeitspanne hat ihre Mitte bei einer Zeit (t&sub0;) + 30 ms und die zweite Zeitspanne hat ihre Mitte bei einer Zeit (t&sub0;) + 70 ms.
Diese beiden Mittelwerte werden benutzt, um den Druck-Ausgleichsvorgang zu einer Zeit (t&sub0;) + 15 ms zurück zu extrapolieren. Die Differenz zwischen diesem und dem Ausgangsdruck unmittelbar vor der Unterbrechung wird als der Alveolar(Luftbläschen-)Druck zur Zeit der Unterbrechung genommen. Der Atemwegwiderstand, wie er durch die Unterbrecher-Technik bestimmt wird, wird als das Verhältnis dieses Drucks zur Strömung zur Zeit der Unterbrechung genommen.
Ein (nicht gezeigter) Schalter erlaubt die Umkehrung der Polarität des Drucksignals (und folglich des Strömungssignals) und erlaubt es daher, daß Messungen bei Einatmung oder Ausatmung, wie gewünscht, gemacht werden können.
Man sollte sich bewußt sein, daß die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung nur als Beispiel gegeben worden ist, und daß Abänderungen vorgenommen werden können. So kann z. B. eine andere Art von Druckfühler 12 und eine andere Art von Unterbrecherventil 16 eingesetzt werden, als diejenigen, die erläutert wurden. Das Strömungswiderstandselement 14 kann eine andere Form haben als die dargestellte Scheibenform. Das Strömungswiderstandselement 14 kann eine Gaze aus rostfreiem Stahl sein, die einen kleinen Druckabfall an der Gaze verursacht, wenn der Patient während der Benutzung der Vorrichtung 2 atmet. Andere Strömungswiderstandselemente 14 als Gazen aus rostfreiem Stahl können eingesetzt werden. Auch andere Arten strömungsmessender Einrichtungen können eingesetzt werden, da das Verwenden von Strömungswiderstandseinrichtungen nur eine gegenwärtig bevorzugte Art ist, den Luftstrom zu messen, die die Verwendung eines einzelnen Druckwandlers zum Messen der Atemwegströmung ermöglicht, wenn die elliptische Platte 18 geöffnet ist, und ebenso zum Messen des Luftdrucks am Mund des Patienten, wenn die elliptische Platte 18 geschlossen ist. Die Rechnereinheit 8 ist bit einer Papiervorschubtaste 32, einer Löschtaste 34, eine Eingabetaste 36 und einer Anzahl von Tasten 1 - 0 wie gezeigt, gezeigt. Die Zifferntasten 1 - 0 ergeben einen Strömungs-Schwellenwert, der das Unterbrecherventil 16 veranlaßt, sich in seine geschlossene Stellung zu bewegen, wenn der Atem des Patienten den eingestellten Strömungs-Schwellenwert erreicht. Die Rechnereinheit 8 kann abgewandelt werden, z. B. um die Anzahl der Tasten 1 - 0 zu verringern, und dadurch die Anzahl der wählbaren Strömungs-Schwellenwerte zu vermindern.

Claims

1. Vorrichtung (2) zum Messen des Atemwegwiderstandes, welche Vorrichtung ein Gehäuse (20), eine Bohrung kreisförmigen Querschnitts in dem Gehäuse, strömungsmessende Einrichtungen (14), die in der Bohrung angeordnet sind, und die zum Messen eines Luftstroms durch die Bohrung bestimmt sind, der durch eine ausatmende oder einatmende Person verursacht wird, unterbrechende Ventil- Einrichtungen (16), die zum Unterbrechen des Luftstroms durch die Bohrung bestimmt sind, und Druckfühler-Einrichtungen (12) zum Wahrnehmen von Änderungen im Druck in der Bohrung, die durch die unterbrechenden Ventil- Einrichtungen (16) verursacht werden, die die Bohrung schließen und öffnen und auf diese Weise den Luftstrom durch die Bohrung unterbrechen, aufweist, und die Vorrichtung (2) dadurch gekennzeichnet ist, daß die unterbrechenden Ventil- Einrichtungen (16) ein elliptisches Plattenteil (18) sind, das durch Drehgelenk- Einrichtungen (26) schwenkbar in der Bohrung angebracht ist; die Vorrichtung Hilfsmotor-Antriebs-Einrichtungen (22) aufweist, die zum Bewegen des elliptischen Plattenteils (18) zwischen einer die Bohrung verschließenden Stellung und einer die Bohrung öffnenden Stellung bestimmt sind, die mit den Drehgelenk-Einrichtungen (26) verbunden sind, und die das elliptische Plattenteil (18) über die Drehgelenk- Einrichtungen (26) zwischen der die Bohrung verschließenden Stellung und der die Bohrung öffnenden Stellung antreiben; und das elliptische Plattenteil (18) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß es sich in der die Bohrung verschließenden Stellung in einem spitzen Winkel zur Bohrung erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Druckfühler-Einrichtungen (12), die strömungsmessenden Einrichtungen (14) und die unterbrechenden Ventil-Einrichtungen (16) zusammen in nächster Nähe zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei die strömungsmessenden Einrichtungen (14) zwischen den unterbrechenden Ventil- Einrichtungen (16) und den Druckfühler-Einrichtungen (12) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welcher die Druckfühler- Einrichtungen (12) ein piezoelektrisches druckempfindliches Teil sind.

4. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die strömungsmessenden Einrichtungen (14) Strömungswiderstands-Einrichtungen aufweisen.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche und Rechner- Einrichtungen aufweisend.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, in welcher die Rechner-Einrichtungen einen Mikrocomputer. einen Analog-Digital-Wandler, Anzeigeeinrichtungen. einen Graphikdrucker und eine kleine Tastatur aufweisen.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche und aufweisend Schalt- Einrichtungen zum Umkehren der Polarität eines erhaltenen Druck-Signals und folglich eines Strömungs-Signals. um es der Vorrichtung zu gestatten, den Atemwegwiderstand bei Einatmung oder Ausatmung zu messen.