DE6946882U - Geraet zum bestimmen des atemwegwiderstandes - Google Patents

Description

Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 22. November 1969 t

Henkestraße 127 \

VPA st-ki 30a4/229 |

Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes

Die vorliegende Erfindung bszxeht sich au.: · in Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Ατ-emrohr, an uas zwi= sehen dem mundseitigen und dem ins Freie mündenden Ende ein Differenzdruckmesser über zwei axial versetzte Ableitöffnungen angeschlossen ist, und einem Pulsgenerator, durch den das Atemrohr mit vorzugsweise sinusförmigen Druckschwankungen beaufschlagt wird ο

Den Atemwegwiderstand kann man dadurch bestimmen, daß man die zu untersuchende Person in ein Atemrohr mit einem Pneumotachographen atmen läßt und das Atemrohr gleichzeitig an einen Pulsgenerator für die Erzeugung von Druckschwankungen, die die Atmung überlagern,, anschließt. Bei diesem Meßverfahren ist ein teueres (nicht wartungsfreies) Strömung"meßgerät und eins zusätzliche Munddruckmessung erforderlich; außerdem kann der Atemwegwiderstand nur rechnerisch oder graphisch durch Division des Munddruckes durch die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden, wozu entweder teuere elektronische Rechner oder ebenlxLls teuere Koordinatenschreiber erforderlich sind.

Andere Geräte zum Bestimmen des Atemwegwideratandes arbeiten

z.B. in der Weise, daß eine in einer sogenannten Plethysmogra- ]

phenkammer sitzende Untersuchungsperson in ein Strömungsmeßge- |

rät (Pneumotachographen) atmet, wobei ebenfalls mittels eines I

analogen oder digitalen Rechners oder eines Schreibers aus der |

Strömungsgeschwindigkeit der Atmung und dsn Kammerdruckschwankun- |

gen der Atemwegwiderstand berechnet oder graphisch ermittelt |

wird. Diese Geräte sind wegen ihrer Größe (eine Plethysmogra- f

phenkammer wiegt etwa 400 kg) und wegen des großen Aufwandes an ' |

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mechanischen und elektronischen Meß- und Verarbeitungssystemen sehr teuer, so daß sie praktisch nur für Kliniken erschwinglich sind; auch wegen ihres großen Platzbedarfes sind diese Geräte für die Praxis eines Lungenarzte'-> kaum geeignet.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Gerät der eingangs genannten Art zum Bestimmen des Atemwegwiderständeβ anzugeben, welches billig ist, geringen Piatabsdar-f hat, störunanfällig ist und ohne Belästigung der untersuchten Person direkt ausreichend genaue Werte bei kurzen Meßzeiten liefert. Dem Lungenarzt soll durch das erfindungsgemäße Gerät ermöglicht werden, routinemäßig Atemwegwiderstandsbestimmungen bei seinen Patienten durchzuführen. Auch für Lungenreihenuntersuchungen soll das Gerät eingesetzt werden, damit Abweichungen von den Normalwerten schon i»n Pr"iT8ta^ium erfaßt werden und die Patienten zur weiteren Überwachung and frühzeitigen Therapie veranlaßt werden können.

j Erf-'ndungegeiiäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der An-

schluß de3 Pulsgenerators am Atemrohr vorzugsweise symmetrisch

• und senkrecht zwischen den Ableitöffnungen des Differenzdruck-Ϊ messers erfolgt und daß das ins Freie mündende Ende des Atem-

rohres mit Strömungswiderständen unterschiedlicher Größe abschließbar ibt.

Ein solches Gerät ist einfach, billig herzustellen und handlich, und es liefert in kurzer Zeit genügend genaue Meßwerte. Das Meß-

* prinzip beruht darauf, daß die vom Pulsgenerator erzeugten Druck-} Schwankungen keine Druckunterschiede an den Ableitöffnungen be-

wirken, solange der Luftwiderstand zwischen dem Anschluß des

\ Pulsgenerators einerseits und den beiden Enden des Atemrohres

andererseits gleich groß ist. Wenn die Atemwege der zu unter-

] suchenden Person pneumatisch an das mundseitige Ende des Atem-

§ rohres angeschlossen sind und die Öffnung des freien Endes des

! Atemrohres soweit mit einem Strömungswiderstand abgeschlossen

wird, daß an den Druckableitöffnungen Druckgleichheit herrscht,

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so repräsentiert dieser Strömungswiderstand den Atemwegwiderstand.

Der Strömungswiderstand am freien Atemrohrende wird zweckmäßigerweise durch eine Irisblende gebildet, deren Öffnungsweiten direkt in Widerstandswerten geeicht sind; die "Größe der Öffnung gibt dann direkt den Atemwegswiderstand.

Das erfindungsgemäße Gerät ist robust, braucht kaum gewartet zu werden und ist einfach zu handhaben.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, das anhand einer Figur erläutert wird.

In der Figur ist mit 1 das aus einem Rohr mit dichter Weite von 25 mm bestehende Atemrohr bezeichnet. Mit 2 ist das mundseitige Ende und mit 3 das freie Ende des Atemrohres bezeichnet. Das Atemrohr 1 weist zwischen den Endöffnungen 2 und 3 den Anschluß mit eineu Durchmesser von ebenfalls 25 mm auf, an den das Rohrstück 5 gleicher lichter Weite angesetzt ist. Das Atemrohr 1 ist als T-förmiges Staudruckrohr ausgebildet, wobei das Rohrstück 5 den Fußteil des T-Stückes bildet und als Anschlußleitung zum Pulsgenerator dient. Din Gesamtlänge des Atemrohres beträgt 425 mm, der Abstand vom Anschluß 4 bis zum mundseitigen Ende 2 100 mm, und der Abstand vom Anschluß 4 bis zum freien Ende 3 300 mm. Der Unterschied der beiden Abstände von 200 mm berücksichtigt, daß am mundaeitigen Ende der Patiententoträum (nämlich Mundhöhle, Rachenhöhle und Luftröhre) noch vor dem eigentlichen Widerstandssystem der Lunge liegt.

Die freie Endöffnung 3 ist mit einer Iris-Lochblende 6 versehen, die mittels Motor 7 verstellbar ist. Als Pulsgenerator für die Erzeugung sinusförmiger Druckschwankungen arbeitet im Rohrteil 5 der sich unter der Wirkung des Exzenterantriebes 8 bewegende

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Kolben 9, welcher einen Hub von etwa 50 cnr liefert (Kolbenpumpe). Die Frequenz der Druckschwankungen beträgt \ier Hz; sie liegt also über der Frequenz der Ruheatmung. Als Pulsgenerator kann auch eine schwingende Membran (Membranpumpe) verwendet werden.

Im Abstand von je 35 mm vom Anschluß 4 befinden sich auf der gegenüberliegenden Innenseite des Atemrohres zwei axial versetzte Ableitöffnungen, die glattrandig in das Atemrohr münden. Diese Öffnungen 10 und H sind mittels der Leitungen 12 und 1? an der Differenzdruckmanometerdose 14 angeschlossen. Als Manometer ist ein Elektromanometer verwendet, welches eine elektrische, der Druckdifferenz an den Ableitöffnungen 10 und 11 des Atemrohres entsprechende Ausgangsspannung abgibt. Das Ausgangπ-signal des Elektromanometers wird in einem ersten Integrator 15 und in einem zweiten Integrator 16 weiterverarbeitet und an das Null-Punkt-Instrument (Meßinstrument mit Ruhe-Null-Stellung in der Skalenmitte) 17 geführt. Es kann einer der beiden Integratoren eingespart werden, wenn dar Meßinstrument selbst als integrierendes Meßinstrument ausgebildet ist. Das Meßinstrument ist mit zwei symmetrisch zum Null-Punkt der Skala angeordneten Grenzwertfühlern 18, 19 versehen, über welche bei Überschreitung der Grenzwerte ein elektrisches Signal an den Motor 7 gegeben wird zur Veränderung der Größe der Lochblende. Selbstverständlich können statt einer Lochblende beliebig andere Strömungswiderstände verwendet werden. Die Verstellung der Blende 6 durch den Motor 7 über die Grenzwertfühler 18 ο^ίτ 19 soll im Sinne eines Null-Abgleiches des Meßinstrumentes erfolgen. Beim Ausführungsbeispiel ist auch eine nicht dargestellte Löschtaste vorgesehen, welche nach jeder Veränderung der Lochblendenweite betätigt wird und die Integratoren 15 und 16 löscht.

Die Aufgabe des ersten Integrators 15 ist es, eine Glättung aer Wechseldruckkomponente des Pulsgenerators herbeizuführen. Der weitere Integrator 16 dient der Eliminierung des durch die At-

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mung entstehenden Wechseldruckes. Am Meßinstrument werden daher bei Symmetrie zwischen dem Widerstand des Patienten und dem das ins Freie mündende Ende des Atemrohres abschließenden Strömungswiderstand (Blende) keine Schwankungen mehr angezeigt, die durch den Pulsgenerator bzw. die Atmung des Patienten bewirkt sind. Bei Unsymmetrie der Widerstände weicht jedoch der Meßwert am Instrument 17 von Null-Wert ab.

Zur Meßmethode wird noch folgendes bemerkt: Wird z.B. das ins Freie mündende Ende 3 des Atemrohres durch die

Blende teilweise verschlossen, so strömt durch das Atemrohrstück zwischen dem Anschluß 4 und dem Ende 3 weniger Luft als durch das Rohrteil zwischen Anschluß 4 und mundseitigem Ende 2 (sofern es die zu untersuchende Person noch nicht im Mund hat). Die an den Ableitöffnungen 10 und 11 gemessenen Drucke sind die Resultanten aus den hier herrschenden statischen Drucken und c"em Einfluß der Strömun^sgeschwirdigkeit an diesen Stellen Te größer die Strömungsgeschwindigkeit ist - gleichgültig in welcher Richtung - um so niedriger ist der Meßwert f^r|r u3n Druck an diesor Stelle. Verschließt man das Lnde 3 vollkommen, so herrscht an der Aule' ,öi^nung 10 nur eine ganz minimale Strömung, so daß währen., de^ Drückens und Saugens der Purapeinrichtur.g (des PuIsgenerators.) bei 10 ein größerer Druck herrscht als bei 11, weil r de. Ableit^ffnung 11 eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und daher nach der Bernoulli-G-leichirag dort der niedrigere Druck herrscht. Vorai..3g· setzt ist dabei, da,3 die Ableitöffnungen für das Druckmeßgerät glattrandig in das Atemrohr einmünden„ Die Integration der Druckdifferenz zwischen den Ableitöffi.ungen 10 und 11 ergibt eine "positive" Drift eines nachgeεehalteten Meß-Instrumentes. Läßt man nun da3 Ende 2 des Atemrohres von einer zu untersuchenden Person in den Mund nehmen und ist der Atemwegwiderstand dieser Person größer als derjenige der teilweise verschlossenen Blende am Ende 3, so wird das vom Pulsgenerator verschobene Gasvolumen 2u einem größeren Teil durch das Atemrohrende 3 bzw. die Blendenöffnung strömen als durch das mund-

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• · I I II

seitige Atemrohrende 2. Die Strömungsgeschwindigkeit ist demzu folge an der Ableitöffnung 10 größer als bei der Ableitöffnung 11 und damit ist der Druck bei 10 niedriger als bei 11. Das von dem Differenzdruckmeßinstrument gelieferte und vom ersten Integrator integrierte Signal wird daher eine negative Drift des Meßinstrumentes bewirken. Entspricht der Widerstand der Blende 6 am Atemrohrende 3 demjenigen der zu untersuchenden Person am mundseitigen Atemrohrende 2, so tritt keine Drift mehr ein.

Diese Vorgänge werden von der Atmung der zu untersuchenden Person überlagert. Während der Inspiration und der Exspiration entsteht an den Ableitöffnungen 10 und 11 eine zusätzliche Strömung, die jedoch an beiden Stellen identisch sind. Da auch das InspirationsvolTLmen und das Exspirationsvolumen praktisch gleich groß sind (der Fehler infolge des respiratorischen Quotienten beträgt höchstens 1%) führt die fortlaufende Integration lediglich zu einem Pendeln des Anzeigeinstruments aber nicht zu einer Drift»

Bei stufenweiser Änderung des Lochdurchmessers der Blende während der Atmung der zu untersuchenden Person ist eine Gleichheit der Strömungswiderstände de'r Blende und der Atemwege der zu untersuchenden Person daran zu erkennen, daß der erste Integrator Tun einen gleichbleibenden Wert pendelt aber nicht mehr driftet. Das Quadrat des so ermittelten Blendenradius ist umgekehrt proportional dem Strömungswiderstand in den Atemwegen der zu untersuchenden Person.

Durch nochmalige Integration des Signales kann auch noch das Pendeln eliminiert werden, so daß die interessierende Drift allein übrig bleibt. Über die G-renzwertmeldung kann dann automatisch der Blendendurchme3ser einec Irisblende oder durch Weiterschalten einer Lochscheibe um ein Loch beispielsweise um 0,5 mm vergrößert bzw_o verkleinert werden. Gleichzeitig sind der Inte-

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grator 15 und 16 zu löschen und ein Uhrwerk erneut zu starten. Wenn z.B. innerhalt· von 10 bis 30 see kein positiver oder negativer Grenzwert erreicht wird, stimmt der Blendenwiderstand mit den Strömungswiderständen der Atemwege der zu untersuchenden Person überein und kann abgelesen oder angezeigt werden.

Außer einer Blende (irisblende oder drehbare Scheibe mit verschiedenen Löchern, Durchmesser 2 - 13 mm in Stufen von je 0,5 mm) kann auch eine Serie von Widerständen nach Art eines Pneumotachographen verwendet werden (z.B. Pleisch'sche Düsen, Netze oder ähnliche lineare Strömungswiderstände).

Die DIfferenzdruckmeßdose muß den Bereich von Null bis 2 mm Wassersäule umfassen und soll linear sein.

Der theoretisch zu erwartende Einfluß der Größe des Lur^anvolumens, das dem Widerstand der Atemwege der zu untersuchenden Person nachgeschaltet ist, hat sich in Modellversuchen mit einer künstlichen Lunge und auch bei den untersuchten Personen als vernachlässigbar gering erwiesen, wenn das vom Pulsgenerator bewegte Volumen, also z.B. der Pumpenhub,nicht mehr a? s 50 cm und die Pulsfrequenz nicht über vier Hz betragen.

Vorteile der Erfindung liegen in dem geringen apparativen Aufwand und dem geringen Preis, in der Möglichkeit der Durchführung der Messungen bei Ruheatmung und damit Unabhängigkeit von der Mitarbeit der zu untersuchenden Person sowie in der sehr einfachen Handhabung und Wartungsfreiheit des Gerätes und der einfachen Auswertbarkeit der Messungen. Wesentliche Bedeutung kommt der Erfindung für die Frühdiagnostik chro. isch-unspezifischer Atemwegserkrankungen zu.

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Claims (1)

1. · tr···

   -B-

   1. Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes mit einem Atemrohr, an das zwischen dem mundseitigen und dem ins Freie mündenden Ende ein Differenzdruckmesser über zwei axial versetzte Ableitöffnungen angeschlossen ist, und einem Pulsgenerator, durch den das Atemrohr mit vorzugsweise sinusförmigen Drucks chwankungen beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Anschluß (4) des Pulsgenerators (8, 9) am Atemrohr (1) vorzugsweise symmetrisch und senkrecht zwischen den Ableitöffnungen (10, 11) des Differenzdruckmessers (14) erfolgt und daß das ins Freie mündende Ende (3) des Atemrohres (1) mit Strömungswiderst?nden (6) unterschiedlicher Größe abschließbar ist.

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Atemrohr als T-förmiges Staudruckrohr ausgebildet und der Pulsgenerator am FuQteil des T-Stückes angeschlossen ist.

   3. Gerät nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsgenerator nach Art einer Kolbenpumpe (8, 9) arbeitet.

   4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenhub in der Größenordnung von etwa bO cm' liegt.

   2. .Gerat nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz aer Druckschwankungen einige, vorzugsweise vier Hz beträgt.

   6, Gerät nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungswiderstand eine Irisblende (6) verwendet ist.

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   7. Gerät nach Anspruch 1 - 5, gekennzeichnet durch eine verstellbare Lochscheibe, deren Löcher im Bereich von 2 - 13mm um jeweils etwa 0,5 nun gestufte Durchmesser aufweisen und einzeln als Strömungswiderstände dienen.

   8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile des T-Stückes gleiche lichte Weiten haben.

   9. Gerät nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß als D: fferenzdruckmesser ein Elektromanometer (14) mit nachgeschaltetera Meßinstrument (17) verwendet, ist.

   10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßinstrument ein sog. Null instrument verwendet j.st.

   11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßinstrument mit Grenzwertfühlern (18, 19) symmetrisch zum Null-Punkt ausgestattet ist.

   12. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektromanometer und dem Meßinstrument zur Glättung der vom Pulsgenerator stammenden Druckschwankungen ein Integrator (15) eingeschaltet ist.

   13. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

   aas nachgeschaltete Meßinstrument ein integrierendes Meßinstrument ist.

   14. Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektromanometer und dem Meßinstrument ein weiterer Integrator (16) zur Eliminierung des durch die Atmung gegebenen Wechseldruckes eingeschaltet ist.

   - 10 -

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   -ΙΟΙ 5■ Gerät nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen von den Grenzwertfühlern gesteuerten motorischen Antrieb (7) für die Verstellimg der Strömungswiderstände im Sinne eines Null-Abgleiches .

   16. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Atemrohr einen Durchmesser von etwa 25 mm besitzt.

   17. Gerät nach Anspruch 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Able it öffnungen für den Differenzdruckmesser glattr-andig in das Atemrohr münden.

   18. Gerät nach Anspruch 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der Ableitöffnungen vom Anschluß (4) des Pulsgenerators etwa 35 mm beträgt.

   19. Gerät nach Anspruch 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Längp des Atemrohres etwa 425 mm beträgt.

   20. Gerät nach Anspruch 1 - 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des mundseitigen Endes (2) des Atemrohres vom Anschluß (4) des Pulsgenerator zum Ausgleich des Atemwegtotraumes beim Menschen um etwa 200 mm kurzer ist als der Abstand des freien Atemrohrendes (3) vom Anschluß (4) des Pulsgenerators.

   21. Gerät nach Anspruch 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des mundseitigen Endes (2) des Atejirohres vom Anschluß (4) des Pulsgenerator etwa 100 mm beträgt.

   22. Gerät nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungswiderstände Pneixmotachographen, z.B. Fleisch'sehe Düsen, Netze oder ähnliche lineare Strömungswiderstände, verwendet sind.

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