DE2508319A1 - Geraet zum bestimmen des atemwegwiderstandes - Google Patents

Description

Gerät zum Bestimmen des Atemwegviderstandes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes. Solche Geräte weisen im allgemeinen einen Strömungswiderstand im Atemstromweg, dessen Widerstandswert periodisch mit einer über der Atemfrequenz liegenden Frequenz verändert wird, oder ein Atemrohr mit einem Strömungswiderstand und einen Pulsgenerator zur Beaufschlagung des Atemstroms mit höherfrequenten Druck- bzw. Strömungspulsationen auf.

Aus der DT-AS 1 029 526 ist ein Gerät dieser Art bekannt, bei dem dem Atemwiderstand periodisch ein Zusatzwiderstand zu- bzw. von diesem weggeschaltet wird. Durch Messung des Druckabfalls mit und ohne Zusatzwiderstand läßt sich der Atemwegwiderstand ermitteln. Weiterhin ist durch die DT-OS 1 96O 640 ein Gerät der eingangs genannten Art bekannt, bei dem dem Atemstrom durch, eine Kolbenpumpe Druckschwankungen von etwa 3 Hz überlagert

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werden und ein sich an der anderen Seite des Atemrohres befindender, veränderbarer Strömungswiderstand so lange verändert wird., bis ein am Atemrohr beidseitig des Anschlusses der Kolbenpumpe angeschlossenes Differenzdruckmeßgerät den Wert Null anzeigt. Der Wert des Strömungswiderstandes ist dann ein unmittelbares Maß für den Atemwegwiderstand.

Die nach diesen Meßprinzipien zu ermittelnden Atemwegwiderstände sind jedoch nicht exakt genug., da vernachlässigt wird, daß der Atemwegwiderstand einen komplexen Strömungswiderstand, bestehend aus einem Realteil - der sogenannten Wechselstromresistanz - und einem durch kapazitive und induktive Glieder gebildeten Imaginärteil, darstellt. Es ist daher vorgeschlagen worden (deutsche Patentanmeldungen 24 Ij5 960.4 und 24 14 019.O) bei Wechselmessungen mit Geräten der eingangs genannten Art geeignete Meßmittel vorzusehen, die Real- und Imaginärteil des Atemwegwiderstandec getrennt erfassen können und auch Phasenmessungen ermöglichen. Dabei wird als Strömungswiderstand ein Wirkwiderstand verwendet _} der gegebenenfalls einen kleinen Wechselanteil mit vernachlässigbarer imaginärer Komponente aufweist. Das Problem derartiger Einrichtungen liegt in der Realisierung eines strömungskonstanten Wirkwiderstandes. Sich anbietende Kapillarsiebe, Kapillar- oder Schlitzkanalbündel sind verschmutzungsanfällig, schwer zu reinigen und deshalb über lange Zeiten nicht konstant in ihren Werten. Außerdem belastet der äußere Wirkwiderstand den Patienten bei der Atmung erheblich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen. Es soll ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes, der eingangs genannten Art angegeben werden, das billig und leicht zu reinigen ist, den Patienten bei der Atmung nicht belastet und daher als Gerät für Reihenuntersuchungen geeignet erscheint. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

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daß der Strömungswiderstand komplex ist. Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, diesen komplexen Strömungswiderstand näherungsweise rein induktiv zu wählen., wobei dieser durch einen gestreckten oder mehrfach gebogenen Schlauch gebildet wird., dessen Querschnitt vorzugsweise rund oder quadratisch ist. Ein derartiger Widerstand ist einfach herzustellen, billig und leicht zu reinigen und belastet die Atmung weniger als der Wirkwiderstand in den bekannten Geräten. In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung kann zur periodischen Veränderung des Atemstromwiderstandes die Schlauchlänge nach Art einer Posaune verändert werden. Weiterhin kann der periodisch veränderbare, näherungs-W€'ise rein induktive Teil eines komplexen Luftwiderstandes durch Geräte gebildet werden, bei denen die strömende Luft periodisch zusätzliche Massen beschleunigt, wobei eine ausreichend starke und konstante Kopplung zwischen beschleunigter Luft und zusätzlicher Masse bestehen muß, z.B. durch eine Turbine oder durch ein Zahnradvolumeter..

Den Erfindungen gingen Überlegungen und Untersuchungen voran, wie weit -- ausgehend von einer konsistenten komplexen Darstellung von Atemwegwiderstand, Strömungswiderstand und Munddruck - Vereinfachungen für eine technische Realisierung vorgenommen werden können und wie weit Phasenmessungen tatsächlich nötig sind. Bei Beachtung der Tatsache, daß Atemwegwiderstand und Strömungswiderstand parallelgeschaltet sind, ergibt sich für den gesuhten komplexen Atemwegwiderstand

m ' ζ . β ^Jl? - ^{F e J}'^v· ^{R e jr<}

wobei mit Z, R, P und I die Amplituden des gesuchten Atemwegwiderstandes, des äußeren Strömungswiderstandes, des zu messenden Druckes und der eingeprägten Strömung und mit Y , >>C und M^y die zugehörigen Phasenwinkel.bezeichnet sind. Die Phasen-

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faktoren bedeuten daß jeweils Phasenverschiebungen gegen die dem System eingeprägte. Wechselströraung auftreten. Unter Ver-

P Z

Wendung von reduzierten Größen ρ = ^g- und ζ = -~~ ergibt sich

aus (l) für den Betrag ζ und die Phase ^{f des Atemwegwiderstandes:

(2) (3)

= P/

1 + p² - 2p -(sin >/ sin ^S-U - cos £<, cos'--^;)

φ -κ ₊';. -.rotg-SiS^SIiSJi

Aus den Gleichungen (2) und (3) können unter Berücksichtigung der Struktur des vorgegebenen Strömungswiderstandes die für die Messung notwendigen Beziehungen abgeleitet werden. Für die vorzugsweise Ausgestaltung als näherungsweise rein induktiver Widerstand ergibt sich wegen

'■-"ν- —

(4) (5)

Z =

1 + ρ - 2p-sin -^

_ arctg

P- cos

Aus den bei der Messung ermittelten Werten von ρ und V kann die Errechnung von ζ und ψ und weiterhin des Real- bzw. Imaginärteils des Atemstromwiderstandes erfolgen. Dafür kennen spezielle Rechenglieder oder auch vorbereitete Transformationsdiagramme verwendet werden.

Bisherige Untersuchungen haben gezeigt^ daß bei Messungen des Atemwegwiderstandes von gesunden Versuchspersonen keine nennens werten Phasenverschiebungen auftraten. Bei kranken Versuchsper-

min ?5 τ¹

sonen mit Resistanz-Werten über 5 -r-p führt eine Vernachlässi

f i./sec

gung der Phasenmessung zu einer Anhebung des Meßwertes, wodurch die "diagnostische Trennschärfe" verbessert wird. Setzt man so '4'.= O.ergibt sich aus (5) sin ψ = ρ und weiterhin

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BAD ORIGINAL

(6) ζ =

(7) ζ =

I² · R²

Unter der Voraussetzung, daß P klein und R ausreichend groß ist, ergibt sich also eine annähernd lineare Abhängigkeit des Atemwegwiderstandes von der Amplitude des Wechseldruckes. Das Druckmeßgerät kann dann in einfacher Weise auf den Atemwegwiderstand umgeeicht werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figurenbeschreibung eines Ausführun^sbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gerätes zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes

Fig. 2 die zugehörige Auswerteschaltung.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Patientenmundstück bezeichnet. An diesem befindet sich ein Anschlußstück 2, an dessen offenem Ende 3 der den Blindwiderstand des komplexen Luftwiderstandes realisierende Schlauch 4 aufgesteckt ist. Dieser hat eine Länge von etwa 1,2 m und einen inneren Durchmesser von etwa 1,2 cm. Weiterhin befinden sich an dem Anschlußstück noch zwei kleinlumige Stutzen 5 und 6, von denen der erste über eine pneumatische Leitung 7 mit einer Wechselströmungspumpe 8 verbunden ist, die der Beaufschlagung des Atemstromes mit einer höheren Strömungspulsation dient. Der zweite Stutzen/über die pneumatische Leitung 9 mit einem

ist

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Mikrofon 10 verbunden, das als Druckmeßgerät und -wandler dient. Durch geeignete elektronische Mittel in Fig. 2 wird die hochfrequente Komponente des dem Druck proportionalen elektrischen Meßsignals herausgefiltert. Dem Mikrofon 10 folgt ein erster Verstärker 11 und zwei hintereinander geschaltete Bandpässe 12 und IJ), die auf die Pulsationsfrequenz der Wechselströrnungspumpe abgestimmt sind. Einem weiteren, steuerbaren Verstärker 14 folgt ein Gleichrichter I5. Das gleichgerichtete Meßsignal wird auf zwei parallel geschaltete Tiefpässe l6 und 17 gegeben, von denen der erste auf 5 Hz und der zweite auf 0,1 Hz als Grenzfrequenz abgestimmt ist. Deren Ausgangssignale können über den Schalter l8 alternativ auf den Zeitschreiber I9 und über den Schalter 20 weiterhin auf das Meßgerät 21 gegeben werden, das auf den reellen Atemwegwiderstand gemäß der Beziehung

Z ₌ ___JL__

I¹

- P

2 R

umgeeicht ist. Dadurch können alternativ die atemsynchronen Änderungen des Atemwegwideräcandes und dessen zeitlicher Mittelwert dargestellt und gemessen werden.

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Claims (12)

Patentansprüche

1. Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes, mit einem Strömungswiderstand im Atemstromweg, dessen Widerstandswert periodisch mit einer über der Atemfrequenz liegenden Frequenz verändert wird, sowie mit einem Druckmesser zur Messung des Druckes im Atemrohr, .gekennzeichnet durch die Verwendung eines komplexen Strömungswiderstandes.

2. Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiders tandes,- mit einem Atemrohr, das einen Strömungswiderstand und einen Pulsgenerator zur Beaufschlagung des Atemstroms mit höherfrequenten Druckbzw. Strömungspulsationen aufweist, sowie mit einem Druckmesser zur Messung des Druckes im Atemrohr, gekennze ichnet durch die Verwendung eines komplexen Strömungswiderstandes.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der.komplexe Strömungswiderstand näherungsweise rein induktiv ist.

4. Gerät nach Anspruch j5* dadurch gekennzeichnet, daß der näherungsweise rein induktive Strömungswiderstand durch einen langen, gestreckten oder mehrfach gebogenen Schlauch (4; realisiert wird.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur periodischen Veränderung des Atemstromwiderstandes die Schlauchlänge nach Art einer Posaune verändert wird.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur periodischen Veränderung des Atemstromwiderstandes der Schlauchquerschnitt verändert wird.

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7. Gerat zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch veränderbare., näherungsweise rein induktive Widerstand durch Geräte gebildet wird, - z.B. Turbinen oder Zahnradvolumeter - bei denen die strömende Luft periodisch zusätzliche Massen beschleunigt., wobei eine ausreichend starke und konstante Kopplung zwischen beschleunigter Luft und der Zusatzmasse besteht.

8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine Wechseldruckpumpe den Atemstrom mit einer im Vergleich zur Atemfrequenz höherfrequenter Pulsationen beaufschlagt und ein geeigneter Wechseldruckmesser nieder- und hochfrequenter Druckschwankungen erfaßt.

9. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechseldruckmesser ein Mikrofon (1O) verwendet wird, dem auf die A'nderungsfrequenz des Strömungswiderstandes bzw. Pulsati onsfrequenz der Wechselströmungspumpe abgestimmte Frequenzfilter, vorzugsweise Bandpässe (12, 13), nachgeschaltet sind.

10. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch geeignete elektronische Mittel zu messende und verstärkte Wechseldruckamplitude in einem Gleichrichter (15) gleichgerichtet wird und über Frequenzfilter, vorzugsweise zwei Tiefpässe (l6, 17) mit den Grenzfrequenzen 5 Hz und-0,1 Hz, alternativ auf einen Zeitschreiber (X9) gegeben werden, in dem Sinne, daß alternativ die atemsynchronenA'nderungen des Atemwegwiderstandes und dessen Mittelwert dargestellt werden können.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Tiefpässe (ΐβ, I7) alternativ auf ein Meßgerät (21) gegeben werden.

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12. Gerät nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß

das Meßgerät (21) nach der Beziehung Z = —--—·-,~.p2 _}

I · Jl T₅ ^-

umgeeicht ist und der Meßwert als Aterawegwiderstand angezeigt wird.

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