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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Atmungsüberwachung eines Patienten
und insbesondere Impedanzpneumographie, ein Verfahren zur Atmungsüberwachung,
bei dem Veränderungen
der elektrischen Impedanz überwacht
werden, die durch die Expansion und Kontraktion der Brusthöhle des Patienten
während
der Atmung hervorgerufen werden.
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Normalerweise
wird ein Untersuchungswechselstrom mit differentieller, konstanter
Amplitude am Körper
des Patienten angelegt, um die Atmungen des Patienten zu ermitteln,
indem Veränderungen
der transthorakalen Impedanz des Patienten gemessen werden. Der
Untersuchungsstrom wird an dem Patienten mittels zweier Elektroden
angelegt, die normalerweise zur EKG-Überwachung verwendet werden.
Der Untersuchungsstrom wird durch die Brusthöhle des Patienten geleitet
und infolge des Untersuchungsstroms mit konstanter Amplitude, der durch
die transthorakale Impedanz läuft,
die sich mit den Atmungen des Patienten verändert, werden an den EKG-Elektroden
Spannungsmodulationen entsprechend den Atmungen des Patienten erzeugt.
Die resultierenden Spannungsmodulationen werden normalerweise mittels
eines Synchronspannungsprüfers ermittelt,
der mit dem selben Elektrodenpaar verbunden ist, wie jene, die zum
Anlegen des Untersuchungsstroms verwendet wurden, wie beispielsweise die
Elektroden für
den rechten Arm (RA) und den linken Arm (LA).
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Die
Kabel, die zum Verbinden des Untersuchungsstroms und des Spannungsprüfers mit
dem Patienten verwendet werden, weisen kapazitive Reaktanzen auf,
die dazu neigen, einen Teil des Untersuchungsstroms parallel um
den Patienten herumzuleiten. Ein Effekt dieser Parallelleitung besteht
darin, dass die Systemverstärkung,
die in Volt/Ohm ausgedrückt
wird, eine Abhängigkeit
von der Grundlinie des Niveaus der transthorakalen Impedanz sowie
von dem Niveau einer beliebigen, mit dem Patienten in Serie geschalteten
Impedanz aufweist, wie beispielsweise Widerstände zum Schutz der Überwachungsschaltungsanordnung
vor Defibrilationsspannungen, die an dem Patienten angelegt werden
können.
Diese Abhängigkeit
macht die Ermittlung um so schwieriger, je kleiner die durch die
Atmung veranlassten Änderungen
der Impedanz sind (d. h. eine solche Abhängigkeit erschwert es, absolute
Schwellwertniveaus des Ermittlungssignals einzustellen). Ein weiterer
Effekt besteht darin, dass die induzierte Spannung empfindlich auf Änderungen
der Frequenz des Untersuchungsstroms reagiert. Jedes Phasen- oder Frequenzflimmern
der Untersuchungsstrom- oder der Taktsignale, die zur Ermittlung
des Untersuchungsstroms verwendet werden, werden während der
Ermittlung mittels des Synchronspannungsprüfers in ein Spannungsrauschen
konvertiert. Die oben erwähnte
Parallelleitung des Untersuchungsstroms, die Veränderungen der Systemverstärkung und
das Spannungsrauschen führt
in den induzierten Spannungsmodulationen zu Signalartefakten, wodurch
die Genauigkeit der Atmungsermittlungsschaltungsanordnung vermindert
wird.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Untersuchungswechselstromquelle
zur Verfügung
zu stellen, die diese unerwünschten
Effekte löst,
wobei gleichzeitig eine Stromquelle zur Verfügung gestellt wird, die verhältnismäßig kostengünstig ist,
die hinsichtlich der von den Elektroden übertragenen EKG-Signale, eine
minimale Belastung darstellt, und die unter Verwendung integrierter
Schaltkreistechnik leicht hergestellt werden kann.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekannter, von Hewlett-Packard hergestellter
Atmungsmonitor (der vermutlich unter der Marke CLOVER vertrieben wird),
legt eine Sinuswelle mit einer festen Frequenz an einer Impedanzmessbrücke an,
von der ein Zweig mit der Brusthöhle
des Patienten über
einen Transformator verbunden ist.
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Der
Ausgang der Brücke
wird an einen Synchrondetektor übertragen,
um das Atmungssignal gemäß bekannter
Verfahren zu entwickeln.
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Das
Verfahren erfordert jedoch leider die Verwendung eines sperrigen
Transformators, der sich mit der Schaltkreistechnologie schlecht
verbinden lässt.
Außerdem
erfordert dieses Verfahren einen sinusförmigen Untersuchungsstrom,
der unter Verwendung einer digitalen Schaltung etwas schwierig und
teuer zu erzeugen ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vorrichtung zum Überwachen der durch Atmung
hervorgerufenen Expansion und Kontraktion der Brusthöhle eines
Patienten bereitgestellt, die aufweist:
Erzeugungsmittel, um
ein Wechselstromsignal für
die Untersuchung zu erzeugen;
Elektroden zum Anlegen des Untersuchungsstromsignals
an den Patienten;
Kopplungsmittel zum Anlegen des Untersuchungsstromsignals
an die Elektroden, so dass ein Teil des Untersuchungsstromes durch
die Elektroden läuft, während ein
Teil des Stromes nicht durch die Elektroden läuft, sondern aufgrund der effektiven
Kapazität des
Kopplungsmittels parallel geleitet wird; und
Detektierungsmittel,
die an das Kopplungsmittel gekoppelt sind, um ein amplitudenmoduliertes
Spannungssignal zu detektieren, das über den Elektroden als Antwort
auf das Anlegen des Untersuchungsstromes und der Variation der Impedanz,
die den Elektroden präsentiert
wird, entwickelt wird;
gekennzeichnet durch strommodifizierende
Mittel, die mit den Erzeugungsmitteln gekoppelt sind, um den Untersuchungswechselstrom
während
des Anlegens an die Elektroden zu modifizieren, um einen kompensierten
Strom zu erzeugen, der an seinen führenden Flanken eine Überschwingung
aufweist, so dass der Teil des Untersuchungsstromes, der nicht durch
die Elektroden verläuft,
zumindest teilweise kompensiert wird.
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Bevorzugte
Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines bekannten Atmungsmonitors;
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2 zeigt
ein Blockschaltbild eines Atmungsmonitors, der gemäß den Grundprinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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3 zeigt
teilweise in Form eines Blockschaltbildes und teilweise in Form
eines Anschlussschemas den in der 2 gezeigten
Atmungsmonitor; und
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4 zeigt
in Form eines Blockschaltbildes den Funktionsbetrieb eines Teils
der in 3 gezeigten Darstellung.
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1 zeigt
einen bekannten Atmungsmonitor 8, wobei eine Differenzstromspannungsquelle 10 zwei
identische, jedoch differentielle (um 180° phasenversetzte) Untersuchungswechselströme erzeugt.
Die Differenzströme
werden jeweils über
ein mit dem Patienten verbundenes Kabel 16 mittels an dem
Patienten angebrachten Elektroden 12 und 14 angelegt.
Normalerweise sind die Elektroden solche, wie sie zur EKG-Überwachung
verwendet werden, und das Patientenkabel 16 ist das EKG-Kabel,
das verwendet wird, um die EKG-Elektroden mit einem EKG-Monitor
zu verbinden. In diesem Falle wäre
die Schaltungsanordnung (nicht gezeigt) zur Verarbeitung des EKG-Signals
ebenfalls mit dem Kabel 16 parallel mit der Atmungsschaltungsanordnung 18 zum
Entwickeln und Anzeigen von EKG-Wellenformen, wie es bereits bekannt
ist, verbunden. Außerdem
stellt der Körper
eines Patienten P, wie es ebenfalls bereits bekannt ist, eine variierende
Impedanz Z zwischen den Elektroden 12 und 14 dar,
wobei die Variation der Impedanz des Patienten der Expansion und
Kontraktion des transthorakalen Hohlraums des Patienten als Reaktion
auf die Atmungen des Patienten entspricht. Innerhalb des Monitors
ist die Atmungsschaltungsanordnung 18 mit den Elektroden 12 und 14 über das
Kabel 16 zum Abtasten der Amplitudenmodulationen einer
Spannung verbunden, die zwischen den Elektroden 12 und 14 infolge
des angelegten Untersuchungswechselstroms und den Atmungen des Patienten
entsteht. Diese abgetasteten Amplitudenmodulationen werden in einer
dem Durchschnittsfachmann bereits bekannten Art und Weise verarbeitet,
um ein Atmungssignal zu entwickeln, das verwendet werden kann, um
die Überwachung
der Atmung des Patienten anzuzeigen und/oder zu alarmieren. Ferner
sind CC, die effektiven Kapazitäten des
Kabels 16, sowie CB und RP dargestellt, die einen Gleichspannungskoppelkondensator
und einen Hochspannungsschutzwiderstand aufweisen.
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Die
effektive Kapazität
CC des Kabels 16 neigt dazu, einen
Teil des Untersuchungswechselstroms eher um den Patienten herum
als hindurch zu leiten. Ein großer
Effekt dieser Parallelleitung ist ein vermindertes Signalniveau
bei den induzierten Spannungsmodulationen, wodurch die Fähigkeit,
die Veränderungen
der Patientenimpedanz genau zu überwachen,
vermindert wird, was außerhalb
von ungefähr
600 bis 6000 Ohm Patientenimpedanz in der Größenordnung von 1 oder 2 Ohm
liegt. Bei ungefähr 5000–6000 Ohm
Patientenimpedanz ist die Stromparallelleitung durch das Kabel signifikant.
Andere unerwünschte
und verwandte Effekte der Kabelkapazität CC sind
die Veränderung
und die Verstärkung,
die in Volt/Ohm ausgedrückt
wird, und die Umwandlung von Frequenz- und/oder Phasenflimmern in dem Untersuchungsstrom
in Spannungsvariationen durch den Synchronprüfer, wie bereits zuvor beim
Hintergrund dieser Beschreibung erwähnt wurde.
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In
der 2 ist ein Blockschaltbild eines Atmungsmonitors
dargestellt, der in Übereinstimmung mit
den Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Schaltungen
und Komponenten, die in den 1 und 2 im
Wesentlichen die gleichen sind, sind ähnlich nummeriert. Grundsätzlich sind
zumindest zwei Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik vorhanden.
Zum einen sind Kompensationsschaltungen 20 und 22 mit
den Differenzausgängen
der Stromquelle 10 verbunden, die eine modifizierte Stromquelle 10' bilden, und
zum anderen ist in der bevorzugten Ausführungsform die Differenzstromquelle
unter Verwendung einer geschalteten "fliegenden" Kondensatorschaltungsanordnung bereitgestellt.
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Wie
in der 2 dargestellt ist, stellt eine Differenzstromquelle 11 einen
Untersuchungsstrom 24 (mit beispielsweise +/–100 μA) mit einer
Rechteckwellenform zur Verfügung,
und die Kompensationsschaltungen 20 und 22 modifizieren
den Untersuchungsstrom, um an den jeweiligen Ausgängen der Stromquelle 11', die an ihren
führenden
Flanken eine Überschwingung
aufweist, wie durch die Wellenform 26 gezeigt ist, einen
kompensierten Strom zu entwickeln. Die Wellenform 28 veranschaulicht
die Spannung, die quer über
den Patienten als Reaktion auf die Anlegung des kompensierten Untersuchungsstroms
an dem Patienten entwickelt wird, dessen Spannung an die Atmungsermittlungsschaltung 18 über das Kabel 16 übertragen
wird. Hier ist das Augenmerk darauf zu richten, dass die Niveauübergänge in der
Wellenform 28 im Wesentlichen rechteckförmig sind, wobei, wenn der
kompensierte Untersuchungsstrom, der durch die Wellenform 26 veranschaulicht
wird, nicht bereitgestellt werden würde, ein Teil des Untersuchungsstroms
zunächst
parallel über den
Patienten durch die Kapazität
CC des Kabels 16 parallel geleitet
und dann langsam danach ansteigen wird. Dieser unerwünschte Effekt
der Kabelkapazität würde im unkompensierten
Falle zu einer Spannungswellenform 28 führen, die an den Signalniveauübergängen verminderte
führende
Flanken besitzt, wie durch die gekrümmten, gestrichelten Abschnitte in
Wellenform 28 angedeutet ist. Diese gekrümmten Abschnitte
zeigen ein Spannungssignal mit vermindertem Amplitudenniveau (d.
h. eines mit vermindertem S/N) in den Atmungsdetektor (sowie eine
unerwünschte
Amplitudenniveauvariation), das, wie zuvor bereits erwähnt wurde,
zu Ungenauigkeiten während der Überwachung
führen
kann, wenn das Atmungssignal entwickelt wird. Die Kompensationsschaltungen 20 und 22 entwickeln
den kompensierten Untersuchungsstrom, so dass der kombinierte Effekt
der Überschwingung
in dem Untersuchungsstrom mit dem Parallelleitungseffekt der Kabelkapazität CC eine Spannungswellenform 28 mit
rechteckiger Wellenform am Eingang der Atmungsschaltung 18 ist.
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Die 3 zeigt
teilweise in Form eines Blockschaltbildes und teilweise in Form
eines Anschlussschemas einen Atmungsmonitor, der in Übereinstimmung
mit den Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung einschließlich der
kompensierten Stromquelle 11' aufgebaut
ist. Besonderes Augenmerk sei darauf gerichtet, dass, da die kompensierte Stromquelle 11' zwei identische
Differenzwechselströme
entwickelt, die um 180° phasenverschoben sind
und grundsätzlich
zwei identische Stromquellen aufweist, lediglich Details einer Hälfte der
Schaltungsanordnung beschrieben werden. In dieser Hinsicht sollte
in Verbindung mit dieser Beschreibung ebenfalls Bezug auf das in
der 4 dargestellte funktionale Blockschaltbild genommen
werden, das funktional den Betrieb einer Hälfte der Schaltungsanordnung
beschreibt, die die Stromquelle 11 bildet. Eine Spannungsreferenz 50 umfasst
eine Serie miteinander verbundener Dioden D1 und
D2, die über
die Widerstände
R1 und R2 in Vorwärtsrichtung
betrieben werden, die mit Energieversorgungsspannungen von +5 V
und –5
V jeweils verbunden sind. Mit den positiven und negativen Seiten
der Spannungsreferenzquelle 50 sind erste und zweite, im
Wesentlichen identische Schaltanordnungen 52 und 54 gleichzeitig gekoppelt,
um erste und zweite Differenzspannungssignale zu entwickeln. Eine
(nicht dargestellte) Systemuhr stellt freie (um 180° phasenversetzte)
Taktsignale CLK+ und CLK– zur
Verfügung,
die jeweils den Schaltungsanordnungen 52 und 54 zur
Verfügung gestellt
werden. Die ersten und zweiten Differenzspannungssignale, die durch
die Schaltungsanordnung 52 und 54 zur Verfügung gestellt
werden, werden dann mittels erster und zweiter Spannungs-Strom-Konverter
(V/I) 56 und 58 umgewandelt.
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In Übereinstimmung
mit den Grundprinzipien der Erfindung werden die Untersuchungsstromsignale,
die an dem Ausgang der Konverter 56 und 58 entwickelt
werden, jeweils mit Hilfe der Kompensationsschaltungen 60 und 62 modifiziert,
bevor sie an den Patienten über
den zuvor beschriebenen Koppelkondensator, den Hochspannungsschutzwiderstand,
das Patientenkabel und die Patientenelektroden an den Patienten
angelegt werden. Die Modifikation ist in dem Umfang ausreichend,
um im Wesentlichen die unerwünschte
Parallelleitung des Untersuchungsstroms um den Patienten herum zu
kompensieren.
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Mit
Bezugnahme wiederum auf die 3 und 4 stellt
die Spannungsreferenz 50 eine Bezugsquelle mit niedriger
Impedanz dar, um einen "fliegenden" Kondensator C9 über
eine getaktete, integrierte Schaltungsanordnung 54 aufzuladen,
die Schaltabschnitte 54A umfasst, die normalerweise, wie
dargestellt, als Antwort auf die CLK–-Taktsignale geschlossen
sind. Während
des ersten Halbtaktes des CLK–-Taktsignals verbindet
der Schaltabschnitt 54A den Kondensator C9 über die
Bezugsspannungsquelle 50. Während des zweiten Halbtaktes des
CLK–-Taktsignals
verbindet der Schaltabschnitt 54b, den Kondensator C9 über
den Kondensator C10, wobei ein stationärer Spannungszustand
am Kondensator C10 auf einem der Bezugsspannung
entsprechendem Wert gehalten wird. Eine Umkehrschaltungsanordnung,
die Schalter 54C und 54D aufweist, kehrt wechselweise
die Polarität
der Spannung um, die an dem Kondensator C10 zum
Anlegen an einem Spannungs-Strom-Konverterverstärker (V/I) 58 entwickelt
wurde. Der Verstärker 58 senkt
die Spannung an dem Kondensator C10, um
an der Kompensationsschaltung 62 aufzutreten. Die Taktgebung
der Schalter 54C und 54D wird durch das CLK–-Taktsignal
gesteuert, wobei die Normalschalterstellungen in der 3 dargestellt
sind. Der Ausgang des Verstärkers 58 wird
wie der Untersuchungsstrom bereitgestellt, nachdem er über die
Kompensationsschaltung 62 modifiziert wurde. Die Schaltung 62 umfasst
eine Parallelschaltung aus R4 und C14.
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Die
Kompensation der Stromquelle wird folgendermaßen erzielt. In dem Augenblick,
in dem die Spannung an der Kompensationsschaltung 62 in
Folge des Betriebs des Umkehrschalters 54C/54D die Polarität ändert, wird über den
Verstärker 58 durch
einen Schnellladevorgang des Kondensators C14 ein Einschaltstrom
erzeugt, der im Wesentlichen größer ist
als der Strom in stationärem
Zustand. Dieser Einschaltstrom wird verwendet, um die in dem Patientenkabel 16 verteilte
Kapazität
rasch aufzuladen. Dieser Einschaltstromstoß klingt dann in einem Exponentialverhältnis ab,
das durch die RC-Zeitkonstante von R4 und
C14 der Kompensationsschaltung 62 bestimmt
wird. Wenn das Produkt aus R4 und C14 eingestellt wird, so dass es im Wesentlichen
dem RC-Produkt entspricht, das von der transthorakalen Impedanz
des Patienten und der verteilten Kapazität des Patientenkabels gebildet
wird, dann können
die Effekte der Kabelkapazität
im Wesentlichen abgeschwächt
werden. Der zusätzliche
Strom, der von der Stromquelle 11' bereitgestellt wird, kompensiert
den Betrag des Untersuchungsstroms, der infolge der Kabelkapazität CC eher um den Patienten herum geleitet wird,
als dass er durch seine Brusthöhle
hindurchfließt.
Hierdurch wird S/N des entwickelten Spannungsmodulationssignals
maximiert werden, das an dem Synchronprüfer 64 am Eingang
der Atmungsermittlungsschaltungsanordnung 18 angelegt wird.
Der Synchronprüfer 64 funktioniert
in einer Art und Weise, wie sie dem Durchschnittsfachmann bereits
bekannt ist und ist für
die CLK+- und CLK–-Taktsignale zur
Ermittlung der Wechselspannung verantwortlich, wobei die Amplitudenmodulationen,
die den Atmungen entsprechen, an seinem Ausgang erzeugt werden.
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Die
Einstellung von R4 und C14 kann
während der
Herstellung in der Fabrik unter Verwendung fester Werte vorgenommen
werden, die angemessene Kompensation für typische Patienten zur Verfügung stellen,
die mittels einer empirischen Methode während des Schaltungsentwurfs
ermittelt werden. Alternativ könnte
der Ausgang des Synchrondetektorabschnitts der Atmungsschaltungsanordnung 18 im Hinblick
auf ein vorbestimmtes Ausgangsniveau überwacht werden, während C14 vom Anwender händisch eingestellt wird.
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Es
wurde somit ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung gezeigt
und beschrieben, die alle erstrebten Ziele und Vorteile befriedigt.
Der Fachmann wird viele Veränderungen,
Modifikationen, Variationen und andere Verwendungen und Anwendungen
des Gegenstandes der Erfindung erkennen, nachdem er diese Beschreibung
und die zugehörigen
Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform offenbaren, verinnerlicht
hat. Beispielsweise kann die zuvor erwähnte Einstellung des Kondensators
C14 automatisch erfolgen, indem für C14 eine Varaktordiode verwendet und ein Steuersignal
von dem Ausgang des Synchronprüfers
entwickelt wird, das als Rückmeldung
an der Diode C14 angelegt wird. Obwohl die
Stromquelle 11 unter Verwendung einer Schaltkondensatoranordnung
dargestellt ist, sind ferner andere Anordnungen zur Erzeugung einer Stromquelle
ebenfalls möglich,
wie beispielsweise ein großer
Röhrenwiderstand,
die jedoch nicht so vorteilhaft sind, wie die gezeigte Ausführungsform. All
solche Änderungen,
Modifikationen, Variationen und andere Verwendungen und Anwendungen,
die den Bereich der Erfindung nicht verlassen, gelten als von der
Erfindung erfasst, die lediglich durch die folgenden Ansprüche begrenzt
ist.