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PATENTANSPRÜCHE
1. Spirometer zum Ermitteln des Atemzeitvolumens mit einem Wandler zum direkten Umsetzen der Strömungsge sch i ,keit der Atemluft in eine Impulsfolge mit der Ge schwinolgkeit proportionaler Folgefrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Wandlers mit einer Messschaltung (4), bestehend aus einer Einrichtung zum Multiplizieren der Impulsfolge-Frequenz mit einem konstanten Faktor, sowie einer Einrichtung zum Zählen der Impulse, verbunden ist, und dass der Ausgang des Zählers (7) an eine digitale Anzeigeeinrichtung angeschlossen ist.
2. Spirometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein Schrittmotor (2) ist.
Die Erfindung betrifft ein Spirometer zum Ermitteln des Atemzeitvolumens mit einem Wandler zum direkten Umsetzen der Strömungsgeschwindigkeit der Atemluft in eine Impulsfolge mit der Geschwindigkeit proportionaler Folgefrequenz.
Derartige Spirometer bzw. Messverfahren sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt und werden z.B. in den folgenden Schriften beschrieben: Deutsche Auslegeschrift 1 566 066 (Drägerwerk AG), deutsche Offenlegungsschrift 2 004 696 (Sutter Hospitals Medical Research Foundation) und deutsche Offenlegungsschrift 1 466 827 (Hartmann & BR< Braun AG).
Die Spirometer dienen dazu, die Grösse des Quotienten Atemvolumen durch Zeit, kurz Atemzeitvolumen genannt, zu messen. Dieser Wert stellt für die Beurteilung eines Patienten für den behandelnden Arzt eine wichtige Grösse dar. Die bekannten Spirometer verwenden dabei einen Durchflussmesser, welcher die Messgrösse Strömungsgeschwindigkeit der Atemluft in eine drehzahlabhängige Spannung umwandelt.
Aus dieser drehzahlabhängigen Spannung wird sodann durch Integration über eine bestimmte Zeitspanne und entsprechende Spannungsumwandlung und Verstärkung ein Anzeigewert gewonnen, welcher dem Atemzeitvolumen entspricht.
Die bekannten Spirometer weisen dabei den grossen Nachteil auf, dass durch die Umwandlung in Analogsignale eine Vielzahl von Fehlerquellen schaltungsbedingt den Messwert beeinflussen. So können sich z. B. Schwankungen der Batteriespannung auf den Verstärkungsfaktor der Verwendung findenden Verstärker oder aber auch unmittelbar auf die vom Messumwandler erzeugten Ausgangssignale auswirken und das Messergebnis beeinflussen. Auch ist dabei in der Regel zu befürchten, dass Temperaturschwankungen sich auf die Verstärkerschaltung oder aber sogar auf den Messgrössenumformer auswirken und dass dadurch das Messergebnis mit einem Temperaturfehler behaftet ist.
Dazu kommt, dass die analogen Messverfahren einen erheblichen schaltungsmässigen Aufwand erfordern und auch den Einsatz hochgenauer Bauteile, insbesondere im Integrierglied, woraus hohe Kosten und ausserdem, wie bereits erwähnt, hohe Störungsanfälligkeit erwachsen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also ein Spirometer zum Ermitteln des Atemzeitvolumens zu schaffen, das einfach im Aufbau ist und vor allem geringe Störungsanfälligkeit sowie geringe Fehlermöglichkeiten aufweist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Ausgang des Wandlers mit einer Messschaltung, bestehend aus einer Einrichtung zum Multiplizieren der Impulsfolge-Frequenz mit einem konstanten Faktor sowie einer Einrichtung zum Zählen der Impulse, verbunden ist, und dass der Ausgang des Zählers an eine digitale Anzeigeeinrichtung angeschlossen ist.
Mit einer derartigen Vorrichtung können auf einfachste Weise folgende Verfahrensschritte realisiert werden: a) Während einer vorbestimmten Messdauer werden die jeweiligen Werte der Strömungsgeschwindigkeit der Atemluft in eine Impulsfolge umgewandelt, deren Frequenz in jedem Augenblick der Umwandlung jeweils proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist, b) die Impulse werden mit einem vorbestimmbaren Faktor multipliziert und gezählt, und c) das Ergebnis der Zählung und der Multiplikation wird digital angezeigt.
Die Erfindung weicht damit bewusst vom bekannten Verfahren der Integration eines der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Spannungswerts ab und führt statt dessen eine Umwandlung in eine Impulsfolge durch, aus deren unmittelbarer Zählung sich nach Multiplikation mit einem konstanten Faktor sofort der gesuchte Wert ergibt. Ersichtlicherweise kommt es dabei weder auf die Amplitude noch auf die Breite der abgegebenen Impulse an, und auch durch einen etwa verwendeten Verstärker mit schwankendem Verstärkungsgrad können sich keinerlei Fehler ergeben. Besonders bei tragbaren, batteriegespeisten Spirometem ist diese Fehlersicherheit von ausschlaggebender Bedeutung. Die Erfindung wird deshalb auch in erster Linie für tragbare kleine Spirometer eingesetzt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Multiplikation der Impulse, die in der Praxis mit einem konstanten Faktor erfolgt, welcher kleiner als 1 ist, zuerst erfolgt, und dass erst dann das aus der Multiplikation bzw. der Division abgeleitete Ergebnis gezählt wird. Da durch die Division die Anzahl der dazu zu zählenden Impulse reduziert wird, wird dabei nämlich gewährleistet, dass der Zähler mit einer relativ geringen Anzahl von Stellen auskommt, womit der verfahrensbedingte Aufwand weiter reduziert wird. Bei entsprechender Erhöhung des verfahrensmässigen Aufwands wäre es jedoch selbstverständlich auch möglich, die Impulse zunächst zu zählen und erst im Anschluss daran eine Multiplikation bzw. eine Division durchzuführen, um den zur Anzeige zu bringenden Wert zu erhalten.
Im praktischen Einsatz hat sich als Wandler ganz besonders ein Schrittmotor bewährt, auf dessen Achse in bekannter Weise ein im Atemstrom liegendes und durch diesen angetriebenes Flügelrad montiert ist.
Der Schrittmotor gibt nämlich pro Wellenumdrehung eine Vielzahl exakt definierter Impulse ab, was zu einer relativ hohen Impulsfrequenz führt, die wiederum hohe Messgenauigkeit erreichen lässt.
Die Erfindung ist im folgenden in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Verfahrensablaufs während eines Messvorgangs, und
Fig. 2 ein Spirometer in perspektivischer Darstellung und im Teilschnitt.
Wie aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich wird, ist im Strömungsweg der durch ein Rohr 1 geführten Atemluft ein Schrittmotor 2 mit einem auf seiner Achse montierten Flügelrad 3 angeordnet. Der Schrittmotor ist üblicherweise mit einem permanentmagnetischen Rotor versehen und-gibt bei jeder Drehung des Flügelrades 3 eine Impulsfolge an eine Messschaltung 4 ab. Die Impulse gelangen dabei sowohl an den Eingang eines Impulsteilers 5 als auch an den Eingang einer Zeitschaltung 6. Die Zeitschaltung 6 weist einen monostabilen Multivibrator auf, dessen Ausgang an den Steuereingang eines Zählers 7 gelegt ist Sobald bei Benutzung des Spirometers Atemluft durch das Rohr 1 geblasen wird und dementsprechend vom Schrittmotor 2 Impulse an den Impulsteiler 5 und
die Zeitschaltung 6 abgegeben werden, wird der nicht dargestellte, in der Zeitschaltung 6 vorgesehene monostabile Multivibrator umgeschaltet, wodurch der Zähler 7 aktiviert wird.
Die Schaltdauer der Zeitschaltung 6 bzw. des nicht dargestellten Multivibrators beträgt genau eine Sekunde, so dass vom Auftreten des ersten vom Schrittmotor 2 abgegebenen Impulses der Zähler 7 für genau eine Sekunde aktiviert wird. Während dieser Zeitspanne, die zur Messung des sogenannten Ein-Se kunden-Volumens erforderlich ist, werden sämtliche vom
Schrittmotor 2 abgegebenen Impulse durch den Impulsteiler
5 in ihrer Frequenz heruntergesetzt und dem Zähler 7 zuge führt. Der Faktor des Impulsteilers 5 beträgt 6. Dieser Wert er gibt sich unmittelbar aus der Wahl des Schrittmotors, welcher
8 Pole aufweist, sowie aus der Dimensionierung des Rohrs 1 und des Flügelrads 3.
In der Praxis sind diese Werte bei der
Konstruktion oder durch Versuche ohne weiteres zu ermitteln
Da jedoch nach der erstmaligen Dimensionierung sowohl der
Faktor des Impulsteilers als auch die vom Schrittmotor abge gebene Impulsfolge durch keinerlei äussere Störeinflüsse be einflusst werden können, ist das Gerät ausserordentlich be triebssicher und exakt in der Anzeige.
Die während der von der Zeitschaltung 6 freigegebenen Dauer von einer Sekunde im Zähler 7 gezählten Impulse werden dort aufaddiert und nach Ablauf der Sekundendauer in bekannter Weise einer LCD-Anzeige 8 zugeführt. Der angezeigte Wert entspricht unmittelbar dem Atemzeitvolumen, welches somit sofort vom Patienten oder vom Arzt ablesbar ist.
Selbstverständlich weist das Gerät ausser den schematisch gezeigten und für das Verfahren wesentlichen Bauteilen noch weitere Bauteile zur Spannungsversorgung, zur Verstärkung und zur Abschaltung der Anzeige nach einer bestimmten Zeitdauer auf. Diese Bauteile und deren Einsatz sind allgemein bekannt und gebräuchlich und bedürfen hier keiner näheren
Erläuterung.
Fig. 2 zeigt die Anordnung des Spirometers in einem Gehäuse 9, an dessen Vorderseite das Rohr 1 sowie die LCD Anzeige 8 vorgesehen sind.
Das Rohr 1 lenkt den Strom der Atemluft auf das Flügelrad 3, wobei zum Luftaustritt an der Rückseite des Gehäuses 9 Luft-Austrittsöffnungen 10 vorgesehen sind. Neben dem Rohr 1 und dem Schrittmotor 2 ist die gesamte Messschaltung 4 untergebracht, welche ausgangsseitig mit der LCD-Anzeige 3 verbunden ist. Im rückwärtigen Abschnitt des Gehäuses 9 ist darüber hinaus ein Batterieraum 11 vorgesehen, in den eine handelsübliche Batterie eingesteckt werden kann.
Ersichtlicherweise ermöglicht die Erfindung eine einfach aufgebaute und zuverlässige Messergebnisse liefernde Anordnung zur Messung des Atemzeitvolumens. Die Vorteile der Erfindung kommen besonders zur Geltung bei tragbaren Spi rometem, doch lässt sich die Erfindung selbstverständlich auch für stationäre Geräte einsetzen.
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PATENT CLAIMS
1. Spirometer for determining the breathing time volume with a transducer for directly converting the flow rate of the breathing air into a pulse train with the speed of the proportional repetition rate, characterized in that the output of the transducer with a measuring circuit (4) consisting of a device for multiplying the pulse train frequency by a constant factor, as well as a device for counting the pulses, and that the output of the counter (7) is connected to a digital display device.
2. Spirometer according to claim 1, characterized in that the converter is a stepper motor (2).
The invention relates to a spirometer for determining the breathing time volume with a transducer for directly converting the flow rate of the breathing air into a pulse train with the rate proportional to the sequence frequency.
Such spirometers or measuring methods are known in various embodiments and are e.g. described in the following documents: German Auslegeschrift 1 566 066 (Drägerwerk AG), German Offenlegungsschrift 2 004 696 (Sutter Hospitals Medical Research Foundation) and German Offenlegungsschrift 1 466 827 (Hartmann & BR <Braun AG).
The spirometers are used to measure the size of the quotient tidal volume by time, or breathing time volume for short. This value represents an important variable for the assessment of a patient for the attending physician. The known spirometers use a flow meter which converts the measured variable flow velocity of the breathing air into a speed-dependent voltage.
From this speed-dependent voltage, a display value is obtained by integration over a certain period of time and corresponding voltage conversion and amplification, which corresponds to the breathing time volume.
The known spirometers have the major disadvantage that a large number of error sources influence the measured value due to the circuit by converting them into analog signals. So z. B. fluctuations in the battery voltage on the amplification factor of the amplifier used or also directly affect the output signals generated by the transducer and influence the measurement result. As a rule, there is also a fear that temperature fluctuations will affect the amplifier circuit or even the transducer and that the measurement result will be affected by a temperature error.
Added to this is the fact that the analog measurement methods require a considerable amount of circuitry and also the use of high-precision components, particularly in the integrating element, which results in high costs and, as already mentioned, high susceptibility to faults.
The invention has for its object to avoid the disadvantages of the known, in particular to create a spirometer for determining the breathing time volume, which is simple in construction and, above all, has low susceptibility to faults and little possibility of error.
This is achieved according to the invention in that the output of the converter is connected to a measuring circuit consisting of a device for multiplying the pulse train frequency by a constant factor and a device for counting the pulses, and that the output of the counter is connected to a digital display device connected.
The following method steps can be implemented in a very simple manner with such a device: a) During a predetermined measurement period, the respective values of the flow rate of the breathing air are converted into a pulse sequence, the frequency of which is proportional to the flow rate at each instant of the conversion, b) the pulses multiplied and counted by a predeterminable factor, and c) the result of the counting and multiplication is displayed digitally.
The invention thus deliberately deviates from the known method of integrating a voltage value proportional to the flow velocity and instead converts it into a pulse sequence, the immediate count of which immediately results in the desired value after multiplication by a constant factor. Obviously, neither the amplitude nor the width of the emitted pulses are important, and no errors can result from an amplifier that is used with a varying degree of amplification. This error safety is of crucial importance, particularly with portable, battery-powered spirometers. The invention is therefore primarily used for portable small spirometers.
It is particularly advantageous if the pulses, which in practice are multiplied by a constant factor which is less than 1, are first multiplied, and only then is the result derived from the multiplication or division counted. Since the number of pulses to be added is reduced by the division, this ensures that the counter manages with a relatively small number of digits, which further reduces the process-related effort. With a corresponding increase in the procedural effort, it would of course also be possible to count the pulses first and only then to carry out a multiplication or division in order to obtain the value to be displayed.
In practice, a stepper motor has proven particularly useful as a converter, on the axis of which an impeller lying in the respiratory flow and driven by it is mounted in a known manner.
The stepper motor emits a large number of precisely defined pulses per shaft revolution, which leads to a relatively high pulse frequency, which in turn allows high measuring accuracy to be achieved.
The invention is explained in more detail below in an exemplary embodiment with reference to the drawings. Show it:
1 is a block diagram to explain the process flow during a measurement process, and
Fig. 2 is a spirometer in perspective and in partial section.
As can be seen from FIGS. 1 and 2, a stepping motor 2 with an impeller 3 mounted on its axis is arranged in the flow path of the breathing air passed through a tube 1. The stepper motor is usually provided with a permanent magnetic rotor and emits a pulse train to a measuring circuit 4 with each rotation of the impeller 3. The pulses arrive both at the input of a pulse divider 5 and at the input of a timer circuit 6. The timer circuit 6 has a monostable multivibrator, the output of which is connected to the control input of a counter 7 as soon as breathing air is blown through the tube 1 when the spirometer is used is and accordingly from the stepper motor 2 pulses to the pulse divider 5 and
the time circuit 6 are given, the monostable multivibrator (not shown) provided in the time circuit 6 is switched over, whereby the counter 7 is activated.
The switching duration of the time circuit 6 or the multivibrator, not shown, is exactly one second, so that the counter 7 is activated for exactly one second from the occurrence of the first pulse emitted by the stepping motor 2. During this period, which is required to measure the so-called one-second customer volume, all of the
Stepper motor 2 emitted pulses through the pulse divider
5 reduced in frequency and the counter 7 leads. The factor of the pulse divider 5 is 6. This value is given directly by the choice of the stepper motor, which one
Has 8 poles, and from the dimensioning of the tube 1 and the impeller 3rd
In practice, these values are with the
Construction or to be easily determined by tests
However, since both the
The factor of the pulse divider and the pulse sequence emitted by the stepper motor cannot be influenced by any external interference, the device is extremely reliable and accurate in the display.
The pulses counted by the timer circuit 6 for one second in the counter 7 are added up there and supplied to an LCD display 8 in a known manner after the duration of the second. The displayed value corresponds directly to the breathing time volume, which can therefore be read immediately by the patient or the doctor.
Of course, in addition to the components shown schematically and essential for the method, the device also has other components for the power supply, for amplification and for switching off the display after a certain period of time. These components and their use are generally known and customary and do not require any further details here
Explanation.
2 shows the arrangement of the spirometer in a housing 9, on the front of which the tube 1 and the LCD display 8 are provided.
The tube 1 directs the flow of breathing air onto the impeller 3, 9 air outlet openings 10 being provided for air outlet at the rear of the housing. In addition to the tube 1 and the stepper motor 2, the entire measuring circuit 4 is accommodated, which is connected on the output side to the LCD display 3. In the rear section of the housing 9, a battery space 11 is also provided, into which a commercially available battery can be inserted.
Obviously, the invention enables a simply constructed and reliable measurement results arrangement for measuring the respiratory volume. The advantages of the invention are particularly evident in the case of portable spi rometem, but the invention can of course also be used for stationary devices.