DE2413960A1

DE2413960A1 - Geraet zum bestimmen des atemwegwiderstandes

Info

Publication number: DE2413960A1
Application number: DE2413960A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Franetzki; Volker Dipl Ing Korn; Karl Dipl Phys Prestele
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1974-03-22
Publication date: 1975-09-25
Also published as: SE7503201L; SE403696B; GB1500626A; FR2264514A1; DE2413960C3; FR2264514B1; DE2413960B2; US4022193A; CH579900A5; NL7503326A

Description

Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes

Die Erfindung bezieht sich auf ein 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 Druck- und/oder gegebenenfalls einem Strömungsmesser.

Bei bekannten Geräten dieser Art (z.B. DAS 1 029 526 nebst dem dort angeführten Stand der Technik) sind im Atemstromweg zwei Strömungswiderstände vorgesehen, von denen der eine (Zusatzwiderstand) mittels Ventil oder Shutter periodisch sprunghaft dem anderen zugeschaltet bzw. von diesem wieder weggeschaltet wird. Bei periodisch rechteckförmiger Änderung des Strömungswiderstandes wird dann zum einen der Druckabfall ρ über dem sich bei zugeschaltetem Zusatzwiderstand ergebenden Gesamtwiderstand ¥ und zum anderen der Druckabfall ρ über dem sich bei abgeschaltetem Zusatzwiderstand ergebenden Restwiderstand ¥₂ gemessen. A^ιs den Widerständen VT und Wp sowie den

gemessenen Differenzdrücken ρ bzw.

wegwiderstand W. nach der Beziehung W". =

¹ 1 P

wird dann der Atem- ά ^cz ο

- P_t

er

rechnet.

509839/0582

Die nach den bekannten Meßprinzipien zu ermittelnden Atemwegwiderstände sind jedoch nicht exakt genug.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich der Atemwegwiderstand wesentlich exakter ermitteln läßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Strömungswiderstand Mittel zugeordnet sind, die dessen Widerstandswert vorzugsweise im wesentlichen sinusförmig verändern, und daß der Druck- und/oder Strömungsmesser zwei Meßkanäle aufweist, wobei im ersten Kanal nur die von der niederfrequenten Atmung und im zweiten Kanal nur die von den höherfrequenten Widerstandsänderungen herrührenden Druck- und/oder gegebenenfalls Strömungskomponenten im Atemstromweg erfaßt werden.

Der Erfindung gingen Untersuchungen voraus, weshalb die herkömmlichen Meßprinzipien die Meßergebnisse nicht exakt genug liefern. Als erster wesentlicher Grund hierfür wurde gefunden, daß die bekannten Meßprinzipien nicht, wie eigentlich erforderlich, den Atemwegwiderstand als Realteil einer Wechselstrom-Atemweg impedanz getrennt von kapazitiven und/oder induktiven Widerstandsanteilen (die bei den aufgrund der Widerstandsänderungen verursachten, relativ hochfrequenten Druck- oder Strömungsänderungen im Atemstromweg eine nicht unerhebliche Rolle spielen) erfassen. Vielmehr ergibt sich als "Atemwegwiderstand" immer ein Konglomerat aus beiden Widerstandsanteilen. Ein zweiter Grund für Meßfehler liegt möglicherweise darin, daß die Widerstandsänderungen periodisch sprunghaft erfolgen. Diese sprunghaften Widerstandsänderungen führen entsprechend zu sprunghaften Druck- oder Strömungsänderungen im Atemstromweg, die einerseits Schwingungen z.B. der Wangen oder anderer Weichteile des Mundes oder Rachens und damit Signaldeformationen bewirken können. Es können dabei auch

- 3 509839/0582

Kurzschlußkapazitäten wirksam werden. Andererseits reagiert der Proband auf derartige sprunghafte Druck- oder Strömungsänderungen erfahrungsgemäß physisch und psychisch und atmet dann unnatürlich.

Beim Gerät nach der Erfindung wird der Strömungswiderstand vorzugsweise im wesentlichen sinusförmig geändert. Durch die so geglätteten Schwingungen besteht geringere Gefahr, daß Mund- oder Rachenteile des Probanden mitschwingen oder daß der Patient auf diese Schwingungen unnatürlich reagiert. Sieht man diese Vorteile einer (lediglich vorzugsweise zu verwendenden) im wesentlichen sinusförmigen Widerstandsänderung als unerheblich an, so kann die Widerstandsänderung durchaus auch - wie bekannt- rechteckförmig oder sonstwie erfolgen. Es muß dann lediglich dafür gesorgt werden, daß mit dem Druck- und/oder Strömungsmesser im jeweiligen Kanal die jeweilige Grundwelle des Wechseldruckes und/oder der Wechselströmung erfaßt wird. Die rechteckförmige oder sonstwie geartete Widerstandsänderung soll dann mit unter die Erfindung fallen. Ein weit größerer Vorteil ergibt sich jedoch dadurch, daß sich bei der gewählten Widerstandsänderung nunmehr der "komplexe" Atemwegwiderstand exakt in den eigentlichen Realteil - eine Wechselstromresistanz - und in den sich aus kapazitiven und/oder induktiven Anteilen zusammensetzenden Imaginärteil aufteilen läßt.

Zerlegt man den Strömungswiderstand in einen konstanten Grundanteil R_Q und in den Wechselanteil r (Grundwelle), so ergibt sich für den gesamten äußeren Widerstand der zeitlich schwankende Wert R = R + r. Entsprechend ergibt sich dann für die Strömung V sowie den Druck P_M im Atemrohr die Beziehung: V = V + ν bzw. Ρ« = P„ + p_M· Wird der Widerstandswechselanteil r sehr klein gewählt, so sind auch die Wechselanteile v, p_M klein.

509839/0582

Nach, der Beziehung Pj₁ = "V * R = (V + v) · (R + r) ergibt sich dann unter Berücksichtigung, daß die Schwankungen des äußeren Widerstandes keinen Einfluß auf die Atmung haben (kleine Amplitude !) und daß der äußere Widerstand unabhängig von der Atmung ist (erfüllt vorzugsweise bei Einsatz eines nach dem Prinzip .eines Lamellenrezeptors gemäß DOS 2 044 101 aufgebauten Strömungswiderstandes als Grundwiderstand R₀), der niederfrequente, d.h. lediglich von der Atmung herrührende, Druckanteil zu

Pj₁ = V * R und der höherfrequente, d.h. von den Widerstandsänderungen stammende Druckanteil zu r, = T r + R v.

Der Anteil p_M läßt sich dabei als Klemmenspannung einer Wechselspannungsquelle mit der Urspannung p„ = V₀ · r = --MP. · r

bei dem Innenwiderstand R deuten.

Aus diesem Ersatzbild ergibt sich dann der komplexe Wechselstrom-Atemwegwiderstand über - ν R_&w = p_M = ν R_Q + p_E zu

v oder

= - (R_n + T_n · 5) ©

P_M

Geht man in Anbetracht der sinusförmigen Widerstandsänderungen r (Grundwelle) auf die komplexe Schreibweise über und setzt

r = r e^ = a R e^J

P_M - P_M e _ CFj₁₀ e

wobei Wi die Grundfrequenz der Sinusschwingungen; a, b, c Proportionalitätsfaktoren und (X bzw. β Phasenwinkel darstellen, so ergibt sich aus der obigen Beziehung (T)

509839/0582 ~ ⁵ "

7413960

_ 5 —

und aus der Beziehung (2'

aw o a

V Λ ' P

wobei a/b =^~ · tc^ und a/c = κ- * zr ^Ko Ύ ^Ko ^PM

o Ύ ^Ko

Unter der Voraussetzung, daß die Lunge selbst keinen zusätzlichen Anteil zur Resistanz liefert, also Gewebeviskositäten keine Rolle spielen, und die Lunge höchstens kapazitiv oder induktiv zur Gesamtimpedanz beiträgt, stellt der Realteil dieser Impedanzen jeweils den gesuchten Atemwegwiderstand dar. Dieser Realteil läßt sich nun aber leicht über die vom Gerät nach der Erfindung separat zu erfassenden Einzelgrößen pjj, Pj₁₀ oder gegebenenfalls T , ν sowie aus den bekannten Größen R und r (R und r sind durch den jeweiligen Strömungswiderstand und die Sinusamplituden der Widerstandsänderungen vorgebbar) ermitteln. Da sich der Munddruck erfahrungsgemäß phasengenauer als z.B. die Atemströmung erfassen läßt, ist die Munddruckmessung zweckmäßigerweise der Strömungsmessung vorzuziehen. Aus der zuletzt aufgeführten obigen Beziehung ergibt sich dann der Realteil z.B. bei vernachlässigbar kleinen Phasenwinkeln in einfacher Weise zu R„„ =

R >
° ^a

° ^a · ¹Mo -

Die Größen p_M, P_M (bzw. gegebenenfalls bei Strömungsmessung die Größen Y , v) lassen sich in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung am einfachsten durch einen einzigen mechanisch-elektrischen Druckwandler (bzw. Strömungswandler) erfassen, der am Atemstromweg vor dem Strömungswiderstand angeschaltet ist, und dem je ein elektrisches Frequenzfilter zugeordnet ist, wobei das erste Frequenzfilter zur Ermitt-

509839/0582

lung von P_Mo (bzw. V) auf Atemfrequenzen und das zweite zur Ermittlung von p_M (bzw. v) auf die Sinusfrequenz der Widerstandsänderungen abgestimmt ist. Die Verrechnung der gemessenen Druckgrößen P« und p_M (bzw. V , v) zusammen mit den bekannten Widerstandsgrößen R und r zum Atemwegwiderstand kann beispielsweise mittels Rechenschieber oder graphisch erfolgen. Vorzugsweise soll jedoch eine elektronische Rechenschaltung vorgesehen sein, die entsprechend ausgewählte Multiplizierglieder, Dividierglieder und Differenzbildner zur automatischen Errechnung des Atemwegwiderstandes nach den obigen Beziehungen beinhaltet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines auf die Druckmessung ausgerichteten Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 den mechanischen Aufbau des Gerätes nach der Erfindung,

Fig. 2 die zugehörige elektrische Meß- und Verrechnungsschaltung im Prinzipschaltbild.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein Atemrohr bezeichnet, dessen mundseitiges Ende einen dichtenden Mundansatz 2, z.B. aus Gummi od.dgl., aufweist, und dessen weiteres Ende mit einer Art Lamellenrezeptor 3 als Grundströmungswiderstand abgeschlossen ist. Der Lamellenrezeptor 3 besteht (entsprechend etwa dem Lamellenrezeptor nach der DOS 2 044 101) aus einem Gehäuse 4, dessen Innenraum durch dünne Folien 5, z.B. aus Polyvinylchlorid, in eine Vielzahl schmaler (ca. 0,2 mm Breite), paralleler Strömungskammern unterteilt ist. Die Anströmfläche des Rezeptors 3 ist so groß gewählt, daß der Grundwiderstandswert des Strömungswiderstandes vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 mbar/l/s liegt. .. „ _Λ π

ο υ y ο ο y/UOOa

7413960

Auf der Deckfläche des Lamellenrezeptors 3 ist mittels eines Winkelstückes 6 ein Elektromotor 7 montiert. Dieser Motor versetzt im Betriebszustand eine Scheibe 8 in Rotation. Die Scheibe 8 wiederum steht über ein exzentrisches Wellenführungsteil 9 sowie Gleitschütz 10 in Wirkverbindung mit einem Blendenblech 11. Bei Rotation von Motorwelle und damit Scheibe 8 wird dieses Blech 11 periodisch über einen Teil der Strömungsfläche des Lamellenrezeptors 3 ausgelenkt und dient somit als Element zur Beaufschlagung des Grundwiderstandswertes R_Q des Lamellenrezeptors 3 mit periodischen Widerstandsänderungen r. Die Führung 9, 10 zwischen Scheibe 8 und Blendenblech 11 ist dabei so ausgebildet, daß die Linearauslenkung des Bleches 11 über die Strömungsfläche des Rezeptors 3 im wesentlichen sinusförmig erfolgt und sich somit auch entsprechende sinusförmige Widerstandsänderungen ergeben. Der Hub der Sinusänderungen sollte dabei maximal r = - 10 % des Grundströmungswiderstandes R , d.h. z.B. bei 5 mbar/l/s max. - 0,5 mbar/l/s, betragen. Als Sinusfrequenz sollen Frequenzen zwischen etwa 5 und 20 Hz, vorzugsweise 12 Hz, gewählt werden.

Am Gerät nach Fig. 1 wird im Betriebszustand (der Patient atmet bei bewegter Blende 11 über den Mundansatz 2 durch Atemrohr 1 und Rezeptor 3) über einen einzelnen Druckableitstutzen 12 mit pneumatischer Anschlußleitung 13, der an der Anschlußstelle zwischen Atemrohr 1 und Lamellenrezeptor 3 mündet, der Gesamtmunddruck P« abgenommen.

Dieser Druck P« wird gemäß Fig. 2 auf einen mechanisch-elektrischen Druckwandler 14 gegeben. Aus den hierbei erzeugten elektrischen Drucksignalen wird dann in einem ersten Meßkahal, der ein Tiefpaßfilter 15 mit einer Grenzfrequenz von ca. 4 Hz sowie einen nachfolgenden Gleichrichter 16 aufweist, die lediglich von der Atmung' herrührende niederfrequente Druckkomponente P_Mo betragsmäßig ermittelt. Entsprechend wird dann in einem zweiten Meßkanal, der einen auf die Sinusgrundfrequenz

- 8 509839/0582

der Widerstandsänderungen, z.B. auf 12 Hz, abgestimmten Bandpaß 17 mit nachgeschaltetem Gleichrichter 18 beinhaltet, die von den höherfrequenten sinusförmigen Widerstandsänderungen stammende Druckwechselkomponente p_M ermittelt.

Die so ermittelten Komponenten P_Mo> P_M werden dann einer elektronischen Rechenschaltung zur rechnerischen Ermittlung des Atemwegwiderstandes R zugeleitet. Diese Rechenschaltung besteht dabei im einzelnen aus einem ersten Multiplizierglied 19 (Proportionalitätsglied wie z.B. Widerstandspotentiometer), das die Meßgröße Pj, mit dem Faktor a = r/R_Q vervielfacht, einem Differenzbildner 20 (Operationsverstärker) zur Bildung des Differenzsignals «— · P_M - p_M, einem Dividierglied 21

% zur Errechnung des Quotientensignals —x ^ ^- sowie

5 * ¹ ~

einem zweiten Multiplizierglied 22 zur Multiplikation des Quotientensignals mit dem konstanten Faktor R (Grundwiderstandswert).

Am Ausgang des Gliedes 22 (Ausgang der Rechenschaltung) fällt somit ein Signal an, das dem gesuchten Atemwegwiderstand nach der Beziehung _Λ

R„„ = R,

■aw "o Y . ό -

n~ ^Mo
ο

entspricht.

Da der Atemwegwiderstand für verschwindende Atemströme (Nulldurchgänge des Atemstromes) nicht definiert ist (R_o,_r-*~) ,ist ferner zwischen Ausgang der Rechenschaltung und einem Anzeigeoder Registriergerät 2.4 für den errechneten Atemwegwiderstand' R ein elektrischer Unterbrecherkontakt 2 3 vorgesehen. Dieser Unterbrecherkontakt wird immer dann geöffnet und damit eine Widerstandsanzeige verhindert, wenn die Signalkomponente P„

509839/0582

am Ausgang des Gleichrichters 16 einen bestimmten niedrigen Schwellwert unterschreitet. Die Betätigung des Kontaktes 23 geschieht dabei durch das Ausgangssignal eines auf den Schwellwert eingestellten Schwellendiskriminators 25.

Der Atemwegwiderstand R kann am Anzeigegerät 24 direkt als Widerstandswert angezeigt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Widerstand R als Funktion des Atemstromes V aufzuzeichnen. Hierzu wird zwischen Tiefpaß 15 und Gleichrichter 16 das dem Atemstrom V proportionale Signal P- abgenommen und nach entsprechender Eichung (durch Pfeil angedeutet) als Strömungssignal S zusammen mit dem Widerstandssignal R_&w einem Zweikomponentenschreiber od.dgl. zur gemeinsamen Aufzeichnung zugeführt.

- 10 509839/0582

Claims

- ίο -

Patentansprüche

Ml 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 Druck- und/oder gegebenenfalls einem Strömungsmesser, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strömungswiderstand (3) Mittel (11) zugeordnet sind, die dessen Widerstandswert (R ) •vorzugsweise im wesentlichen sinusförmig verändern, und daß der Druck- und/oder Strömungsmesser (z.B. 14) zwei Meßkanäle (15, 16 bzw. 17, 18) aufweist, wobei im ersten Kanal (15,16) nur die von der niederfrequenten Atmung und im zweiten Kanal (17, 18) nur die von den höherfrequenten Widerstandsänderungen (r) herrührenden Druck- und/oder gegebenenfalls Strömungskomponenten (Pm_o» Pm bzw. ^₀> ^T) i-^m Atemstromweg (1 bis 3) erfaßt werden.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand (3) ein einzelner an einem Strömungsrohr(1) angeordneter Festwiderstand ist, dessen Anströmfläche einen Grundwiderstandswert (R) festlegt, und dem zur periodischen, vorzugsweise im wesentlichen sinusförmigenj· Beaufschlagung des Grundwiderstandswertes mit entsprechenden Widerstandsänderungen (r) eine die Anströmfläche des Festwiderstandes entsprechend sinusförmig verändernde Blende (11), z.B. linear bewegter oder pendelnder Shutter, zugeordnet ist.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (11) motorisch angetrieben und der Antriebsmotor (7) am Festwiderstand (3) oder Atemrohr (1) montiert ist.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand (3) einen von der Atemströmung im wesentlichen unabhängigen Grundwiderstandswert (R₀) aufweist. 509839/0582 -11-
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand (3) nach Art einer Lamellendüse aufgebaut ist, die vorzugsweise das Atemrohr (1) abschließt.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden (r) der Widerstandsänderungen in der Größenordnung von - 10 % des Grundwiderstandswertes (R₀) des Strömungswiderstandes (3) liegen, vorzugsweise bei einem Grundwiderstandswert von R = 4 mbar/l/s zu r = - 0,4 mbar/l/s gewählt sind.
7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinusgrundfrequenz (<** ) der Widerstandsänderungen (r) zwischen 3 bis 20 Hz, vorzugsweise zu 12 Hz, gewählt ist.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck- und/oder Strömungsmesser ein einzelner mechanisch-elektrischer Druck- und/oder Strömungswandler(14) ist, der am Atemstromweg (1) vor dem Strömungswiderstand (3) angeschaltet ist und dem in zwei getrennten Meßkanälen je ein elektrisches Frequenzfilter (15 bzw. 17) nachgeschaltet ist, wobei das erste Frequenzfilter (15) zur Ermittlung der von der niederfrequenten Atmung herrührenden Druck- und/oder Strömungskomponenten (P_Mo bzw. V) auf Frequenzen oberhalb der Atemfrequenz und das zweite Frequenzfilter (17) zur Ermittlung der von den höherfrequenten Widerstandsänderungen herrührenden Druck- und/oder Strömungskomponenten (P_M bzw. Ϋ) auf die Sinusgrundfrequenz der Widerstandsänderungen abgestimmt ist.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Frequenzfilter (15) ein Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz von ca* 4 Hz und das zweite Frequenzfilter (17) ein auf ca. 12 Hz abgestimmter Bandpaß ist.

- 12 509839/0582
10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Frequenzfilter (15, 17) ein Gleichrichter (16, 18) nachgeschaltet ist.
11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Druckmessung den Meßkanälen elektrische Multiplizierglieder (19, 22), Dividierglieder (21) sowie Differenzbildner (20) nachgeschaltet sind, die aus den in den Meßkanälen erfaßten nieder- und höherfrequenten Druckkomponenten und Pj, sowie aus den Widerstands großen R und r den Atemwegwiderstand R nach der Beziehung

Pm
R = R ^Ά

aw ο r ·
rechnerisch ermitteln.
12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Strömungsmessung den Meßkanälen elektrische Multiplizierglieder, Dividierglieder und Differenzbildner nachgeschaltet sind, die aus den in den Meßkanälen erfaßten nieder- und höherfrequenten Strömungskomponenten V und ν sowie aus den Widerstandsgrößen R und r den Atemwegwiderstand nach der Beziehung

rechnerisch ermitteln.
13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grenzwertmelder (25) vorgesehen ist, der ein Unterdrückerglied (2 3) zur Unterdrückung der Anzeige und/oder Weiterverarbeitung der Meßkanalsignale betätigt, wenn das niederfrequente Druck- und/oder Strömungssignal einen vorgebbaren niedrigen Grenzwert unterschreitet.

- 13 509839/0582
14. -Gerät nach Anspruch 13 und den Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdrückerglied (23) ein
zwischen dem Ausgang der Rechenschaltung (19 bis 22) und einem nachfolgenden Anzeige- oder Registrierglied (24) für den Atemwegwiderstand (R ) angeordneter elektrischer Unterbrecherkontakt ist.

509839/0582

eerseite