DE19645411A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kontrollierten Inhalation bei Atemwegsuntersuchungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontrollierten Inhalation bei Atemwegsuntersuchungen, insbesondere zur Erfassung von Depositionsparametern bei Inhalation von Aerosolen, und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.

In der Atemluft auf der Erdoberfläche befinden sich je nach Umgebungsbedingungen rund 10³ bis 10⁶ Aerosolteilchen pro cm³. Beim Einatmen werden die Aerosolteilchen in bestimmten Bereichen der Atemwege abgeschieden (regionale Deposition von Aerosolteilchen). Es sind verschiedene Arten von Abscheide­ mechanismen für die Deposition bekannt, die von physikalischen Aerosoleigenschaften (z. B. Größe, Masse und Geschwindigkeit der Partikel) und von anatomischen Eigenschaften (z. B. Atem­ volumen, Atemfluß) abhängen. Die Aerosolteilchen-Deposition verursacht eine Schadstoffbelastung des Atemtraktes, die je nach Art der Aerosolteilchen und Depositionsort nachteilige Wirkungen auf den Gesundheitszustand ausüben.

Die Erfassung der regionalen Partikelabscheidungen im Atemtrakt ist Gegenstand zahlreicher experimenteller Untersuchungen gewesen, bei denen radioaktiv markierte Aerosolteilchen verwendet wurden. Die Laborexperimente waren wegen des großen gerätetechnischen Aufwandes, wegen der Beschränkung auf monodisperse Aerosole (enge Teilchengrößenverteilung) und wegen der radioaktiven Belastung der Probanden nicht für die Bereitstellung eines universell einsetzbaren, im medizinischen Routinebetrieb verwendbaren Systems geeignet.

Es sind auf der Grundlage der Laborexperimente zur Deposition komplexe theoretische Berechnungen zur regionalen Partikel­ abscheidung im Atemtrakt durchgeführt worden (s. R. Köbrich, Dissertation 1992, Johann-Wolfgang-Goethe-Universität, Frankfurt/Main, "Ein mathematisches Fünf-Filtermodell zur Beschreibung der Filterfunktion der menschlichen Lunge", und A.C. James et al. in: "The Report of a Task Group of Commitee 2", Anhang D, 1995, Seiten 231-299). Bei den theo­ retischen Berechnungen wurden Gleichungssysteme entwickelt, die eine Berechnung der regionalen Abscheidewahrscheinlichkeit (Deposition) unter Verwendung von physikalischen und physio­ logischen Parametern erlauben.

Die bekannten theoretischen Modelle erlauben zwar, von den aufwendigen Laborexperimenten (insbesondere unter Verwendung von monodispersen, radioaktiv markierten Aerosolteilchen) abzugehen und die Depositionsparameter in Abhängigkeit von verhältnismäßig einfach handhabbaren Parametern, auf die im einzelnen weiter unten eingegangen wird, zu erfassen. Dennoch wurden bisher keine für den breiten medizinischen Einsatz geeignete Systeme auf der Grundlage der theoretischen Unter­ suchungen realisiert. Die praktische Umsetzung der theoretisch modellierten Depositionsuntersuchungen setzt nämlich voraus, daß Testinhalationen von definierten Aerosolen z. B. mittels eines Verneblers unter hochgenau reproduzierbaren Bedingungen stattfinden.

Druckluftvernebler haben ein charakteristisches, vom Hersteller angegebenes Partikelgrößenspektrum, das empfindlich insbesondere vom Betriebsdruck abhängt. Es ist daher er­ forderlich, daß während der Inhalation die Aerosolzufuhr unter konstanten Druckverhältnissen stattfindet und das Atmungs­ verhalten (Strömungsgeschwindigkeit bzw. Druckänderungen während der Atmung) mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Die bisher bekannten Inhalationsgeräte erfüllen die hohen Anforderungen nicht, die an die Konstanz und Repro­ duzierbarkeit der in die theoretische Modellierung eingehenden Parameter gestellt werden. Herkömmliche Einrichtungen zum Verneblerbetrieb gewährleisten nicht eine genügende Druck­ konstanz und somit kein konstantes Partikelgrößenspektrum. Daher sind herkömmliche Inhalationsgeräte bisher nicht für Untersuchungen der Regionaldeposition verwendet worden.

Aus EP-A-0 42 468 ist eine Einrichtung zur Untersuchung der Atemwege auf Reizstoff-Überempfindlichkeit bekannt, die zur sogenannten unspezifischen Provokation der Atemwege einge­ richtet ist. Bei der unspezifischen Provokation atmet der Proband eine bestimmte Aerosolmenge ein. Die Reaktion des Probanden wird anschließend im Zeitverlauf durch Überwachung z. B. seines Atmungsverhaltens in einem Bodyplethysmographen durch Messung des Atmungswiderstandes erfaßt. Die Aerosol­ zufuhr erfolgt durch einen inhalationsgetriggerten Vernebler, der in Abhängigkeit vom Atemverhalten des Probanden gestartet wird. Mit der inhalationsgetriggerten Verneblung wird erreicht, daß dem Probanden nur nach Beginn des Einatmens die Teststoffe (Reizstoffe) zugeführt werden. Die quantitative Erfassung der zugeführten Aerosolmenge gemäß der seit rd. 20 Jahren verwendeten Standard-Dosimetrieprotokolle ist jedoch nur begrenzt möglich, da die Verneblung Druckschwankungen unterliegt und da keine Vorkehrungen getroffen sind, die eine etwaige Unterbrechung der Inhalation (z. B. Husten oder Ent­ fernung des Probanden vom Inhalationsgerät) erfassen und berücksichtigen.

Aus DE-OS-40 09 067 ist eine Vorrichtung zum Einleiten eines Aerosols in einen einzuatmenden Luftstrom bekannt, bei dem das Inhalationsverhalten des Probanden durch Induktiv-Luftstrom­ sensoren erfaßt wird. Dies ermöglicht eine inhalationsge­ triggerte Verneblung, bei der nicht nur der Atmungsbeginn, sondern auch Atmungsunterbrechungen berücksichtigt werden. Die Verneblung wird solange fortgesetzt, bis eine vorbestimmte Verneblungsdauer erreicht ist. Diese bekannte Vorrichtung ist ebenfalls nicht für Depositionsuntersuchungen geeignet, da die Verneblung unannehmbaren Druckschwankungen unterliegt. Kurz­ fristige Strömungsänderungen (z. B. Knoten) können nicht erfaßt werden. Ferner ist die Inhalationsvorrichtung gemäß DE-OS 40 09 067 nachteilig, da sie konstruktiv an einen bestimmten Verneblertyp, nämlich an sogenannte Venturi-Ver­ nebler, gebunden ist. Außerdem sind keine Vorkehrungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit beim Atmen vorgesehen. Damit ist die bekannte Vorrichtung für universelle Depositions­ untersuchungen ungeeignet.

Vernebler für Untersuchungs- oder Medikamentationszwecke werden so betrieben, daß die Lösung einer wasserlöslichen Wirksubstanz unter Wirkung des Betriebsdruckes aus einem Vorratsreservoir durch ein Steigrohr gesogen, gegen Prall­ schirme beschleunigt und durch labyrinthartige Kanäle geführt wird. Die Kanäle sind so gestaltet, daß nur kleinste Tropfen als Wirkaerosol hindurchtreten können. Die Wirkung dieser Filterung hängt wesentlich vom Betriebsdruck des Verneblers und von der Druckkonstanz ab. Da neben den Provokationsunter­ suchungen auch ein starker Bedarf nach hochgenauer Medikamen­ tierung besteht, ist es bekannt, die zum Verneblerbetrieb verwendeten Kompressoren mit einer Druckstabilisierung zu betreiben. Hierzu werden die Kompressoren mit Depotgefäßen betrieben, die teuer und wegen ihrer Größe für ein Gerät im Routinepraxiseinsatz nachteilig sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur kontrollierten Inhalation bzw. zur Erfassung von Depositionsparametern (Bestimmung der Abscheidewahrschein­ lichkeiten) bei Atemwegsuntersuchungen anzugeben, die einfach aufgebaut und einfach handhabbar ist und ermöglicht, Eingangs­ parameter für Depositionsmodelle mit genügender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 bzw. 9 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, an einem Inhalations­ gerät, das einen Vernebler, eine Versorgungseinheit zur Bereitstellung des Betriebsdruckes für den Vernebler, eine Dosier- und Meßeinheit zur Steuerung des Verneblerbetriebs und zur Messung von Atmungsparametern, und einen Anschlußblock für einen Mundstückadapter, den Vernebler und Filtermittel zur Filterung von partikelhaltiger Luft aufweist, bei der Ver­ sorgungseinheit und der Dosier- und Meßeinheit Stabilisierungs­ mittel zur Stabilisierung des Betriebsdruckes des Verneblers vorzusehen. Damit wird einerseits eine Stabilisierung der Partikelerzeugung und somit hochgenaue Aerosoldosierung und andererseits eine genaue Messung der Atmungsströmungsge­ schwindigkeit durch Druckmessung an den Filtermitteln er­ möglicht.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen werden die Stabilisierungs­ mittel durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen ge­ bildet. Falls die Dosier- und Meßeinheit mit einem Drei-Wege- Magnetventil (sogenanntes 3-2-Magnetventil) ausgestattet ist, durch das der Vernebler zeitweise dem Betriebsdruck eines Kompressormittels ausgesetzt wird, ist der nicht mit dem Vernebler verbundene Zweig des Ventils mit einem als Druck­ stabilisator wirkender Auslaßwiderstand versehen, dessen Strömungswiderstand im wesentlichen dem Strömungswiderstand des Verneblers entspricht, so daß beim Umschalten des Magnet­ ventils kein Lastwechsel entsteht, der Schwankungen des vom Kompressormittel gelieferten Betriebsdrucks verursachen könnte. Zweitens können die Stabilisierungsmittel ein Ausgleichsgefäß umfassen, das in einer Verbindungsleitung zwischen dem Kom­ pressormittel und der Dosier- und Meßeinheit vorgesehen ist. Das Ausgleichsgefäß (Druckdose) besitzt vorzugsweise ein elastisches Wandmaterial. Die Druckdose ist dazu eingerichtet, geringste Druckschwankungen, die aufgrund des Betriebs des Kompressormittels dem gelieferten Betriebsdruck überlagert sind, auszugleichen. Drittens können die Stabilisierungsmittel durch eine Höhenverstelleinrichtung gebildet werden, die dazu vorgesehen ist, die Dosier- und Meßeinheit in einer definierten Betriebshöhe anzuordnen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Strömungswiderstand der Filtermittel im Vergleich zum Strömungswiderstand von Filtermitteln in herkömmlichen Inhalationsgeräten erhöht. Während Filtermittel bei herkömmlichen Geräten lediglich dazu vorgesehen sind, eine Verunreinigung der Probandenumgebung mit Aerosolen zu ver­ hindern, besitzen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Filtermittel die folgenden zusätzlichen Funktionen. Die Filtermittel dienen als Strömungswiderstand, an dem über die zeitliche Änderung des Druckes beim Ausatmen die Strömungs­ geschwindigkeit und das Atemvolumen erfaßt wird. Durch Er­ höhung des Strömungswiderstandes kann die Messung der Druck­ änderung genauer durchgeführt werden. Gleichzeitig führt ein hoher Strömungswiderstand dazu, daß der Proband beim Atmen einen größeren Druck bereitstellen muß. Dies führt zu einer Öffnung des Stimmbandbereiches und somit zu einer Verminderung der Abscheidung in den oberen Atemwegen. Die Erhöhung des Strömungswiderstandes stellt einen wichtigen Unterschied zu herkömmlichen Geräten dar, bei denen zur Vereinfachung des Ausatmens der Strömungswiderstand der Filtermittel gerade niedrig gewählt wurde. Der Strömungswiderstand der Filter­ mittel ist vorzugsweise vierfach höher als der Strömungs­ widerstand herkömmlicher Aerosol- oder Bakterienfilter.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise erste und zweite Eichmittel auf, die dazu vorgesehen sind, Luftdruck­ schwankungen und das Pumpvermögen des Kompressormittels zu erfassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Einsatz geeig­ neter Stabilisierungsmittel zur Stabilisierung des Betriebs­ druckes des Verneblers gekennzeichnet. Ferner erfolgt er­ findungsgemäß während des gesamten Inhalationsverlaufs eine Atmungsgeschwindigkeitsmessung durch eine Druckmessung an Filtermitteln. Je nach den konkreten Anwendungsbedingungen wird das Verfahren in vorteilhafter Weise unter Realisierung von mindestens zwei Eichvorgängen durchgeführt.

Erfindungsgemäße Vorrichtungen besitzen die folgenden Vorteile.

Es wird die Überwachung des gesamten Ventilationsvorganges ermöglicht. Durch die Druckmessung am Strömungswiderstand kann genau erfaßt werden, wann und wie lange vom Probanden geatmet wird. Damit und durch die stabilisierte Dosierung wird eine definierte Inhalation erfaßbar, die erstmalig eine praktikable Auswertung der oben angegebenen theoretischen Depositions­ modelle ermöglicht. Der Vernebler kann in Abhängigkeit vom Atmungsverhalten gesteuert werden. Er kann insbesondere gestoppt werden, falls der Proband sich vom Mundstückadapter löst. Damit wird eine Belastung des Bedienungspersonals vermindert. Die Vorrichtung erlaubt neben Depositionsunter­ suchungen eine genau dosierbare Zufuhr von Medikamenten. Damit lassen sich auch spezifische Provokationen (z. B. für Allergie­ tests) und Medikamentierungen einfach durchführen. Schließlich ist die Vorrichtung durch eine Modulbauweise gekennzeichnet, die eine leichte Anpassung an verschiedene Verneblertypen und eine einfache Reinigung (Sterilisierbarkeit) ermöglicht, so daß die Vorrichtung universell im Praxisbetrieb eingesetzt werden kann. Es wird erstmalig die Verwendung eines Inhalationsgerätes für wasserlösliche Wirkstoffe zur Erfassung von Eingangsparametern theoretischer Depositionsmodelle angegeben.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Blockdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Ansicht von Einzelheiten der Versorgungseinheit gemäß Fig. 1;

Fig. 3 Drauf- und Seitenansichten von Einzelheiten der Dosier- und Meßeinheit gemäß Fig. 1; und

Fig. 4 einen Anschlußblock in Draufsicht und in (teilweise geschnittener) Seitenansicht.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur kontrollierten Inhalation bzw. zur Erfassung von Atmungsparametern umfaßt gemäß Fig. 1 eine Steuereinheit 101, eine Versorgungseinheit 102, eine Dosier- und Meßeinheit 103, einen Anschlußblock 104, einen Vernebler 105 und eine Stelleinrichtung 106. Die Steuer­ einheit 101 umfaßt Mittel zur Steuerung der übrigen Kompo­ nenten nach der unten erläuterten Verfahrensweise, zur Meß­ wertaufnahme und zur Anzeige bzw. Signalisierung von Betriebs- und Probandenparametern. Die Steuereinheit 101 umfaßt vorzugs­ weise einen Mikrorechner oder eine Schnittstelle zur An­ steuerung mit einem Mikrorechner.

Die Versorgungseinheit 102 enthält gemäß Fig. 2 die folgenden Baugruppen, die in kompakter Form in einem Gehäuse 200 untergebracht sind. Ein Ansaugzweig umfaßt eine Ansaugöffnung 201, Reinigungsfilter 202 und eine Ansaugleitung 203. Die Reinigungsfilter 202 sind übliche Filter zur Aufnahme von Schwebeteilchen, Öl und Staub und dergl., wie sie zum Beispiel auch in Kraftfahrzeugmotoren zur Luftfilterung eingesetzt werden. Je nach Gestaltung der Filter 202 kann es genügen, daß nur ein Filter vorgesehen ist, oder erforderlich sein, daß mehr als zwei Filter vorgesehen sind. Die Ansaugleitung 203 mündet in den Kompressor 204, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Kolbenmotorkompressor gebildet wird. Vom Kompressor 204 führt eine Druckleitung 205 zu einem Ausgleichsmittel 206 und von diesem eine weitere Druckleitung 205 zum Leitungsanschluß 207, der in einer Gehäusewand 210 vorgesehen ist. Das Ausgleichsmittel 206 wird durch eine Druckdose gebildet. Diese wird vorteilhafterweise durch ein Behältnis gebildet, das im wesentlichen einer Flasche mit einer elastischen Wandung und mit seitlichen Ansätzen für die Druckleitungen 205 entspricht. Das Ausgleichsmittel wird vorzugsweise durch eine Kunststoffflasche mit einem Volumen von rund 50 ml gebildet. Das Ausgleichsmittel wirkt als Stabilisierungsmittel für den Betriebsdruck, der vom Kompressor bereitgestellt wird, indem Kolbenschwankungen elastisch auf­ genommen und ausgeglichen werden. Im Vergleich zu Kompressor­ mitteln mit ausgedehnten Ausgleichsreservoiren ist das er­ findungsgemäß vorgesehene Ausgleichsmittel wesentlich ein­ facher aufgebaut und preisgünstiger herstellbar.

Weitere Komponenten zur elektrischen Versorgung (Sicherheits­ transformator 208) und zur rechnergeschützten Ansteuerung (PC-Schnittstelle 209) sind vorteilhafterweise mit in die Gehäusewand 210 integriert.

Als Kompressor 204 kann eine beliebige Einrichtung ausgewählt werden, die einen zum Betrieb möglichst vieler Verneblertypen genügend hohen Betriebsdrucks bereitstellt. Vorzugsweise stellt der Kompressor 204 einen Betriebsdruck von rund 1,6 bar oder eine Förderleistung von rd. 6 l/min bereit.

Vom Leitungsanschluß 207 an der Versorgungseinheit 102 führt eine Druckleitung 301 zur Dosier- und Meßeinheit 103, die ebenfalls in kompakter Form in einem Gehäuse 300, 300a untergebracht ist (s. Fig. 3).

Die Druckleitung 301 führt zu einem 3-2-Magnetventil 302, dessen erster Ausgang mit der Druckdurchführung 303 und dessen zweiter Ausgang mit dem Auslaßwiderstand 304 verbunden ist. Die Druckdurchführung 303 ragt durch die Wand des Gehäuses 300 auf die Außenseite der Dosier- und Meßeinheit 103, die zum Anschluß des unten erläuterten Anschlußblocks 104 vorgesehen ist. Hierfür ist an der Außenseite des Gehäuses 300 neben der mit einem O-Ring 305 versehenen Druckdurchführung 303 eine Rasterarretierung 306 vorgesehen, mit der der Anschlußblock 104 im Betriebszustand verriegelt werden kann.

In der Wand des Gehäuses 300 ist ferner eine Druckmeßöffnung 307 vorgesehen, über die im zusammengesetzten Zustand der Raum strömungsseitig vor den Filtermitteln am Anschlußblock mit dem Drucksensor 308 in der Dosier- und Meßeinheit 103 in Ver­ bindung steht. Der Drucksensor 308 ist vorzugsweise ein piezo­ elektrischer Drucksensor.

Die Dosier- und Meßeinheit 103 enthält ferner eine Schaltungskarte 309 mit Schaltmitteln, über die die Signale des Drucksensors 308 und die Ansteuersignale für das Magnetventil 302 mit der elektrischen Anschlußleitung 310 abgegriffen bzw. zugeführt werden können.

Der Auslaßwiderstand 304 ist ein an sich bekannter "Auspuff" des Kompressors, solange dieser nicht zum Betrieb des Ver­ neblers benutzt wird. Der Auslaßwiderstand 304 ist vorzugs­ weise aus einem metallischen Drahtgeflecht gebildet, um die ausströmende Druckluft diffus zu verteilen und Störungen des Drucksensors 308 zu vermeiden. Erfindungsgemäß ist der Auslaß­ widerstand außerdem derart ausgebildet, daß er einen Strömungs­ widerstand bildet, dessen Wert dem Strömungswiderstand des am Anschlußblock 104 angesetzten Verneblers 105 entspricht. Damit werden eventuelle Druckschwankungen beim Lastwechsel bei Betätigung des Magnetventils 302 vermieden. Um einfach an verschiedene Verneblertypen angepaßt werden zu können, ist der Auslaßwiderstand 304 vorzugsweise über ein geeignet geformtes Ansatzstück 304a auswechselbar gestaltet. Damit kann sicher­ gestellt werden, daß die Erzeugung der Druckluft aufgrund des angeglichenen Auslaßwiderstands (Auslaßventil) immer unter Konstantlast arbeitet. Falls die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem anderen Kompressormittel als dem dargestellten Kompressor 204 betrieben wird, kann der Auslaßwiderstand gegebenenfalls durch einen druckdichten Verschluß (z. B. Schraubverschluß) ersetzt werden, falls die dann eingesetzte, externe Druckluftquelle die hochstabile Druckluftversorgung für den Betrieb des Verneblers sicherstellt.

In Fig. 4 ist beispielhaft ein Anschlußblock 104 in zwei Ansichten dargestellt, der zur Anbringung an der Seite des Gehäuses 300 (s. Fig. 3) mit der Druckdurchführung 303, der Rasterarretierung 306 und der Öffnung 307 vorgesehen ist. Der Anschlußblock 104 umfaßt ein Basisteil 401, das mit ver­ schiedenen Verbindungsmitteln versehen ist. Ein erstes Ver­ bindungsmittel 402 führt zum Mundstückadapter (nicht darge­ stellt), der vom Mund des Probanden aufgenommen wird. Ein zweites Verbindungsmittel ist der Filteransatz 403, an dem die erfindungsgemäß gestalteten Filtermittel (nicht dargestellt) angebracht werden. Ein weiteres Verbindungsmittel ist der Vernebleransatz 404, der in geeigneter Weise an das ent­ sprechende Anschlußstück eines kommerziell verfügbaren Ver­ neblers (nicht dargestellt) angepaßt ist. Schließlich ist eine Aufnahme 405 vorgesehen, in die die Druckdurchführung 303 mit dem O-Ring 305 von der Dosier- und Meßeinheit 103 (siehe Fig. 3) hineinragt. Zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können mehrere auswechselbare Anschlußblöcke 104 vorgesehen sein, die sich jeweils durch die Gestaltung des Vernebler­ ansatzes 404 unterscheiden, um universell mit verschiedenen Verneblertypen betreibbar zu sein.

Die am Filteransatz 403 angebrachten Filtermittel enthalten einen Aerosol- oder Bakterienfilter. Vorzugsweise werden Filterbauformen und -materialien verwendet, wie sie in der Beatmungstechnik der Intensivmedizin üblich sind. Das Filtermaterial wird derart ausgewählt, daß der Strömungs­ widerstand der Filtermittel so hoch ist, daß die Aerosole vorzugsweise in den tieferen Atemwegsregionen des Probanden abgeschieden werden. Hierfür ist der Strömungswiderstand etwa vierfach höher als der Strömungswiderstand von Bakterien­ filtern an herkömmlichen Inhalationsgeräten. Vorzugsweise beträgt der Strömungswiderstand rund 18 kPa/sm².

Die Dosier- und Meßeinheit 103 und der Anschlußblock 104 sind so ausgebildet, daß die Druckluftwege insbesondere vom Magnetventil zum Vernebler kurz sind. Damit wird die Ansprechzeit der Vorrichtung verringert und die Verneblungs­ zeit wird eichbar. Außerdem ist dadurch der Atmungstotraum der Vorrichtung klein gehalten. Dies ist insbesondere für Unter­ suchungen bei Kindern vorteilhaft, da der CO₂-Rückstand minimiert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner die in Fig. 1 schematisch angegebene Stelleinrichtung 106 umfassen, mit der die Höhe der Dosier- und Meßeinheit 103 mit angesetztem Anschlußblock 104 einstellbar ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, falls die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem gesonderten Meßsystem mit Bezugsdruck betrieben wird (z. B. mit einem Bodyplethysmographen).

Im folgenden wird die Verfahrensweise zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Bei Depositionsuntersuchungen sollen Depositionsparameter zu den einzelnen Depositionsbereichen erfaßt werden. Neben dem Parameter Regional-Deposition sind dabei sogenannte regionale Wirksamkeitsparameter von Interesse. Die beim menschlichen Atemweg unterschiedenen Regionen umfassen die extrathorakale (zuführende Atemwege: Mund, Rachen und Luftröhre), die trachiobronchiale (Lunge nach der ersten bis zur zehnten Bifukation), die bronchiolare (Bronchialbaum nach der zehnten Bifukation) und die alveolare (Bereich der Lungen­ alveolen) Region. Zur Erfassung der Depositionsparameter in diesen Regionen nach den theoretischen Modellen müssen Aerosolparameter, morphologisch-physiologische Parameter und personenbezogene Skalierungsparameter bekannt sein. Die Aerosolparameter (z. B. geometrischer Partikeldurchmesser, aerodynamischer Partikeldurchmesser, massenmedianer Durch­ messer, Diffusionskoeffizient, Transportgeschwindigkeit, mittlere Dichte und weitere thermodynamische Größen) sind abhängig vom verwendeten Vernebler (Herstellerangaben). Die personenbezogenen Skalierungsparameter umfassen Tabellenwerte wie z. B. das Verhältnis des Durchmessers der Trachea eines erwachsenen Mannes zum Tracheadurchmesser des Probanden oder ähnliche Skalierungsgrößen. Die morphologisch-physiologischen Parameter werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (zum Teil in Kombination mit Zusatzeinrichtungen) erfaßt. Diese Parameter umfassen das Atemzugvolumen (cm³), den sogenannten volumetrischen Fluß (cm³/s) und die sogenannte funktionelle Residualkapazität (cm³). Das Atemzugvolumen und der volumetrische Fluß werden aus der Messung des Druckes im Anschlußblock 104 (vor den Filtermitteln) und Umrechnung auf Volumenwerte entsprechend den Gasgesetzen bestimmt. Die funktionelle Residualkapazität wird durch eine Atmungs­ untersuchung in einem an sich bekannten Bodyplethysmographen oder durch eine He-Einwaschung bestimmt, kann aber auch ohne Untersuchung in Form eines Sollwerts des Probanden berück­ sichtigt werden.

Um die Aerosolparameter genau einzuhalten und die morpho­ logisch-physiologischen Parameter genau zu bestimmen, ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Inhalations­ vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck des eingesetzten Verneblers stabilisiert wird, daß während der Verneblung der Druck an den Filtermitteln gemessen wird und/oder daß Eichschritte vorgenommen werden, um die Ge­ nauigkeit und Reproduzierbarkeit der Volumen- und Strömungs­ messungen sicherzustellen. Eine erste Eichung (Luftdruck­ eichung) findet je nach Wetterlage in geeigneten Abständen (z. B. einmal pro Tag) statt. Zur Luftdruckeichung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Mundstückadapter nicht mit einem Probanden, sondern mit einer Eichpumpe verbunden. Die Eichpumpe erlaubt es, manuell oder maschinell genormte "Atemzüge" zu simulieren und dient dabei als Meßwiderstand mit bekannten Merkmalen. Eine zweite Eichung (Drucklufteichung) dient der Ermittlung des Volumens, das bei der Inhalation dem Atemstrom zugeführt wird. Hierfür wird die erfindungsgemäße Vorrichtung mit verschlossenem Mundstückadapter betrieben. Dadurch wird der gesamte Luftstrom vom Kompressormittel und Vernebler direkt durch die Filtermittel gegeben, an denen das durchgeflossene Volumen pro Zeiteinheit (l/s) gemessen wird.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner vorsehen, daß mit der Stelleinrichtung 106 die Höhe der Dosier- und Meßeinheit 104 mit dem Vernebler 105 eingerichtet wird.

Der Untersuchungsablauf sieht vor, daß die Vorrichtung nach Einrichtungsschritten und Eichschritten (Wahl des gewünschten Verneblers 105, des gewünschten Auslaßwiderstandes 304 und der gewünschten Betriebshöhe, s. Fig. 1, 4, Eichung) mit dem Probanden verbunden wird. Der Proband wird mit verschlossener Nase (z. B. mit einer Klemme) an den Mundstückadapter am Anschlußblock 104 gesetzt. Eine Bedienungsperson gibt die Parameter für die Verneblungsstufe mit der Steuereinheit 101 vor. Bei jedem Einatemmanöver des Patienten, das durch die Druckmessung im Anschlußblock 104 vor den Filtermitteln mit dem Drucksensor 308 erfaßt wird, steuert die Steuereinheit 101 die Dosier- und Meßeinheit 103 an, um eine definierte Aerosol­ menge in den Atemweg zu führen. Falls der Drucksensor 308 erfaßt, daß die Filtermittel etwa nicht am Anschlußblock 104 angebracht sind, wird die Verneblung blockiert. Ebenso wird mit dem Drucksensor 308 erfaßt, falls das Atemmanöver durch Husten des Probanden oder Lösen vom Mundstückadapter unter­ brochen wird. Beim Ausatmen wird durch die Messung des Druckes und seiner zeitlichen Änderung das Atemzugsvolumen und die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt. Nach Abschluß der letzten Verneblung werden die physikalischen Daten des Verneblers und die Probandendaten an die Steuereinheit 101 übergeben und ein Programmablauf zur Depositionsberechnung gemäß den an sich bekannten, oben erwähnten theoretischen Modellen aufgerufen. Eine Verarbeitung der Depositionsdaten schließt sich als Auswertungsschritt an.

Die Steuereinheit 101 besitzt Anzeigemittel (z. B. Bildschirm) an denen simultan zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung aktuelle morphologisch-physiologische Parameter des Probanden während der Inhalation angezeigt werden. Dies ermög­ licht eine direkte Kontrolle des Probandenverhaltens durch den Bediener oder den Probanden und gegebenenfalls die Vornahme von Korrekturen, um optimale Parameter als Eingangsgrößen für die Depositionsberechnung zu erhalten. Es können insbesondere der Schalt-Triggerpunkt des Magnetventils (des Verneblers), der in Abhängigkeit von der Zeit nach dem Beginn des Einatmens und vom Atemvolumen gewählt wird, die Dauer der Verneblung pro Atemzug, gegebenenfalls Erholungsatemzüge sowie ein Strömungs­ profil angezeigt werden. Die Anzeige des Strömungsprofils (Atemvolumen pro Zeit) erlaubt es, eine möglichst geringe Strömungsgeschwindigkeit beim Einatmen einzuhalten (vorzugs­ weise unterhalb von 0,5 l/s), wodurch Impaktabscheidungen von Aerosol in oberen Atemwegsbereichen reduziert werden. Das Anzeigemittel kann auch ein Signalmittel umfassen, mit dem optisch oder akustisch signalisiert wird, falls während der Verneblungsstufe der Proband für die Auswertung ungeeignete Meßergebnisse liefert, falls er z. B. zu stark oder hektisch atmet oder ein zu geringes Volumen in hoher Frequenz ven­ tiliert.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform umfaßt eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung die Kombination eines Inhalationsgerätes mit Druckstabilisierung mit einem Bodyplethysmographen.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur kontrollierten Inhalation bei Atemwegs­ untersuchungen, umfassend eine Verneblereinrichtung (105), eine Versorgungseinheit (102) mit einem Kompressormittel zur Bereitstellung eines Betriebsdrucks für die Vernebler­ einrichtung (105), eine Dosier- und Meßeinheit (103) zur Steuerung der Verneblereinrichtung (105) und zur Messung von Atmungsparametern, und einen Anschlußblock (104), an dem die Verneblereinrichtung (105), ein Mundstückadapter und Filter­ mittel angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß Stabilisierungsmittel zur Stabilisierung des vom Kompressor­ mittel gelieferten Betriebsdrucks vorgesehen sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Kompressormittel durch einen Kolbenkompressor (204) gebildet wird und die Stabilisierungsmittel ein Ausgleichsgefäß (206) umfassen, das in einer Druckleitung (205) zwischen dem Kolbenkompressor (204) und der Dosier- und Meßeinheit (103) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Dosier- und Meßeinheit (103) ein 3-2-Magnetventil (302) enthält und die Stabilisierungsmittel einen Auslaßwiderstand (304) an einem Zweig des Magnetventils (302) umfassen, wobei der Strömungswiderstand des Auslaßwiderstandes (304) derart gewählt ist, daß er im wesentlichen gleich dem Strömungs­ widerstand der Verneblereinrichtung (105) ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stabilisierungsmittel eine Stelleinrichtung (106) zur Einstellung der Höhe der Dosier- und Meßeinheit (103) mit dem Anschlußblock (104) umfassen.

5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Filtermittel am Anschlußblock (104) mit einem Strömungswiderstand eingerichtet sind, der höher als der Strömungswiderstand von Bakterien- oder Aerosolfiltern ist.

6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der Dosier- und Meßeinheit (103) ein Drucksensor (308) vorgesehen ist, mit dem während des Betriebs der Vorrichtung der Druck im Anschlußblock (104) meßbar ist, und bei der ferner Steuermittel zur Betätigung der Verneblereinrichtung (105) in Abhängigkeit vom Druck im Anschlußblock (104) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der erste Eichmittel zur Luftdruckeichung und zweite Eich­ mittel zur Drucklufteichung vorgesehen sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ferner Anzeige- und/oder Signalisierungsmittel vorgesehen sind, die dazu eingerichtet sind, in Reaktion auf den Druck im Anschlußblock (104) Zustände des Vorrichtungsbetriebs und der Atemwegsuntersuchung anzuzeigen bzw. signalisieren.

9. Verfahren zum Betrieb eines Inhalationsgerätes zur kontrol­ lierten Inhalation bei Atemwegsuntersuchungen, bei dem eine Verneblereinrichtung (105) in Abhängigkeit vom Atmungsver­ halten eines Probanden betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb der Verneblereinrichtung (105) druckstabilisiert erfolgt und daß zur Erfassung des Atmungsverhaltens kontinuier­ lich das Atemvolumen und die Atemströmungsgeschwindigkeit durch eine Druckmessung ermittelt werden.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem Eich- und/oder Ein­ richtungsschritte durchgeführt werden.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem Zustände der Verneblereinrichtung und des Atmungsverhaltens des Probanden angezeigt und signalisiert werden.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem physikalische Parameter der Verneblereinrichtung und morphologisch-physiologische Parameter des Probanden, die aus dem Atemvolumen und der Atemströmungsgeschwindigkeit abge­ leitet werden, erfaßt und mit einem an sich bekannten Modellierungsverfahren zur Bestimmung regionaler Depositions­ parameter verarbeitet werden.

13. Verwendung eines druckstabilisierten Inhalationsgerätes mit einer Verneblereinrichtung zur Verneblung von wasser­ löslichen Wirkstoffen zur Bereitstellung Eingangsparametern bei der Modellierung der regionalen Deposition von Aerosolen in Atemwegen.