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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Gasstoffwechsels Zur
Untersuchung des menschlichen oder tierischen Gasstoffwechsels werden Apparate benutzt,
mit welchen der Sauerstoffverbrauch und die Kohlendioxydausscheidung gemessen werden.
Da die direkte Bestimmung der Abnahme des Sauerstoffgehaltes und der Zunahme des
Kohlendioxydgehältes in der Ausatmungsluftwegen der ungleichmäßigen Luftausnutzung
bei den einzelnen Atemzügen das Messen bzw. Auffangen relativ großer Luftvolumina
erfordert, werden heute vorzugsweise die sogenannten Kreisstromverfahren angewendet.
Bei diesen Verfahren steht die Versuchsperson in Verbindung mit einem geschlossenen
Rohrsystem, das vor Beginn des Versuches mit reinem Sauerstoff gefüllt wird.
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Tun diesem Rohrsystem wird durch verschiedene Mittel ein ständiger
Kreislauf des Gasinhaltes bewirkt. Die durch die Atemzüge, den Sauerstoffverbrauch
und die Kohlendioxydproduktion der Versuchsperson bewirkten Änderungen des Gasinhaltes
werden durch einen an das System angeschlossenen Gasmesser, Volumenmesser, sogenanntes
Spirometer, angezeigt und gemessen. Da eine Anreicherung der Atmungsluft mit Kohlendioxyd
einen sehr starken und die Messung des Stoffwechsels störenden Einfluß aut den Atmungsvorgang
hat, wird durch eingeschaltete Kohlendioxydabsorptionsmittel die mit der Atmung
ausgeschiedene Kohlensäure aus dem System ständig entfernt. Die während des Versuchs
stattfindende Abnahme des kreisenden Gasvolumens stellt demnach den tatsächlichen
Sauerstoffverbrauch dar.
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Während alle bekannten Kreisstromapparate in diesem Verfahren zur
Bestimmung des Sauerstoffverbrauches übereinstimmen, unterscheiden sie sich in der
Methode der Bestimmung der gebildeten Kohlensäure je nach der Art des angewendeten
Absorptionsmittels.
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Bei der Anwendung eines festen Absorptionsmittels, z. B. Natronkalk,
ist der Atmungswiderstand des Kohlendioxydabsorbers sehr gering. Aus diesem Grunde
kann der Kreislauf im System durch Atemventile bewirkt werden. Demgegenüber stellt
die durch Wägung vorzunehmende Bestimmung der
Kohlensäure wegen
des ziemlich großen und schweren Absorptionsgefäßes einen erheblichen Nachteil dieser
Methode dar.
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Bei Anwendung flüssiger Absorptionsmittel, z.B. Kalilauge. ist bei
der Atmung ein sehr erheblicher Widerstand zu über winden, wozu die Kraft der Lunge
nicht ausreicht, so daß der Gaskreislauf im System durch eine Pumpe bewirkt werden
muß. Diesen Mängeln steht aber bei dieser Methode ein sehr elegantes Verfahren zur
Bestimmung der gebildeten Sohlensäure gegenüber, das darin besteht, daß nach Beendigung
des Versuches die in der Kalilauge zurückgehaltene Isohlensäure dadurch Zugabe von
Schlvefelsäure wieder ausgetrieben und ihre WIenge direkt am Volumenmesser abgelesen
wird.
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Bei dem den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Verfahren
werden unter Ausschaltung der Nachteile die Vorteile beider Verfahren vereinigt.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß die Kraft der Lunge zwar nicht ausreicht.
die gesamteAusatmungsluft durch ein flüssiges Absorptionsmittel zu treiben, wohl
aber einen kleinen festgelegten Bruchteil der Ausatmungsluft (z. B. 1/100) durch
ein flüssiges Absorptionsmittel zu treiben vermag. Hierzu ist es also notwendig,
vom Hauptstrom der Ausatmungsluft einen festgelegten Nebenstrom abzuzweigen. Zur
Verlvirlilichung dieses Gedankens bedient sich die Erfindung der an sich bekannten'
definierten Unterteilung des Volumenmessers und des Gaskreisstromes in zwei verschieden
große Räume und sieht in dem kleinen Kreislauf zum Abscheiden der entstandenen Kohlensäure
ein flüssiges Absorptionsmittel vor.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Verwendung des Kreisstromverfahrens,
sondern läßt sich auch auf solche Apparate anwenden, die unter Verzicht auf jeden
Kreislauf die gleichzeitige Bestimmung des Sauerstoffverbrauches und der Kohlensäureausscheidung
gestatten.
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Das neue Verfahren besteht darin, daß die Isohlensäure in dem mit
dem großen Volumenmesser veHundenen Leitungsweg durch ein der Atmung einen möglichst
geringen Widerstand entgegensetzendes (trockenes) Absorptionsmittel abgeschieden
wird, während in dem mit dem kleinen Volumenmesser verbundenen Leitungsweg ein (flüssiges)
Absorptionsmittel benutzt wird, mittels dessen die aufgenommene Kohlensäuremenge
leicht zu bestimmen ist; um aber den relativ größeren Strömungswiderstand in diesem
Leitungsweg zu überwinden, werden die beiden Volumenmesser starr miteinander verbunden,
so daß dadurch das Heben und Senken des großen Volumenmessers bei der Atmung von
dem kleinen in dessen Leitungsweg eine Saug-Druck-Wirkung erzeugt wird.
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Für die Ausbildung eines Meßgerätes zur Ausführung des angegehenen
Verfahrens kann der Ouerschnitt des kleinen Volumenmessers vorteilhaft zu 1150 oder
1 o des Querschnittes des großen Volumenmessers festgelegt werden.
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Es ist zwar bekannt, zur Bestimmung des Gasstoffwechsels zwei verschieden
große Spirometer zu verwenden, diese miteinander zu koppeln, über zwei getrennte
Leitungswege von den Atmungsorganen des zu Untersuchenden beeinflussen zu lassen
und zum Bestimmen der Isohlensäureausscheidung nur das kleinere Spirometer zu benutzen.
Nicht bekannt ist es aber, durch das Heben wld Senken des großen Volumeumessers
bei der Atmung mit Hilfe der erfindungsgemäß starren Verbindung zwischen beiden
Volumenmessern von dem kleinen in dessen Leitungsweg eine Saug-Druck-Wirliung erzeugen
zu lassen und diese zur Überwindung seines relativ großen Strömungswiderstandes
auszunutzen. Auf diesen neuen Gedanken gestützt ist die den Gegenstand der Erfindung
bildende Einrichtullg zur Ausführung des angegebenen Meßverfahrens entwiclielt worden.
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Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Einrichtung
schema tisch dargestellt, bei der das kleine Spirometer axial zu dem großen Spirometer
angeordnet ist.
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Das große Spirometer besteht aus einem Gefäß I mit Zuleitung 2 und
der Ableitung 3. in welches die Spirometert,loclieJ eintaucht.
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Die Spirometerglocke ist durch eine Auflängung mit Gegengewicht; entlastet,
woliei eine über die Rolle 6 gelegte Kette 7 in bekannter Weise zum Ausgleich des
Auftriebes dient. In der Mittelachse des Gefäßes I befindet sich das Gefäß 8 des
kleinen Spirometers mit der Zuleitung 9. Die dazugehörige Glocke 1o ist starr mit
der großen Glocke verbunden. Zur Vermeidung größerer Reibung und zur Erzielung einer
genauen Volumenabmessung wird die Glocke 10 an Führungsstiften ii, die an der Zuleitung
9 angebracht sind, konzentrisch geführt. Durch diese Anordnung wird die Reibung
auf wenige Punkte der Länge verteilt.
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Die Spirometerglocken sind wie iiblich mit einem Sdireibhebel 12
verbunden, der auf eine von einem Laufwerk 13 angetriebene Registriertrommel 14
wirkt. An der aufgeschriebenen Kurve der Registriertrommel kann der Verlauf der
Atmung und die Abnahme des Sauerstoffes schon während des Versudles abgelesen werden.
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Das Spirometer bewegt sich bei Eitiatmung auswärts und bei Ausatmung
aufwärts. Hierdurch
entsteht eine Zickzackkurve auf der Schreibtrommel
14. Diese Kurve sinkt proportional dem Sauerstoffverbrauch der zu untersuchenden
Person ab. Aus der Stärke des Absinkens wird der Sauerstoffverbrauch errechnet bzw.
an einer Teilung abgelesen.
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Mit der Zuleitung 2 des großen Spirometers verbunden ist ein größeres
Gefäß I5, das mit einem festen Absorptionsmittel für Kohlendioxyd, z. B. Natronkalk,
gefüllt ist.
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Die Zuleitung I6 zu. diesem Gefäß und die Ableitung 3 des Spirometers
sind über zwei entgegengesetzt geschaltete Ventile verbunden, und zwar ist I7 das
Ausatmungsventil und 18 das Einatmungsventil. Eine Abzweigung der Verbindungsleitung
zwischen beiden führt zu einem Dreiwegehahn 19 und endet in einem Mundstück 20 zum
Ansetzen der Versuchsperson. Aus dem Rohr I6 zwischen Atmungsventil I7 und Absorptionsgefäß
15 führt eine Abzweigung 2I zu den hintereinandergeschalteten Absorptionsgefäßen
22 und 23, die gleichzeitig als Ventil wirken und durch Hähne 24, 25 und 26 abgesperrt
werden -können. Diese Gefäße enthalten Kalilauge zur Absorption der Kohlensäure.
An jedem der Gefäße befindet sich eine schwenkbare Birne 27 bzw. 28, die mit Schwefelsäure
zum späteren Austreiben der absorbierten Kohlensäure gefüllt ist. Die Ableitung
29 zwischen beiden Gefäßen geht in die Zuleitung 9 des kleinen Spirometers über,
während die Ableitung 30 in die Ableitung 3 des großen Spirometers führt. Diese
Schaltung der beiden Gefäße 22, 23 hat den Zweck, daß beim Ausatmen (über Ventil
I7) der Stromweg zum kleinen Spirometer über das Gefäß 22 und die Leitung 29 führt,
beim Einatmen (über Ventil I8) vom kleinen Spirorneter iiber Leitung 29 und 9, das
Gefäß 23 und Leitung 30 zur Leitung 3 des Einatmungsventils 18.
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Der Kreisstrom des großen Spirometers führt vom Ausatmungsventil
I7 über Leitung I6, das Absorptionsgefäß 15, Leitung 2 und zurück über Leitung 3
und Einatmungsventil I8. Der Kreisstrom des kleinen Spirometers führt beim Ausatmen
von Rohr I6 hinter dem Ausatmungsventil I7 über Abzweigleitung 2I, Hahn 24, durch
das Gefäß 22 und über Leitung 29, 9 und beim Einatmen zurück über Leitung 9, 29,
Hahn 25, durch das Gefäß 23 und über Hahn 26, Leitung 30 in die Leitung 3 des Einatmungsventils
I8.
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Zum Messen der Kohlensäure werden die Hähne 24 und 26 geschlossen;
die durch das Eingießen der Säure aus den Birnen 27, 28 ausgetriebene Kohlensäure
steigt aus beiden Gefäßen 22, 23 über das Rohr 29, 9 in das kleine Spirometer.
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Die Absperrflüssigkeit im großen Spirometer ist Wasser, im kleinen
befindet sich eine schwere Sperrflüssigkeit, z.B. Quecksilher, das zum Schutz der
Versuchsperson mit Paraffin bedeckt wird. Das kleine Spirometer braucht nicht konaxial
zum großen angeordnet zu sein, sondern kann auch neben dem großen Spirometer angebracht
sein.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Bei der Ausatmung der Versuchsperson
wird die Luft über das Ausatmungsventil 17 durch das Absorptionsgefäß I5 in das
große Spirometer geleitet, dessen Glocke 4 hochsteigt.
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Dadurch wird über die mitgehobene kleine Spirometerglocke I0 ein aliquoter
Volumen teil der Ausatmungsluft über die Leitungen 29 und 21 durch das Absorptionsgefäß
22 gesaugt, wobei das Absorptionsgefäß 23 kein Gas passieren läßt, da es umgekehrt
geschaltet ist und dadurch als Ventil abschließt. Bei der Wiedereinatmung durch
den Patienten wird über das Ventil IS das große Spirometer wieder entleert, d. h.
entsprechend der Menge der eingeatmeten Luft sinkt die Glocke 4.
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Hierbei wird durch das kleine Spirometer ein entsprechender Volumenteil
über die Leitung 29 durch das Absorptionsgefäß 23 und über die Leitung 30 in den
Einatmungsluftstrom zurückbefördert. Dadurch wird in den Absorptionsgefäßen 22 und
23 ein durch das Querscbnittverhältnis der Spirometer festgelegter Bruchteil der
gesamten Kohlensäure absorbiert, während der-Hauptteil in dem Absorptionsgefäß 15
zurückgehalten wird.
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Der Sauerstoffverbrauch kann'also an der Abnahme des kreisenden Gasvolumens,
d. h. an der fortschreitenden Senkung des Spirometers, angezeigt durch das Absinken
der Atmungskurve, erkahnt werden.
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Nach Beendigung des Versuches werden die Hähne 24 und 26 geschlossen,
während 25 geöffnet bleibt. Sodann werden die beiden Birnen 27 und 28 umgeschwenkt,
so daß die darin enthaltene Säure in die Kalilauge einfließt. Hierdurch wird die
darin enthaltene Kohlensäure freigesetzt. Die freigesetzte Kohlensäure gelangt durch
das Rohr 29 in das kleine Spirometer und hebt dadurch das gesamte Spirometer. Der
Dreiwegehahn 19 wird so geöffnet, daß das gesamte System mit einem Sauerstoffreservoir
in Verbindung steht. Durch den Aufstieg der Spirometerglocke kan das Volumen der
in den Gefäßen 22 und 23 zurückgehaltenen Kohlensäure direkt abgelesen werden.
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Eine Kenntnis des Ouerschnittverhältnisses des großen und kleinen
Spirometers ist deshalb nicht erforderlich, da die Volumenablesung im selben Querschnittverhältnis
erfolgt. Man kann also Sauerstoffabnahme und Kohlendioxydbildung an der Registriertrommel
im gleichen Maßstab ablesen.
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Aus dem Sauerstoffverbrauch und der Kohlendioxydbildung während einer
bestimmten Zeit wird in bekannter Weise der Stoffwechselumsatz und der respiratorische
Quotient, das ist das Verhältnis zwischen verbrauchter Sauerstoffmenge und gebildeter
Kohlendioxydmenge, errechnet.