DE8015055U1 - Einrichtung zur Messung von mindestens zwei pneumatischen Lungenparametern und Meßverfahren hierzu - Google Patents

Description

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Dr S gerwerk Aktiengesellschaft Molsllnger Allee 53-55. 2400 L 0 b e c k

Einrichtung zur Messung von mindestens zwei pneumatischen Lunqenparametern

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von mindestens zwei pneumatischen Lungenparatnetern, nämlich des linearen Teiles des Atemwegwiderstandes R₁, des quadratischen Teiles des Atemwegwiderstandes R_, der Compliance C und des alveolaren Restdruckes P. insbesondere in Verbindung mit einem Beatmungsgerät, wobei dieser Einrichtung Eingangssignale von einem Drucksensor und von einem Flowmeter aus der Atemluftführung zugeführt werden und bei der ein zeitgesteuerter Integrator aus dem Plowsignal ein entsprechendes Volumensignal bildet, und In der ferner aus diesen Signalen die gewünschten pneumatischen Lungenparameter bestimmt werden.

Bei zu überwachenden Personen, insbesondere bei mit einen Beatmungsgerät beatmeten Patienten, ist eine fortgesetzte und schnelle Bestimmung von pneumatischen Lungenparametern erforderlich. Hierzu wird beispielsweise in der DE-OS 25 13 676 ein elektronisches Gerät zur selbsttätigen Messung und Anzeige des Strömungs-Widerstandes R der Luft in den Bronchienwegen und der Elastizität E des Pulmonalgewebes aufgrund von Meßwerten der Atemluftströmung und der Veränderung des endothorakalen Druckes angegeben.

Ein Respirations-Analysengerät, bei dem der Atemgas-Durchfluß durch Zeitintegration aus Differenzdruck-Signalen und weitere pneumatische Parameter, wie absoluter Tracheal- bzw. Bronchialdruck gemessen werden können, ist in der DE-OS 27 19 900 beschrieben.

Die DE-OS 24 13 988 und die DE-OS 25 22 774 erläutern Verfahren zur Erforschung der intrathorakalen Atemmechanik, und damit zur Bestimmung von pneumatischen Lungenparametern.

Schließlich enthält die DE-AS 19 33 472 ein Beatmungsbzw. Narkosebeatmungsgerät, bei dem pneumatische Lungenparameter in Form einer Kurve aus gemessenen Augenblickswerten zusammengesetzt werden.

Eine andere zum Stande der Technik gehörende Einrichtung nach der DE-OS 23 37 061 betrifft eine Atemvolumenmeßvorrichtung in Verbindung mit einem Atemdruckgeber, welche eine gesteuerte Anzeige-und/oder Alarmeinrichtung auslösen, die auf eine vom Verhältnis des Atemdruckes zum Atemvolumen abhängige Größe anspricht.

Wegen der starken Streuung der Meßwerte in der Atemluftströmung sind bei den bisher bekannten Einrichtungen die berechneten bzw. angezeigten pneumatischen Lungenparameter für viele Überwachungszwecke zu ungenau. Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Einrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß eine rasche Ermittlung der gewünschten, pneumatischen Lungenparameter mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt dadurch, daß eine Abtastvorrichtung vorgesehen ist, welche in zeitlichem Abstand zusammengehörige Signale für Druck, Plow und Volumen als Meßwert-Tripel abtastet und innerhalb jedes Atemzyklus mindestens zwei solcher Meßwert-Tripel in einer periodisch löschbaren Speichervorrichtung einspeichert, und daß eine Rechenvorrichtung vorgesehen ist, welche mit der Abtastvorrichtung und der Speichervorrichtung verbunden ist, die aus den abgespeicherten Meßwert-Tripelη die gewünschten Lungenparameter aus an sich bekannten linearen Gleichungssystemen berechnet, und daß diese Rechenvorrichtung mit einer Anzeige- und/oder Steuervorrichtung in Verbindung steht, welche die Lungenparameter anzeigt und/oder zur Steuerung eines Beatmungsgerätes ausgibt.

In der praktischen Ausführung der Meßeinrichtung werden in einer elektronischen Schaltung die von Druck- und Flowsensoren erzeugten Signale gemessen,und durch Integration aus der Strömungsmessung oder durch direkte Messung wird das Volumen bestimmt. Die ein Meßwert-Tripel bildenden Größen stehen dabei als elektrische Spannungen zur Verfügung und werden entsprechend abgetastet.

Zur Zuordnung der Tripel-Meßwerte hinsichtlich der Inspirations- oder Exspirationsphase überprüft die Meßeinrichtung zweckmäßig den Flow-Verlauf· Ist der Flow einige Zeit gleich 0 und wird plötzlich>0, so wird

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Exspirationsbeginn unterstellt, und anschließend werden in der Exspirationsphase die erforderliche im allgemeinen möglichst hohe Anzahl der Meßwert-Tripel p,V,V abgespeichert, wobei auch Werte des betragmäßig ansteigenden Verlaufs des Plows eingeschlossen werden müssen. Diese dienen zur Kennung und Unterscheidung von Inspirationsund Exspirationsphase. Typisch tritt das Betragsmaximum des Flows in der Exspirationsphase ca. 50 ms nach Bx* spirationsbeginn auf. Der Abtastzeitraum, d.h. die Zeitspanne, in der Meßwert-Tripel abgespeichert werden, muß mindestens gleich der Zeitkonstanten der Lunge sein.

Sollen beispielsweise die Werte für R₁, R₂, C und P_Q bestimmt werden, so kann von dem linearen Gleichungssystem

^pi⁺ 1* i⁺ 2*1 i I * i ~ C ο ~ i * ο i = 1,2,3,4

ausgegangen werden, in dem die Gleichungskoeffizienten aus vier Meßwert-Tripeln (ρ,V und V) gebildet werden. Das lineare Gleichungssystem ist nur lösbar, wenn nicht je zwei der Größen p,V und V linear abhängig sind.

Bei dieser direkten Bestimmung werden alle Meßfehler mitverarbeitet,und außerdem versagt die Berechnung, wenn eine der drei Größen p,V und V konstant ist. Speichert man jedoch eine Mehrzahl, insbesondere eine Vielzahl von Meßwert-Tripeln, so läßt sich das oben angegebene lineare Gleichungssystem in der Minimalbedingung der

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Fehlerquadrate darstellen:

i-n

₊ R₂ . JJ₁1. O₁ - J (V_o - V₁)

^t-t

^t-ti .
wobei V₁- / V(t) . dt

t-0

i - lfd. Nummer des Abtastwertes

η » Anzahl der abgetasteten Wertetripel (p,V, V)

Dabei bedeuten V der Augenblickswert des Flow

V das Volumen der aufgeblasenen Lunge am Inspirations-⁰ ende

ρ der Augenblickswert des Druckes vor dem Munde

P der alveolare Restdruck
ο

R₁ der lineare Teil des Atemwegwiderstandes R₂ der quadratische Teil des Atemwegwiderstandes

C die Compliance, d.h. der Kehrwert der Elastizität der Lunge.

Nach Abspeicherung der erforderlichen Anzahl von Meßwert-Tripeln werden durch das angegebene Gleichungssystem aus η abgespeicherten Meßwert-Tripeln die meßtechnisch optimalen Werte für R^, R₂, C und P berechnet und angezeigt. Die Meßeinrichtung kann nach jedem Atemzug die für diesen Atemzug gültigen Werte von R₁, R₃, C und P anzeigen.

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Der Plow wird bevorzugt im Exspirationszweig gemessen, die Messung ist aber auch im Inspirationszweig oder in der gemeinsamen Atemluftführung möglich.

Die Meßeinrichtung ist auch dann funktionstüchtig, wenn der Patient nicht an ein Beatmungsgerät angeschlossen ist und lediglich Ober einen Meßtubus ein- und ausatmet, wenn durch entsprechende Ventilsteuerung dafür gesorgt wird, daß bei Exspirationsbeginn ρ>0 ist und ρ abfällt, während |v| ansteigt. Die Anwendbarkeit der Meßeinrichtung ist ferner gegeben, wenn sich der Patient im Spontan- oder IMV- oder SIMV-Beatmungszustand befindet, sowie bei PEEP.

In einfacheren Ausführungsformen des Meßgerätes können gegebenenfalls nur zwei pneumatische Lungenparameter, bevorzugt der lineare Teil des Atemwegwiderstandes R. und die Compliance C₁₁ unter Weglassung des quadratischen Teiles des Atemwegwiderstandes R- und des alveolaren

Restdruckes P bestimmt werden,
ο

Durch die Messung werden p, V oder V weder während der Inspirations- noch während der Exspirationsphase beeinflußt. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß ein endexspiratorisches oder ein endinspiratorisches Plateau für p, V oder V erreicht wird; das Vorliegen eines linearen Ausatemwiderstandes bildet ebenfalls keine Voraussetzung für die Anwendbarkeit der Meßeinrichtung, die auch für nicht-lineare Ausatemwiderstände benutzbar bleibt.

Die Genauigkeit des Meßergebnisses steigt mit der Anzahl der abgetasteten Meßwert-Tripel. Diese Anzahl muß um so großer sein, je größer die Meßfehler in den einzelnen

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Bestimmungsgrößen ρ, V und V sind.

In der Zeichnung ist ein Blockschema der Meßeinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt.

In einem durch eine entsprechende Ventilanordnung bestimmten Exspirationszweig 1 befindet sich ein Flowsensor 2, dessen Ausgangssignal in einer Meßwerteinheit als Flowgröße V bestimmt und durch Integration zu einer Volumengröße V umgeformt wird.

In einer gemeinsamen Atemluftführung 4 ist ein Drucksensor 5 vorgesehen, dessen Ausgangsgröße ebenfalls der Meßwerteinheit 3 zugeführt und als ρ bestimmt wird. In der Meßwerteinheit 3 liegen somit zu jedem Zeitpunkt die Größen p, V und V vor. Die Abtastung erfolgt durch Signale aus einer mit einem Mikroprozessor bestückten Rechenvorrichtung 6, welche durch Überwachung der Betragswerte des Flow zusätzlich den Beginn der gewünschten Meßphase (Inspiration oder Exspiration) feststellt.

Die von einer Abtastvorrichtung 7 in der Meßphase abgetasteten Meßwert-Tripel, maximal etwa 250 Meßwert-Tripel, werden in einer löschbaren Speichervorrichtung gespeichert. Am Ende jeder Meßphase werden die Meßwert-Tripel aus der Speichervorrichtung 8 in die Rechenvorrichtung 6 überführt, und dort werden aufgrund linearer Gleichungssysteme nach der Methode der kleinsten Summe der Fehlerquadrate optimale Werte der zu bestimmenden pneumatischen Lungenparameter R^, R-, C und P berechnet und in einer Anzeigevorrichtung 9 angezeigt.

Der Exspirationszweig 1 und ein Inspirationszweig 10 der gemeinsamen Atemluftführung 4 sind im vorliegenden Falle mit einem Beatmungsgerät 11 verbunden.

Claims (3)

nsprüche

1. Einrichtung zur Messung von mindestens zwei der nachfolgend genannten pneumatischen Lungenparametern, nämlich des linearen Teiles des Atemwegwiderstandes R₁, des quadratischen Teiles des Atemwegwiderstandes R2» der Compliance C und des alveolaren Restdruckes P₀, insbesondere in Verbindung mit einem Beatmungsgerät, wobei diese Einrichtung Eingangssignale von einem Drucksensor und von einem Flowmeter aus der Atemluftführung zugeführt werden und bei der ein zeitgesteuerter Integrator aus dem Flowsignal ein entsprechendes Volumensignal bildet, und in der ferner aus diesen Signalen die gewünschten pneumatischen Lungenparameter bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Eingangssignale in Inspirations- oder Exspiratioinsteil des Atem- zyklus eine Abtastvorrichtung (7) vorgesehen ist, an welche zur Abspeicherung der aufgenommenen Eingangssignale eine periodisch löschbare Speichervorrichtung (8) verbunden ist, und eine Recheneinheit (6) sowohl mit der Abtastvorrichtung (7) als auch mit der Speichervorrichtung (8) in Verbindung steht, und daß die Recheneinheit (6) zur Weiterleitung der berechneten Lungenparameter an eine Anzeige- und/ oder Steuervorrichtung (9) angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Integrator zur Volumenbestimmung aus dem Flowsignal eine Volumenmeßvorrichtung vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Recheneinheit (6) mit einem Mikroprozessor bestückt ist.