WO2002024070A1 - Gerät zur schnellen bestimmung der diffusionskapazität einer lunge - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device for determining the diffusion capacity and distribution disorders of the lungs, in which the concentrations of carbon monoxide contained in the inhaled / exhaled air
- One of the important criteria for determining the performance and health of the lungs is their diffusion capacity, i.e. their ability and effectiveness in gas exchange, i.e. H. when submitting the
- Oxygen to the tissue or the circulating blood or the absorption of carbon dioxide from the tissue into the lungs It is determined and depends on the one hand on the given physiological conditions, such as the lung volume, the diffusion distance in the gas phase, the thickness and area of the alveolocapillary membrane and the blood volume in the capillaries, and on the other hand on the functional properties, such as ventilation, perfusion , Distribution disorders, diffusion properties of the separating membrane and the reaction rate of 0 2 and the CO with the hemoglobin. The sum of all of the above factors determines the diffusion capacity.
- Diffusion capacity that better corresponds to the physiological conditions.
- the measurement of the diffusion capacity based on the CO forms the advantage of the much simpler methodology.
- the diffusion capacities measured with oxygen 0 2 not identical in value, but proportional to the diffusion capacity of the carbon monoxide CO.
- the advantage of using CO is that, in contrast to 0 2, a significantly lower pressure is sufficient to achieve full saturation of the hemoglobin.
- the CO is almost completely bound to the hemoglobin, so that the partial pressure of the CO in the lung capillary is so low that it can be neglected.
- the advantage is that one of the most difficult measurement variables when determining the diffusion capacity, namely the mean capillary gas partial pressure, becomes 0.
- the carbon monoxide CO then has the diffusion capacity from the quotient of the amount of gas CO that is absorbed per minute to the average alveolar gas partial pressure, the latter being determined directly from the alveolar air.
- the intrapulmonary gas volume V ( functional residual volume
- D LCO intrapulmonary gas volume * 60 / test duration in
- a determination of the concentration of the carbon monoxide CO is therefore required for the measurement, which is usually done by means of infrared absorption or in some cases with the help of chemical cells; that of helium with the help of thermal conductivity or in apparatus complex cases with the help of gas chromatographs.
- the measurement of the helium concentration with the aid of the thermal conductivity is comparatively slow, so that an average value is obtained over the individual exhalation process. It would be crucial, however, to use a rapidly displaying analyzer for the helium in order to be able to recognize further and more precise values and in particular distribution disorders within the lungs.
- the object of the present invention is therefore to provide an analyzer which permits rapid and continuous analysis of the helium concentration.
- This invention is achieved in that an ultrasound pulse is emitted by a transmitter, and at the same time the lapse of a period that is slightly shorter than the running time in the stationary medium begins after the end of the period the discharge of a capacitor to which one Voltage is applied, begins with a constant current, the discharge is ended with the registration of the ultrasound pulse in the receiver, the voltage still applied to the capacitor is measured and the discharge duration is determined therefrom
- Running time from time span and discharge time is added, the running time measurement is repeated in the opposite direction, the flow rate and / or the molar mass is determined from the different running times. It must be assumed that when determining the diffusion capacity of the lungs, the proportion of carbon monoxide continues to be produced in the known manner, namely by infrared absorption or with the help of chemical cells, which have the advantage of being cheaper, but the disadvantage of much slower analyzes.
- the decisive factor for the invention is the use of ultrasound as a fast analyzer for determining the helium concentration.
- the molar mass of the helium portion to be measured in the exhaled air is determined continuously in discrete steps, from which the density or concentration of the helium can be determined by conversion, ie taking into account the temperature of the air pressure.
- the rapid measurement of the helium allows numerous closely spaced measurement points to be recorded during a single exhalation process that describe a curve.
- an ultrasonic pulse is transmitted essentially in the direction of movement through the medium, the transit time of which on the defined path between the transmitter and the receiver measured and the process repeated immediately afterwards in the opposite direction.
- the speed of propagation of the impulse is increased or decreased by the flow of the medium and the molecular weights and the density or concentration derived from them can be determined from the different values.
- the runtime changes in the order of 1 microsecond. A measurement in the nanosecond range is therefore required to adequately resolve this time interval by dividing it by at least 1000 steps.
- the clocked counters used to count the time between transmission and reception of the signal work with frequencies in the GHz range.
- the actual time measurement only begins shortly before the presumed arrival of the ultrasonic pulse in the receiver, and the charge stored in a capacitor is used for the time measurement.
- the runtime is subject to only minor changes, so that the actual measurement only has to be started shortly before the end of the known runtime in the still medium. It can be determined with a blind test, ie without flow, and then a slightly shorter period of time, e.g. B. 148 instead of 150 microseconds, can be set as a so-called dead time, after which the discharge of a capacitor is started. It is charged with a known amount of charge by the application of a voltage. It is that Specialist possible to discharge it with a constant current, so that the charge stored in the capacitor and thus the electrical voltage decreases continuously.
- the discharge process is then ended when the pulse is registered in the receiver.
- the transit times of the ultrasound pulse are measured with the direction of movement and against the direction of movement and the molar mass of the medium can be calculated using the known formulas. The measures necessary for this, ie the coupling of a
- Receiver to a capacitor as well as the determination of the discharge time and the addition to the dead time and the calculation of the desired measurement results can be carried out automatically by electronic circuits, as is known to the trained expert.
- the advantage of the invention is that the measurement of electrical quantities, such as the voltage applied to the capacitor in mV, can be carried out with inexpensive measuring devices and small measurement errors. Furthermore, the analog output signals with known electrical circuits, e.g. B. operational amplifiers, are processed further, so that the evaluation of the measurement results, ie the summation and difference formation of the transit times, can be implemented in a simple manner. In addition, there is a reduction in the absolute size of the relative due to the short time period in which measurements are taken Measurement error that occurs with each measurement, since an error of 1% in one microsecond falsifies the result less than with the measurement methods mentioned above.
- electrical circuits e.g. B. operational amplifiers
- This proposed ultrasound measurement method allows a precise and at the same time quick determination of the density or concentration of the helium component and thus allows the implementation of devices which, in contrast to mass spectrometers, permit rapid helium analysis with little outlay on equipment, and thus the better assessment of the diffusion capacity and the determination distribution disorders of the lungs.
- the proposed device not only gives the diagnostician much more precise, but also additional values for assessing lung function.
- an advantageous embodiment consists in changing the time period and / or the voltage applied to the capacitor and / or the discharge current. With a change in the applied to the capacitor
- the voltage and the discharge current are adapted to the required measuring range. If, for example, the capacitor voltage is increased, a longer period of time can be measured with a constant discharge current, as is necessary in the case of a fast flow and a large change in the transit time associated therewith. It is also possible to increase the discharge current at the same time, so that the decrease z. B. always the same period of time is assigned to an mV of capacitor voltage in order to obtain a consistently high resolution of the respective measuring range.
- a simplification of the method is to determine the transit time of a pulse in the quiescent medium and to set the voltage and / or the discharge current applied to the capacitor such that the voltage 0V, which is reached after a certain discharge duration, is assigned to the transit time in the quiescent medium is, that the zero crossing of the capacitor voltage, when a positive voltage has been applied, corresponds to the point in time at which a pulse in the stationary medium would be registered in the receiver.
- the measuring range, ie the voltage and the discharge current, is the respective medium
- Molar mass can be converted, whereby the running times differ from the time in the still medium by the same small value.
- One possible method of determining the molar mass is that it is carried out in the still medium. As a result, the transit times of the ultrasonic pulses that are sent through the medium in the opposite direction have the same amount. It is irrelevant according to the invention how the medium in the flow tube is brought into a state of rest, relative to the tube.
- FIG. 1 shows a schematic diagram of the proposed analyzer in the form of a block diagram.
- the subject inhales the gas mixture containing carbon monoxide CO and helium He, which, because they are inspiratory concentrations, are referred to as FICO and FIHE.
- the gas volume is measured with a pneumotachograph.
- the respiration, stopping time and discharge of the expiratory air are electronically controlled using appropriate valves.
- the device is equipped for the determination of the carbon monoxide concentration by infrared absorption called CO-URAS and the concentration of helium is measured by the He analyzer.
- FIHE inspiratory helium concentration
- FICO inspiratory carbon monoxide concentrations
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Abstract
Gerät zur Bestimmung der Diffusionskapazität und von diesen Distributionsstörungen der Lunge, bei dem die in der Ein-/Ausatemluft enthaltenen Konzentrationen von Kohlenmonoxyd CO und Helium He gemessen werden, wobei die He-Konzentration durch Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen zwischen zwei Ultraschallsendern/Empfängern, insbesondere piezoelektrischen Sendern/Empfänger dadurch ermittelt wird, dass ein Ultraschallimpuls von einem Sender (1) abgestrahlt wird, und gleichzeitig der Ablauf einer Zeitspanne, die geringfügig kürzer ist als die Laufzeit im ruhenden Medium, beginnt, nach dem Ende der Zeitspanne die Entladung eines Kondensators, an den eine Spannung angelegt ist, mit konstanter Stromstärke beginnt, mit der Registrierung des Ultraschallimpulses im Empfänger (2) die Entladung beendet wird, die noch am Kondensator anliegende Spannung gemessen und daraus die Entladedauer bestimmt wird, die Laufzeit aus Zeitspanne und Entladedauer addiert wird, die Laufzeitmessung in umgekehrter Richtung wiederholt wird, aus den unterschiedlichen Laufzeiten die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Molmasse bestimmt wird.
Description
Gerät zur schnellen Bestimmung der Diffusionskapazität einer Lunge
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Bestimmung der Diffusionskapazität und von Distributionsstörungen der Lunge, bei dem die in der Ein-/Ausatemluft enthaltenen Konzentrationen von Kohlenmonoxyd
CO und Helium He gemessen werden.
Eines der wichtigen Kriterien zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit und der Gesundheit der Lunge ist deren Diffusionskapazität, also ihre Fähigkeit und Effektivität beim Gasaustausch, d. h. bei der Abgabe des
Sauerstoffes an das Gewebe bzw. das zirkulierende Blut bzw. die Aufnahme von Kohlendioxyd aus dem Gewebe in die Lunge. Sie wird bestimmt und hängt ab zum einem von den gegebenen physiologischen Verhältnissen, wie dem Lungenvolumen, der Diffusionsstrecke in der Gasphase, der Dicke und Fläche der alveolokapillaren Membran und dem Blutvolumen in den Kapillaren und zum anderen auch von den funktionellen Eigenschaften, wie Ventilation, Perfusion, Verteilungsstörungen, Diffusionseigenschaften der trennenden Membran und der Reaktionsgeschwindigkeit von 02 und dem CO mit dem Hämoglobin. Die Summe aller der vorgenannten Faktoren bestimmen die Diffusionskapazität. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit der Verwendung von 02 als auch CO-Gasen, da sie beide gemeinsam die Eigenschaften haben nach der Diffusion aus der Alveole in die Kapillare bzw. in den Erythro- zyten sofort mit Hämoglobin eine chemische Bindung einzugehen. Auf der einen Seite entspricht die Messung anhand des 02 einen Wert der
Diffusionskapazität der den physiologischen Gegebenheiten besser entspricht. Wie im weiteren noch näher erläutert wird, bildet jedoch die Messung der Diffusionskapazität anhand des CO den Vorteil der wesentlich einfacheren Methodik. Nach entsprechenden grundlegenden
Überlegungen sind die Diffusionskapazitäten gemessen mit Sauerstoff 02 wertemäßig nicht identisch, jedoch proportional der Diffusionskapazität des Kohlenmonoxydes CO. Der Vorteil der Verwendung von CO besteht darin, dass im Gegensatz zum 02 ein wesentlich geringerer Druck zur Erreichung der vollen Sättigung des Hämoglobins ausreicht.
Zudem wird das CO fast vollständig an das Hämoglobin gebunden, so dass der Partialdruck des CO in der Lungenkapillare so gering ist, dass er vernachlässigt werden kann. Der Vorteil ist, dass einer der schwierigsten Messgrößen bei der Bestimmung der Diffusionskapazität, näm- lieh der mittleren kapillare Gaspartialdruck zu 0 wird. Damit ergibt sich dann für das Kohlenmonoxyd CO die Diffusionskapazität aus dem Quotienten der Gasmenge des CO, das in der Minute aufgenommen wird, zum mittleren alveolaren Gaspartialdruck, wobei letztere direkt aus der Alveolarluft zu bestimmen ist.
Für die Routinediagnostik haben sich hierbei zwei Methoden für die Bestimmung der CO-Diffusionskapazität, nämlich die Ein- Atemzugsmethode (Single-Breath-Methode) und die Steady-State- Methode, durchgesetzt. Dabei ist die erstere rasch durchführbar und eignet sich daher besonders gut für Reihenuntersuchungen. Voraussetzung ist, dass der Patient für einen bestimmten Zeitraum beispielsweise 10 Sekunden den Atem anhält. Während dieses Zeitraumes diffundiert ein Teil der eingeatmeten CO-Menge aus dem Alveolarraum ins Blut. Hierbei wird dem Probanden ein Luftgemisch angeboten, das außer etwa 21 % Sauerstoff 02 ca. 0,3 % CO und auch 2 - 12 % Helium enthält. Unter der Annahme, dass sich Helium und Kohlenmonoxyd in gleicher Weise in Alveolarraum verdünnen, Helium aber nicht diffundiert, wird mit Hilfe der Differenz zwischen exspirierter und inspirierter Heli-
umkonzentration die ursprüngliche CO-Konzentration in den Alveolen CCOA errechnet, also:
Bei der Berechnung ist zu berücksichtigen, dass die alveolare CO- Konzentration nicht linear, sondern in Form einer e-Funktion abfällt. Zu deren Ermittlung müssen folgende Größen bekannt sein:
1. Das intrapulmonale Gasvolumen V (= funktionelles Residualvolumen
+ Inspirationsvolumen) und
2. die CO- und Heliumkonzentration der Inspirationsluft und der exspirierten Alveolarluft.
Dann lässt sich die Diffusionskapazität folgendermaßen berechnen:
DLCO = Intrapulmonales Gasvolumen * 60/Versuchsdauer in
Sec.*rAtmosphäre = In (CcOABeginn/C-cOAEnde) = 0,0084 * V * In (CHeA * CCoι/(CcoA*CHei))
(Siehe hierzu Veröffentlichungen wie „Die Lungenfunktion" von Ulmer, Reichert, Nolte, Islam, Georg Thiemer Verlag, 4. Auflage, Seite 146, 147).
Für die Messung benötigt man deshalb eine Bestimmung der Konzentration des Kohlenmonoxydes CO, was üblicherweise mittels Infrarotabsorption oder in manchen Fällen mit Hilfe chemischer Zellen erfolgt; die des Heliums mit Hilfe der thermischen Leitfähigkeit oder in apparativ
aufwendigen Fällen mit Hilfe von Gaschromatographen. Die Messung der Heliumkonzentration mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeit geschieht jedoch vergleichsweise langsam, so dass man einen Mittelwert über den einzelnen Ausatemvorgang erhält. Entscheidend wäre jedoch einen schnell anzeigenden Analysator für das Helium zu verwenden, um weitere und genauere Werte und insbesondere Distributionsstörungen innerhalb der Lunge erkennen zu können. Für den Mediziner ergeben sich wesentliche Aufschlüsse daraus, ob die Belüftung der Lunge gleichmäßig oder ungleichmäßig erfolgt, ob also einzelne Bereiche besser und andere weniger oder überhaupt nicht belüftet werden. Bei einer langsamen Analyse erhält man eine Mittelwertbildung, die keine Aussage über Distributionsstörungen zulässt.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist deshalb einen Analysator zur Verfü- gung zu stellen, der eine rasche und kontinuierliche Analyse der Heliumkonzentration zulässt.
Gelöst wird diese Erfindung dadurch, dass ein Ultraschallimpuls von einem Sender abgestrahlt wird, und gleichzeitig der Ablauf einer Zeit- spanne, die geringfügig kürzer ist als die Laufzeit im ruhenden Medium, beginnt, nach dem Ende der Zeitspanne die Entladung eines Kondensators, an den eine Spannung angelegt ist, mit konstanter Stromstärke beginnt, mit der Registrierung des Ultraschallimpulses im Empfänger die Entladung beendet wird, die noch am Kondensator anliegende Spannung gemessen und daraus die Entladedauer bestimmt wird, die
Laufzeit aus Zeitspanne und Entladedauer addiert wird, die Laufzeitmessung in umgekehrter Richtung wiederholt wird, aus den unterschiedlichen Laufzeiten die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Molmasse bestimmt wird.
Voranzustellen ist, dass bei Bestimmung der Diffusionskapazität der Lunge der Anteil des Kohlenmonoxydes weiterhin in der bekannten Weise, nämlich durch Infrarotabsorption erfolgt oder mit Hilfe chemi- scher Zellen, die zwar den Vorteil haben, preisgünstiger zu sein, jedoch den Nachteil wesentlich langsamerer Analysen. Entscheidend für die Erfindung ist die Verwendung von Ultraschall als schnellen Analysator zur Bestimmung der Heliumkonzentration. Dabei wird die Molmasse des zu messenden Heliumanteiles in der ausgeatmeten Luft kontinuier- lieh jedoch in diskreten Schritten bestimmt, aus der sich durch Umrechnung, d. h. unter Berücksichtigung der Temperatur des Luftdruckes die Dichte bzw. Konzentration des Heliums ermitteln lässt. Die schnelle Messung des Heliums erlaubt die Erfassung zahlreicher eng beieinander liegender Messpunkte während eines einzigen Ausatemvorgangs, die eine Kurve beschreiben. Die langsame Messung des Standes der
Technik ergibt hingegen nur den Mittelwert über einen einzigen Ausatemvorgang. Der Kurvenverlauf lässt Rückschlüsse auf die Belüftung der einzelnen Bereiche der Lunge zu. Zwar stehen mit der Methode der Maßenspektrographie ein weiteres schnelles Analyseverfahren zur Ver- fügung, dass jedoch aufgrund des erheblichen apparativen Aufwandes in der Praxis wenig handhabbar ist und sich deshalb nicht empfiehlt. Die Messung der CO-Konzentration kann und soll weiterhin als gemit- telter Wert erfolgen, so dass ein langsamer Analysator problemlos einsetzbar ist. Im Falle von Verteilungsstörungen lässt sich aus deren Grad ein Korrekturfaktor ermitteln, mit dem der CO-Wert korrigierbar ist.
Bei den Ultraschalllaufzeitverfahren wird ein Ultraschallimpuls im wesentlichen in Bewegungsrichtung durch das Medium gesandt, dessen Laufzeit auf der definierten Strecke zwischen Sender und Empfänger
gemessen und der Vorgang unmittelbar danach in umgekehrter Richtung wiederholt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses wird durch die Strömung des Mediums erhöht bzw. erniedrigt und aus den unterschiedlichen Werten lassen sich die Molmassen und daraus abge- leitet Dichte bzw. Konzentration ermitteln. Bei den üblichen geometrischen Bedingungen und bei einer Änderung der Zusammensetzung der ausgeatmeten Luft in der Größenordnung von 5 Volumenprozent ändert sich die Laufzeit in der Größenordnung von 1 Mikrosekunde. Zur hinreichenden Auflösung dieses Zeitintervalls durch eine Unterteilung von mindestens 1000 Schritt, ist also eine Messung im Nanosekundenbe- reich erforderlich. Die verwendeten getakteten Zähler zur Auszählung der Zeit zwischen Aussendung und Empfang des Signals arbeiten mit Frequenzen im GHz-Bereich. Da aber die gesamte Laufzeit ausgezählt wird, ergibt ein relativer Fehler von z. B. nur 1 % bereits Verfälschun- gen, die in der Größenordnung der Laufzeitänderungen liegen. Eine genauere Zeitauflösung, d. h. ein noch schnellerer Zähler ist unrealisierbar, so dass die Erfindung den folgenden Weg gegangen ist:
Die eigentliche Zeitmessung beginnt erst kurz vor dem vermuteten Ein- treffen des Ultraschallimpulses im Empfänger, und die in einem Kondensator gespeicherte Ladung wird zur Zeitmessung verwendet. Wie oben ausgeführt, unterliegt die Laufzeit nur geringfügigen Änderungen, so dass mit der eigentlichen Messung erst kurz vor Ende der bekannten Laufzeit im ruhenden Medium begonnen werden muss. Sie kann mit einem Blindversuch, d. h. ohne Strömung, bestimmt, und danach eine geringfügige kürzere Zeitspanne, z. B. 148 statt 150 Mikrosekunden, als sog. Totzeit eingestellt werden, nach deren Ablauf die Entladung eines Kondensators begonnen wird. Er ist, durch das Anlegen einer Spannung, mit einer bekannten Ladungsmenge aufgeladen. Es ist dem
Fachmann möglich, ihn mit einer konstanten Stromstärke zu entladen, so dass die im Kondensator gespeicherte Ladung und damit die elektrische Spannung kontinuierlich abnimmt. Mit Registrierung des Impulses im Empfänger wird dann der Entladevorgang beendet. Die am Konden- sator anliegenden Spannung wird in die Entladedauer des Kondensators umgerechnet, nach der Formel t = (C x U) : I, mit der Kondensatorkapazität C, der elektrischen Spannung U und dem konstanten Entla- destrom I. Sie wird zu der Totzeit addiert und die Gesamtlaufzeit des Ultraschallimpulses vom Sender zum Empfänger erhalten. Nachdem der Vorgang unmittelbar anschließend in umgekehrter Richtung, d. h. der bisherige Empfänger fungiert als Sender und umgekehrt, wiederholt wurde, sind die Laufzeiten des Ultraschallimpulses mit der Bewegungsrichtung und entgegen der Bewegungsrichtung gemessen und mit den bekannten Formeln kann die Molmasse des Mediums berechnet wer- den. Die hierzu notwendigen Maßnahmen, d. h. die Kopplung eines
Empfängers an einen Kondensator, sowie die Ermittlung der Entlade- zeit und die Addierung zur Totzeit und die Berechnung der gewünschten Messergebnisse kann durch elektronische Schaltungen automatisch erfolgen, wie es dem geschulten Fachmann bekannt ist.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Messung elektrischer Größen, wie der am Kondensator anliegenden Spannung in mV, mit kostengünstigen Messgeräten und geringen Messfehlern durchführbar ist. Des weiteren können die analogen Ausgangssignale mit bekannten elektrischen Schaltungen, z. B. Operationsverstärkern, weiterverarbeitet werden, so dass die Auswertung der Messergebnisse, d. h. die Summen- und Differenzbildung der Laufzeiten in einfacher Weise realisierbar ist. Außerdem ergibt sich durch die geringe Zeitdauer, in der gemessen wird, eine Verringerung der absoluten Größe des relativen
Messfehlers, der bei jeder Messung auftritt, da ein Fehler von 1 % bei einer Mikrosekunde das Ergebnis weniger verfälscht als bei den oben angeführten Meßmethoden. Dieses vorgeschlagene Ultraschallmessverfahren erlaubt eine präzise und gleichzeitig schnelle Bestimmung der Dichte bzw. Konzentration des Heliumanteiles und gestattet somit die Realisierung von Geräten, die im Gegensatz zu Massenspektrome- tern bei geringem apparativem Aufwand eine schnelle Heliumanalyse zulassen und somit die bessere Beurteilung der Diffusionskapazität sowie die Ermittlung von Distributionsstörungen der Lunge. Das vorge- schlagene Gerät gibt dem Diagnostiker nicht nur wesentlich genauere, sondern zusätzliche Werte zur Beurteilung der Lungenfunktion an die Hand.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Um das Verfahren an die verschiedensten Gegebenheiten anzupassen, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, die Zeitspanne und/oder die am Kondensator anliegende Spannung und/oder den Entladestrom zu verändern. Mit einer Veränderung der am Kondensator anliegender
Spannung und des Entladestroms wird eine Anpassung an den erforderlichen Messbereich erzielt. Wird beispielsweise die Kondensatorspannung erhöht, so kann, bei konstantem Entladestrom, eine größere Zeitdauer ausgemessen werden, wie es bei einer schnellen Strömung und einer damit verbundenen großen Änderung der Laufzeit notwendig ist. Ebenso ist es möglich, gleichzeitig den Entladestrom zu erhöhen, so dass der Abnahme z. B. um ein mV an Kondensatorspannung immer derselbe Zeitraum zugeordnet bleibt, um eine gleichbleibend hohe Auflösung des jeweiligen Messbereiches zu erhalten.
Eine Vereinfachung des Verfahrens besteht darin, die Laufzeit eines Impulses im ruhenden Medium zu bestimmen, und die am Kondensator anliegende Spannung und/oder den Entladestrom so einzustellen, dass die Spannung 0V, die nach einer gewissen Entladedauer erreicht wird, der Laufzeit im ruhenden Medium zugeordnet ist, d. h. dass der Nulldurchgang der Kondensatorspannung, wenn eine positive Spannung angelegt wurde, dem Zeitpunkt entspricht, zu dem ein Impuls im ruhenden Medium im Empfänger registriert würde. Dabei ist der Messbereich, d. h. die Spannung und die Entladestromstärke dem jeweiligen Medium
Helium mit seiner Strömungsgeschwindigkeit angepasst. Der Vorteil besteht darin, dass bei einem linearen Ansatz, wie es weiter unten ausgeführt ist, die kleinen Änderungen der Laufzeit, bzw. die gemessene anliegende Spannung nach Entladungsende direkt mit Hilfe bekannter Schaltungen in die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der
Molmasse umrechenbar ist, wobei die Laufzeiten jeweils um den gleichen kleinen Wert von der Zeit im ruhenden Medium abweichen.
In einer Vereinfachung der Berechnung der Schallgeschwindigkeit und/oder der Molmasse des Mediums wird angenommen, dass eine kleine Änderung der Schallgeschwindigkeit proportional ist zu einer kleinen Änderung der Laufzeit, bzw. umgekehrt proportional der Molmassenänderung. Mit der Formel zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit sei diese Linearisierung beispielhaft dargestellt: sie enthält den Term (ti - t2)/(t1 * t2), mit den beiden unterschiedlichen Laufzeiten, die sich jeweils um den kleinen Betrag d von der Laufzeit t0 im ruhenden Medium unterscheiden. Daraus folgt: ((t0+d) - (t0-d)) / (t0 2- d2) = (2*d) / to2.
Da d2 von zweiter Ordnung klein ist, ist es vernachlässigbar, wie eine Abschätzung der Größenordnung ergibt: t0 ist im Ausführungsbeispiel der Zeichnung 150 Mikrosekunden und d ungefähr eine Mikrosekunde, so dass sich ein relativer Fehler von 0,005 % ergibt. Daraus folgt, dass die kleine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit proportional zur kleinen Laufzeitänderung d ist. Diese Näherung gilt natürlich nur in einem begrenzten Bereich, der für jedes Medium und jede Strömungsgeschwindigkeit bzw. Molmasse zu bestimmen ist, d. h. so lange die Abweichung vom tatsächlichen Wert kleiner ist als der Messfehler des Ge- räts. Der Vorteil der Linearisierung besteht darin, dass die am Kondensator gemessenen Spannungen im mV direkt in die Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit oder der Molmasse umrechenbar sind, was mit Hilfe bekannter Schaltungen leicht durchgeführt werden kann.
Ein mögliches Verfahren der Molmassenbestimmung besteht darin, dass sie im ruhenden Medium erfolgt. Dies hat zur Folge, dass die Laufzeiten der Ultraschallimpulse, die in entgegengesetzter Richtung durch das Medium geschickt werden, den gleichen Betrag haben. Dabei ist es erfindungsgemäß unerheblich, wie das Medium im Durch- flussrohr in Ruhezustand, relativ zum Rohr, gebracht wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteil der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand von Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. Sie zeigen eine Prinzipskizze des vorgeschlagenen Analysengerätes in Form eines Blockschaltbildes.
Der Proband atmet das unter anderem Kohlenmonoxyd CO und Helium He enthaltenes Gasgemisch ein, welches, da es sich um jeweils inspiratorischen Konzentrationen handelt als FICO und FIHE bezeichnet sind. Die Messungen des Gasvoluminas erfolgt mit einem Pneumotachografen. Bei der hier interessierenden Ein-Atemzugs-
Methode wird die Atmung, die Anhaltezeit und das Ausschleusen der Expirationsluft durch entsprechende Ventile elektronisch gesteuert. Das Gerät ist zur Bestimmung des Kohlenmonoxyd-Konzentration durch Infrarotabsorption bezeichnet als CO-URAS ausgestattet und die Konzentration des Heliums wird gemessen durch den He-Analysator.
Die hierbei gemessenen Gaskonzentrationen der eingeatmeten Luft (inspiratorische Heliumkonzentration (=FIHE) und inspiratorische Kohlenmonoxydkonzentrationen (FICO) werden mit den jeweiligen exspiratorischen Gaskonzentrationen ermittelt und zusammen mit dem durch den PT erfassten Gasvolumen durch einen Rechner ausgewertet und ausgegeben.
Analysegeräte dieses prinzipiellen Aufbaus sind an sich bekannt; sie verwenden jedoch Heliumanalysatoren, die wesentlich langsamer und damit ungenauer sind, in dem sie Gaskonzentration über die Wärmeleit- fähigkeit messen oder einen wesentlich höheren apparativen Aufbau im
Falle der Verwendung von Massenspektographen erfordern, die zudem keine Aussagen über Verteilungsstörungen erlauben.
Claims
1. Gerät zur Bestimmung der Diffusionskapazität und von diesen Distri- butionsstörungen der Lunge, bei dem die in der Ein-/Ausatemluft enthaltenen Konzentrationen von Kohlenmonoxyd (CO) und Helium (He) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die He- Konzentration durch Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen zwischen zwei Ultraschallsendern/Empfängern, insbesondere piezoelektri- sehen Sendern/Empfänger dadurch ermittelt wird, dass
- ein Ultraschallimpuls von einem Sender (1) abgestrahlt wird, und gleichzeitig der Ablauf einer Zeitspanne, die geringfügig kürzer ist als die Laufzeit im ruhenden Medium, beginnt,
- nach dem Ende der Zeitspanne die Entladung eines Kondensators, an den eine Spannung angelegt ist, mit konstanter Stromstärke beginnt,
- mit der Registrierung des Ultraschallimpulses im Empfänger (2) die Entladung beendet wird,
- die noch am Kondensator anliegende Spannung gemessen und daraus die Entladedauer bestimmt wird,
- die Laufzeit aus Zeitspanne und Entladedauer addiert wird,
- die Laufzeitmessung in umgekehrter Richtung wiederholt wird, - aus den unterschiedlichen Laufzeiten die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Molmasse bestimmt wird.
2. Gerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne und/oder die am Kondensator anliegende Spannung und/oder der Entladestrom variierbar sind.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Laufzeit des Ultraschall-Impulses im ruhenden Medium die am Kondensator anliegende Spannung 0V zugeordnet ist.
4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine kleine Änderung der Molmasse des Mediums die lineare Abhängigkeit von der kleinen Laufzeitänderung angenommen wird.
5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Molmasse im ruhenden Medium durchgeführt wird.
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