DE4243322C2

DE4243322C2 - Verfahren zur Kompensation des Druck- und Temperatureinflusses auf das Messsignal bei plethysmographischen Meßverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4243322C2
Application number: DE19924243322
Authority: DE
Inventors: Thomas Luedde
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2012-12-22
Also published as: DE4243322A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des Druck- und Temperatureinflusses auf das Messsignal bei plethysmographischen Mes sungen bei körperplethysmographischen Messungen in der Lungenfunkti onsdiagnostik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vor richtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13 mit der das Verfahren durchführbar ist.

Die Methode der Plethysmographie an sich wird als bekannt vorausgesetzt. Am Beispiel der Ganzkörperplethysmographie in der Lungenfunktionsdia gnostik wird im Folgenden die Problemstellung erläutert. Die Ganzkör perplethysmographie ist für den praktisch-klinischen Anwendungsbereich eine Methode zur Bestimmung des bronchialen Strömungswiderstandes und der thorakalen Gasvolumina. Physikalische Grundlage bildet das sich aus der allgemeinen Gasgleichung ableitende Boyle-Mariotte'sche bzw. Poisson'sche Gesetz. Methodisch bedingt hat sich die volumenkonstante ganzkörperplethysmographische Methode nach Du Bois gegenüber dem druckkonstanten System durchgesetzt. Dabei wird nach dem Boyle- Mariottschen Gesetzt P.V = konstant dem Druckanstieg in der Kammer das zu messende Volumen zugeordnet.

Der Patient (2) sitzt in einer druckstabilen geschlossenen Kammer (1) und ventiliert über ein Mundstück mit einem Atemstrommesser (3). Aufge zeichnet werden die atemabhängig veränderlichen Größen des Kammer drucks P_K und die Atemstromstärke.

Die ganzkörperplethysmographische Messung erfolgt bei Spontanatmung. Dabei wird der zur Überwindung der Atemwegswiderstände notwendige Alveolardruck durch eine thorakale Volumenänderung erzeugt. Diese Vo lumenänderung erzeugt in der Kammer eine proportionale Druckänderung, welche gemessen und aus der nach speziellen Korrekturen der Alveolar druck bzw. der Atemwegswiderstand berechnet werden kann.

Da die ganzkörperplethysmographische Messung auf einer sehr empfindli chen Druckmessung beruht, werden folgende Änderungen von Druck, Temperatur und Volumen als Störgröße wirksam:

1. Durch Exspiration der auf Körperkerntemperatur erwärmten und ange feuchteten Luft wird zunächst eine Druckerhöhung zu registrieren sein. Mit entsprechender Zeitkonstante ca. 0.1 s kühlt sich die Exspirations luft auf die Temperatur des Kammervolumens ab und bewirkt damit einen Temperaturanstieg in der Kammer. Zusätzlich wird durch die Sättigung der Exspirationsluft mit Wasser - nahezu 100% - ein Druck signal erzeugt, dass der Größe des zu messenden Alveolardrucks ent sprechen kann.
2. Auch die Schrumpfung der Exspirationsluft bedingt durch einen respi ratorischen Quotienten RQ < 1 bewirkt eine Druckänderung in der Ka bine. Der RQ kann dabei sowohl durch eine nährstoffabhängige Stoff wechsellage als auch durch entsprechende Atemmanöver, z. B. Hyper ventilation verschoben sein.
3. Durch den Stoffwechsel des Probanden bedingt wird kontinuierlich Energie an das Kammervolumen abgegeben, wodurch eine Tempera turerhöhung und damit eine kalorisch bedingte Druckerhöhung zustan de kommt. Dieses Drucksignal ist dem messbaren Alveolardruck über lagert.
4. Durch schnelle äußere Druckänderungen P_U verursacht durch Tür schlagen, Gebäudeerschütterungen, Wind u. ä. werden Drucksignale er zeugt, die weit größer als das Messsignal sind.

Um trotz dieser Fehlereinflüsse überhaupt noch brauchbare Messungen zu erreichen, müssen folgende Einschränkungen bzw. zusätzliche Aufwen dungen umgesetzt werden:

Fehler nach Pkt. 1

Dieser Fehler wird dadurch reduziert, dass der Proband aus einem Beutel atmet, der bereits Wasserdampf gesättigte Luft beinhaltet.

Fehler nach Pkt. 3

Dieser Fehler wird momentan durch eine definierte Leckrate an der Kabine in Form eines offenen Schlauchnippels mit dem Ziel einer definierten Druck-Zeitkonstante reduziert. Dabei entstehen aber in Abhängigkeit von der Atemfrequenz erhebliche Amplitudenfehler. So werden z. B. für eine Atemfrequenz von 20/min 1%, 15/min 3-4% und 10/min 8% Amplitu denfehler angegeben. Der resultierende Fehler bei der FRC-Bestimmung (funktionelle Residualkapazität) kann ca. 5-10% betragen.

Fehler nach Pkt. 4

Zur Reduzierung der Störsignale, welche durch äußere Druckänderungen hervorgerufen werden, muss dem Ganzkörperplethysmographen eine vo luminöse ca. 2001-4001 Vergleichskammer bzw. ein Referenzgefäß bei gestellt werden, an welchem das Drucksignal abgegriffen und auf den Ein gang des Differenzdrucksensors geschaltet wird. Dadurch können aber nur rein durch Änderung des Umgebungsdrucks hervorgerufene Störsignale auf ca. 1/20 reduziert werden.

Aus der US 3,511,237 ist eine Vorrichtung zur Kompensation des Druck- und Temperatureinflusses auf das Messsignal bei plethysmographischen Untersuchungsmethoden bekannt. Bei dieser Kompensationsvorrichtung ist ein Kompensationsgefäß vorgesehen, dass zur Erzeugung eines Druck- Referenzsignals zur Kompensation von Druck-Störsignalen dient. Die Druck-Zeitkonstante des Kompensationsgefäßes kann dabei mittels eines einstellbaren Abflusswiderstandes einer Verbindung des Kompensationsge fäßes mit der Umgebungsluft an die Druck-Zeitkonstante der Messkabine angepasst werden, wobei die Druck-Zeitkonstante der Messkabine eben falls über eine Verbindung mit der Umgebungsluft einstellbar ist. Dabei werden die Produkte der Volumenelastizität und des Volumens des Kom pensationsgefäßes sowie der Messkabine aneinander angepasst, sodass Druckschwankungen in der Umgebungsluft keinen Einfluss auf die gemes sene Druckdifferenz zwischen Messkabine und Kompensationsgefäß ha ben.

Aus der US 4,085,741 ist ein Plethysmograph mit einer Kompensation von äußeren Druckstörungen und einem Differenzdruckmesser bekannt.

In dem Bericht "Airway Resistance Measurement during any Breathing Pattern in Man" aus dem "Journal of Appl. Physiol.", 14 (1), 1959, wird von Bartlett, R. G. et al auf den Seiten 89 bis 96 ein Plethysmograph be schrieben, der ebenfalls ein Kompensationsgefäß mit einem besonders kleinen Wärmeübergangswiderstand zur Kompensation von Temperatur einflüssen aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Ver fahren anzugeben, die einfach und mit geringem Aufwand eine weitgehend genaue von beschriebenen Fehlereinflüssen freie, plethysmographische Messung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Patentan sprüche 1 oder 13 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein phasen- und amplituden getreues Kompensationssignal durch nahezu beliebige Kombinationen der Größen Volumen und Abflusswiderstand des Kompensationsgefäßes er zeugt werden kann und damit auch sehr kleine Kompensationsgefäße zur Kompensation geeignet sind, die in der Körperkabine angebracht werden können und damit den temperaturbedingten Fehler zusätzlich ausschalten.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mit geringstem Aufwand bzw. in Relation zum aktuellen Stand stark reduziertem Aufwand die Druckstörsignalunterdrückung erhöht und die temperaturbedingten Störein flüsse entschieden reduziert sind, was dazu genutzt werden kann, die Zeit konstante der Körperkabine zu erhöhen und damit den atemfrequenzab hängigen Messfehler zu reduzieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen geben die Unteransprüche an.

An einem Ausführungsbeispiel, das schematisch und vereinfacht in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. Die dargestellte handelsübliche verschließbare Körperkabine 1 hat ein Vo lumen von ca. 9001 und ist aus einem Alurahmen mit durchsichtigen Ple xiglasscheiben gefertigt.

Sie besitzt eine Ausgleichsöffnung in Form eines offenen Druckanschluss nippels 9, wodurch sich die Druck-Zeitkonstante der Körperkabine 1 zu ca. 7 s ergibt.

Das zylinderförmige dünnwandige (2 mm Wandstärke) Kompensationsge fäß 5 ist aus Aluminium gefertigt. Dünnwandige (0.7 mm Materialstärke), schwarz lackierte Kupferlamellen 15 werden unter Verwendung von Wär meleitpaste 17 so auf dem Kompensationsgefäß 5 montiert, dass eine ver größerte Oberfläche und ein kleiner Wärmeübergangswiderstand resultie ren. An einem Druckanschlussnippel 16 ist das Innenvolumen des Kom pensationsgefäßes 5 von 159 ml mit einem Abflusswiderstand in Form ei ner Glaskappilare 10 verbunden, deren Ende ins umgebende Medium mit Druck P_U führt, sodass sprungförmige Druckänderungen im Kompensati onsgefäß 5 mit einer exponentiellen Ausgleichsfunktion beschrieben wer den können, deren Druck-Zeitkonstante durch die Größe des Abflusswider standes 10 auf die Druck-Zeitkonstante der Körperkabine 1 also ca. 7 s ein gestellt wurde. Der Abflusswiderstand wird bei dem in Zeichnung 1 darge stellten Kompensationsgefäß 5 durch Glaskappilaren 10 von insgesamt 319 mm Länge und einem Innendruchmesser von 0.40 mm realisiert.

Die Amplitude des Druck-Kompensationssignals wird durch Teilung des Abflusswiderstandes 10 in 54 mm und 265 mm lange Stücke und der Ab griff zwischen den Teilwiderständen auf die Größe des Störsignals in der Körperkabine 1 auf 0,3% genau abgeglichen und einem Differenzdruck sensor 11 zurückgeführt.

Die Temperaturzeitkonstante des Körperplethysmographen 1 wurde expe rimentell durch Einschalten einer 100 Watt Glühlampe im geschlossenen Körperplethysmographen 1 zu 14.3 s ermittelt.

Der Druck in dem nach Zeichnung 1 mittels wärmeisolierendem Schaum polysterol 6 installierten Kompensationsgefäß 5 folgt dem temperatur bedingten Druckanstieg im Plethysmographen 1 nahezu unverzögert, so dass bei Einschalten der Energiequelle ein zeitlich und amplitudensynchro nes Drucksignal am Abflusswiderstandsteiler abgegriffen werden kann.

Mit dieser Anordnung werden Fehler durch Druckschwankungen und Tem peraturänderungen kompensiert. Die Störsignalunterdrückung für Ände rungen des Umgebungsdrucks beträgt 35 dB, wobei der Amplitudenfehler mit 0.3% im Vergleich zum verbleibenden Phasenfehler zu vernachlässi gen ist. Bei verkleinertem Störsignal wäre damit eine Erhöhung der Druck- Zeitkonstanten des Körperplethysmographen 1 und damit eine entschei dende Reduzierung des atemfrequenzabhängigen Fehlers möglich.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation des Druck- und Temperatureinflusses auf das Messsignal bei plethysmographischen Messverfahren für die volumenkonstante Ganzkörperplethysmographie in der Lungenfunktions diagnostik, wobei mit einem Kompensationsgefäß (5) ein Druck-Referenz signal erzeugt wird, wobei die Druck-Zeitkonstante des Kompensations zweiges auf die Druck-Zeitkonstante des Meßsystems (1) angepasst wird und das Druck-Referenzsignal nach erfolgtem Amplitudenabgleich zur Kompensation von durch Druck- und oder Temperaturänderungen hervor gerufenen Störsignalen genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation des Störsignals durch die Erfassung von Druck- Referenzsignal und Messsignal mit einem Differenzdrucksensor (11) er folgt, und die Anpassung der Amplitude des Druck-Referenzsignals durch Abgriff über einen geteilten Abflusswiderstand des Kompensationsgefäßes erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeu gung des Druck-Referenzsignals ein Kompensationsgefäß (5) mit einem definierten Abflusswiderstand eingesetzt wird und die Druckgröße in die sem Kompensationsgefäß (5) zur Kompensation des Störgrößenanteils auf dem Messsignal des Körperplethysmographen (1) benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Kompensationsgefäßes (5) für die Güte der Kompensation unbedeu tend ist, und demzufolge bereits sehr kleine Kompensationsgefäße (5) - bei geringen Anforderungen die druckzuführenden Schläuche bzw. Rohre selbst - vorteilhaft einsetzbar sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Anpassung der Druck-Zeitkonstante, der Druck amplitude und der Temperaturabhängigkeit des Druck-Referenzsignals vorzugsweise konstruktiv, aber auch durch eine dem Druckaufnehmer fol gende analoge Schaltung und/oder durch rechentechnische Aufarbeitung des Messsignals erfolgen kann.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Kompensationsgefäß (5) einen kleinen Tempera turübergangswiderstand und eine geringe Wärmekapazität besitzt, und in nerhalb des Körperplethysmographen (1) so installiert ist, dass Drucksigna le bedingt durch Temperaturänderungen beispielsweise durch Energieab gabe der Probanden hervorgerufen am Kompensationsgefäß (5) messbar sind.

6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsgefäß (5) außerhalb des Körperplethysmographen in stalliert ist, die Temperaturänderung hervorgerufen durch Energieabgabe der Probanden mit einem Temperatursensor im Körperplethysmographen gemessen wird, und die Zeitkonstante des Temperatursensorausgangssig nals durch beispielsweise eine nachgeschaltete RC-Kombination oder eine softwaremäßige Verrechnung auf die Temperatur-Zeitkonstante des Kör perplethysmographen angepasst wird und mit dem Drucksignal verrechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des Druck-Referenzsignals mit einem zweiten Drucksensor er folgt und die Anpassung mit einer diesem Sensor nachgeschalteten analogen Schaltung beispielsweise einer RC-Kombination oder entsprechend softwaremäßig erfolgen kann.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass Drucksensoren mit geringer akustischer Nachgiebigkeit bei spielsweise mikrostrukturierte piezoresistive Drucksensoren eingesetzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen und der Abflusswiderstand des Kompensationsgefäßes (5) so di mensioniert sind, dass der Druckabfall nach sprungförmiger Volumenzu gabe die annähernd gleiche Druck-Zeitkonstante wie die des Körperple thysmographen (1) aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, dass Drucksig nale im Körperplethysmographen (1) bedingt durch Energieabgabe des Probanden dadurch kompensiert werden, dass durch die Installation des Kompensationsgefäßes (5) die durch Konvektion und/oder Strahlung des Probanden bedingte Energieabgabe durch das Kompensationsgefäß (5) er fasst und durch dessen geringen Wärmeübergangswiderstand nahezu un verzögert zu einer Temperaturerhöhung im eingeschlossenen Volumen und damit zu einem adäquaten Drucksignal führt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geteil te Abflusswiderstand im einfachen Fall durch zwei in Reihe verschlauchte Glaskapillaren (10) realisiert ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessung vorzugsweise mit Differenzdrucksensoren (11) erfolgt, wo bei der Bezugsdruck der Umgebungsluftdruck ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 12 mit
einem Meßsystem (1),
einem Kompensationsgefäß (5), das ein Druck-Referenzsignal erzeugt,
wobei das Kompensationsgefäß (5) derart ausgebildet ist, dass es die Druck-Zeitkonstante des Kompensationszweiges auf die Druck-Zeit konstante des Messsystems (1) anpasst, und das Druck-Referenzsignal nach erfolgtem Amplitudenabgleich zur Kompensation von durch Druck- und Temperaturänderungen hervorgerufenen Störsignalen nutzt,
dadurch gekennzeichnet, dass,
die Kompensation des Störsignals durch die Erfassung von Druck- Referenzsignal und Messsignal mit einem Differenzdrucksensor (11) er folgt, und
die Anpassung der Amplitude des Druck-Referenzsignals durch Abgriff über einen geteilten Abflusswiderstand des Kompensationsgefäßes erfolgt.