DE4118404C2 - Atemgas-Strömungs-Meßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich generell auf medizinische elektronische Geräte für die Beurteilung pneumokardialer Vorgänge während Belastung und für die Abschätzung der pneumokardialen Funktion während statischer Prüfungen. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf ein Strömungs-Meßsystem, das über einen weiten dynamischen Bereich von Atemgas-Strömungen arbeitet für die Beurteilung von Patienten mit unterschiedlichen Graden von Atemstörungen.

Differenzdruck-Pneumotachographen sind seit mehreren Dekaden im Gebrauch. Typischerweise bestehen diese Geräte aus einem rohrförmigen, ein offenes Ende aufweisenden Rahmen mit einem Strömungswiderstandselement bekannten Wertes, das in den Hohlraum desselben eingefügt ist. Das Widerstandselement ist generell als entweder ein oder mehrere Siebe ausgebildet, die quer zur Gasströmungsrichtung positioniert sind, oder als eine Gruppierung paralleler Kapillarrohre innerhalb der Gasströmung. Unter den Bedingungen der Gasströmung erzeugt dies einen Druckabfall über dem Widerstandselement, der abgeschätzt werden kann durch Anschluß von Druckanzapfungen an aufeinanderfolgenden Punkten längs des Rohres mittels eines Differenzdruckwandlers. Als ein Beispiel dieses Typs von Pneumotachographen seien angegeben US 4,463,764, US 3,626,755 und die veröffentlichten Ergebnisse von Fleisch (Pflueger Arch. 209, 713-722, 1925), Lilly (Methods of Medical Research, Chicago, III., Yearbook, 1950, 2: 113-121), Pearce et al (J. Appl. Physiol., Respirat. Environ. Exercise Physiol. 42, 968-975, 1977) und Osborn (Crit. Care, Vol. 6, No. 5: 349-351, 1978).

Die Druckschrift DE 35 29 367 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Lungen­ funktionsanalyse mit einem vom Atemgas eines Patienten durchströmten rohrförmigen Mundstück, in dem quer zur Strömungsrichtung ein als Strö­ mungswiderstand dienendes Drahtnetz eingebracht ist. Die Differenz der Drücke vor und hinter dem Drahtnetz wird ausgewertet; sie ist repräsenta­ tiv für die Strömungsgeschwindigkeit.

Obwohl sie weitverbreitet sind, weisen diese Typen von Pneumotachographen verschiedene Probleme auf bezüglich der genauen Messung des Einatmungs- und Ausatmungs-Flows. Um eine lineare Beziehung zwischen Strömung und Druckabfall aufrechtzuerhalten, müssen die Widerstandelemente eine laminare Strömung aufrechterhalten. Wenn die laminare Strömung in diesen Typen von Pneumotachographen nicht aufrechterhalten wird, ergeben sich unvorhersagbare Linearitäten. Diese Widerstandselemente erzeugen einen Rückwärtswiderstand bezüglich der Strömung, der die Messung stören kann, insbesondere bei Patienten mit einer erheblichen Atemstörung. Darüberhinaus kann der Rückwiderstand bezüglich der Strömungen die Messungen stören. Das Frequenzansprechen des Pneumotachographen ist wichtig, da, wenn die Druckänderung über dem Widerstandselement außer Phase mit dem aktuellen Flow-Signal ist, das Frequenzansprechen eine wichtige Bedeutung hat, wenn eine Phasenausfluchtung für Gasanalysatoren und Strömungssignale während der Gasaustauschmessungen erfolgt.

Ferner werden die Siebe oder Kapillarrohre nach einer kurzen Gebrauchsdauer mit Kondensat oder Speichel beschichtet, wodurch unvermeidlich der Widerstandswert geändert wird. Aufheizen des Pneumotachographen zum Verhindern der Kondensation ist etwas hilfreich, kompliziert jedoch die Berechnungen durch das Kühlen des Widerstandselementes in unvorhersehbarer Weise bei Gasströmungsänderungen. Da es sich um eine befeuchtete Oberfläche handelt, muß das Gerät bei aufeinanderfolgenden Patienten ersetzt oder dekontaminiert werden. Die Konstruktion der Widerstandselemente bewirkt relativ hohe Kosten, was eine Einwegkonstruktion ausschließt. Dekontamination andererseits ist sowohl zeitaufwendig als auch unbequem, weil das Widerstandselement nach dem Reinigen sorgfältig getrocknet werden muß.

Geräte, die keine Widerstandselemente verwenden, erzeugen Druckänderungen als eine Funktion des Quadrats der Strömung. Druckmessungen über einen dynamischen Bereich sind erforderlich für Patienten mit unterschiedlichen Graden von Atmungsstörungen.

Gemäß Empfehlung durch verschiedene Organisationen, wie die American Thoracic Society, American College of Chest Physicians und das National Institute for Occupational Safety and Health, sollten an Patienten vorgenommene Messungen korrigiert werden bezüglich standardisierter Umgebungsbedingungen, insbesondere vollständiger Sättigung, Körpertemperatur und Druck. Traditionell wird dies vorgenommen unter der Annahme, daß die Atmungsgase sich auf Umgebungsraumtemperatur abkühlen und durch Anwendung einer festen Korrektur von etwa 8%. Es ist bekannt, daß Gas dynamisch abkühlt in Abhängigkeit vom Ausatmungsstrom. Gasmessungen bei hohem Flow werden näher der Körpertemperatur liegen als solche bei niedrigem Flow. Das bedeutet, daß bei hohem Flow die Korrektur kleiner ist als bei niedrigem Flow. Die Höhe dieses Fehlers kann 5% erreichen. Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß eine dynamische Korrektur, basierend auf der aktuellen gemessenen Temperatur zu bevorzugen ist. Ein anderer Nachteil des Hans-Rudolph-Tachographenmundstücks besteht darin, daß es einen erheblichen Totraum aufweist, der zu Ungenauigkeiten führt infolge der Tatsache, daß der Patient vorher ausgeatmetes Gas wieder einatmet. Auch dies stört die Ablesungen für jeden O₂- oder CO₂-Analysator, der mit dem Mundstück gekoppelt werden kann.

Ein weiterer Nachteil des Mundstücks nach dem Stand der Technik besteht darin, daß es ein relativ teures Bauteil ist. Da es befeuchtete Oberflächen aufweist, nämlich das Sieb oder die Siebe und das rohrförmige Gehäuse, wird es als Einweggegenstand behandelt um die Möglichkeit der Ausbreitung von krankheitserregenden Viren von Patient zu Patient zu vermeiden. Die hohen Kosten einerseits und das Einwegprinzip andererseits widersprechen einander.

Fachleute werden erkennen, daß bei Atmungsgas-Analysesystemen, verwendet bei der Beurteilung des pneumokardialen Verhaltens das Flow-Meßsystem in der Lage sein muß, über einen weiten dynamischen Bereich arbeiten zu können, so daß es sowohl bei Patienten einsetzbar ist mit gesunden als auch solchen mit erkrankten Pulmonarorganen und sowohl bei Erwachsenen wie auch bei Säuglingen und bei Kindern.

Die vorgenannten Probleme sollen durch die vorliegende Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, einer Lösung näher gebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das speziell konstruierte Mundstück zu niedrigen Kosten in einem einfachen Spritzprozeß hergestellt werden. Das Mundstück umfaßt ein generell rohrförmiges Bauteil mit offenen Enden, und in der Mitte des Rohres ist ein Paar von einstückig angeformten Rippen angeordnet, die einander in Form eines Kreuzes durchsetzen. Jede Rippe weist ein Paar von Hohlräumen auf, die voneinander durch eine Trennwand getrennt sind, wobei jedoch die einander entsprechenden Hohlräume der sich kreuzenden Rippen miteinander in Fluidkommunikation stehen. Jede der Rippen umfaßt eine Serie von sehr kleinen Öffnungen an symmetrisch angeordneten Stellen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Rippen. Ein weiteres Paar von Öffnungen erstreckt sich durch die Dickenabmessung des Rohres, um so Zugang zu den getrennten Hohlräumen in einer der einander kreuzenden Rippen zu schaffen, so daß rohrförmige Sonden in diese Hohlräume einführbar sind.

Die winzigen Öffnungen, die in den Rippen angeordnet sind und zu ihren entsprechenden Hohlräumen führen, funktionieren als Pitot-Rohre, während die Sonden an Druckwandler angeschlossen sind für die Messung des Differenzdrucks in den gepaarten Hohlräumen der Rippen, wenn Atmungsgase über das Äußere der Rippen beim Einatmen und Ausatmen streichen.

Durch das Eliminieren des Widerstandelementes werden die Probleme in bezug auf Rückdruck und Phasenversatz minimiert. Ferner erlaubt dieses Design eine ökonomische Herstellung für das Einwegprinzip bei niedrigen Kosten.

Das Flow-Meßgerät-Mundstück der vorliegenden Erfindung ist ausgebildet zur Verwendung mit einem elektronischen Modul, der über einen weiten dynamischen Bereich von Flows arbeiten kann, typischerweise von etwa 20 ml pro Sekunde bis 20 l pro Sekunde. Dies repräsentiert einen dynamischen Bereich von 10³ bezüglich des Flows, doch muß das Gerät in der Lage sein, einen dynamischen Bereich von 10⁶ zu verarbeiten in bezug auf die Differenzdrücke, welche die Quantität sind, die tatsächlich gemessen wird, um zu diesen Flow-Werten zu gelangen, wobei es sich versteht, daß der Flow proportional ist der Quadratwurzel des Differenzdrucks.

Die vorstehend erläuterte Differenzdruckerfassung über einen so weiten Bereich kann erzielt werden durch Verwendung von zwei getrennten Differenzdruckwandlern, nämlich einem für einen hohen Bereich von Drücken, wie etwa 2,5 bis 120 cm Wassersäule und einem zweiten für einen niedrigen Bereich von etwa 0,0125 mm bis 12,5 mm Wassersäule. Während die in dem System verwendeten Wandler selbst im Handel erhältlich sind, ist der Elektronikmodul gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, daß er den Ausgang von diesen beiden Wandlern in ein einziges Signal umsetzt, das repräsentativ ist für die Strömung durch das Mundstück. Die Druckleitungen von den Pitot-Rohren, die in dem Mundstück vorhanden sind, werden gleichzeitig zu einem Niederdruckwandler in einem ersten Signalverarbeitungskanal geführt und dem Hochdruckwandler in einem zweiten Signalverarbeitungskanal. Der Ausgang von den Wandlern wird jeweils einer ersten Verstärkungsstufe zugeführt sowie einem automatischen Nullkorrekturkreis, der dann einen Befehl zu einer zweiten Verstärkerstufe in jedem Kanal überträgt, um aus dem Ausgang der ersten Verstärkerstufe jeglichen Versatz zu entfernen, der zu dem Zeitpunkt vorliegt, wenn das Instrument eigentlich null anzeigen sollte.

Da die Druckablesung proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit der über die Pitot-Rohre strömenden Atemgase ist und da der Flow proportional der Geschwindigkeit in erster Größenordnung ist, weist der elektronische Modul einen Absolutwert und Quadratwurzelschaltkreis, der an den Ausgang der zweiten Verstärkerstufe angekoppelt ist und demgemäß den bezüglich der Nullablesung korrigierten Druckwert von den Wandlern für niedrigen bzw. hohen Druck empfängt und einen Ausgang erzeugt, der proportional dem Flow ist. Der Ausgang von der zweiten Verstärkerstufe für den Niederdruckkanal wird auch angelegt an einen Nulldurchgangsdetektor, der so ausgelegt ist, daß er ein Logiksignal erzeugt zur Anzeige dafür, ob das Eingangssignal positiv oder negativ bezüglich einer Schwellenspannung ist. Der Ausgang vom Absolutwert/Quadratwurzelschaltkreis in jedem Kanal wird einem Folgeinverter zugeführt, der dazu dient, den Ausgang vom Quadratzwurzelkreis zu puffern, während eine positive wie auch eine negative Quantität entsprechend dem Ausgang von der Quadratwurzelstufe geliefert wird. Diese beiden Werte werden einem Selektorschaltkreis aufgeschaltet, der im Ansprechen auf die Ausgänge des Nulldurchgangsdetektors, verwendet zum Herstellen des Vorzeichenwertes, festlegt, ob der positive oder der negative Ausgang von jedem der Folgeinverter auszuwählen ist.

Aus den Druckschriften US 4,768,386 und US 4,481,829 ist es an sich bekannt, in einen Strömungskanal einer Klimaanlage Rippen quer zur Strömungsrichtung einzubringen, die Hohlräume und Öffnungen aufweisen, wie sie im Patentanspruch 1 definiert sind.

Die Druckschrift US 3,726,271 offenbart Schaltungsanordnungen zum Auswerten des Differenzdrucks bei einem Atemgas-Strömungsmeßgerät.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung des Mundstückabschnitts des Strömungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Mundstücks nach Fig. 1,

Fig. 3 ist eine Ansicht von rechts des Mundstücks aus Fig. 1,

Fig. 4 ist eine Ansicht von links des Mundstücks aus Fig. 1,

Fig. 5 ist ein Querschnitt nach Linie 5-5 in Fig. 4,

Fig. 6 ist ein Querschnitt nach Linie 6-6 in Fig. 4,

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm des Elektronikmoduls, der zusammen mit dem Mundstück nach Fig. 1 das Atemgasströmungsmeßgerät der vorliegenden Erfindung darstellt,

Fig. 8 ist ein Schema der Schaltung, verwendet für das Überwachen der Temperatur des Atemgasstromes und zum Bereitstellen eines Signals für das Ermöglichen der Kompensation des Strömungswertes entsprechend der Temperatur und

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm des digitalen Schaltkreises für die Berechnung und Darstellung der Atemströmungsinformation.

In Fig. 1 ist mit 10 das Einwegmundstück des Durchflußmeßsystems gemäß vorliegender Erfindung bezeichnet. Man erkennt, daß es eine generell rohrförmige, offene Enden aufweisende Hülse oder ein Rohr 12 umfaßt, das vorzugsweise im Spritzgußverfahren oder in anderer Weise aus einem geeigneten, medizinisch zugelassenen Kunststoff besteht oder aus Metall, wie korrosionsfestem Stahl. Kunststoff ist bevorzugt, wenn das Mundstück als Einwegverbrauchsmaterial behandelt wird. Es ist generell symmetrisch, relativ zu einer Ebene, die durch seine Mitte verläuft. Aus der Darstellung nach Fig. 1 kann man erkennen, daß die Wandungsdicke des rohrförmigen Mundstücks 12 geringfügig sich von einem Minimum an den einander abgekehrten Enden 14 und 16 zu einem Maximum nahe dem Mittelpunkt 18 vergrößert, wobei diese Verjüngung sich sowohl auf der Außenoberfläche 20 als auch auf der Innenoberfläche 22 bemerkbar macht.

Zentral in der Mitte 18 des Rohres 12 ist ein Paar hohler, rohrförmiger Rippen 24 und 26 angeordnet, die einander in ihren Mittelpunkten unter Ausbildung eines Kreuzes durchsetzen. Wie im Querschnitt nach Fig. 5 dargestellt, weist jede der Rippen ein Paar von Hohlräumen, wie bei 28 und 30, auf, die voneinander getrennt sind durch eine mittlere Wandung 32. Während die Hohlräume 28 und 30 der Rippe 26 voneinander isoliert sind, stehen sie einzeln in Fluidkommunikation mit zwei Hohlräumen der Rippe 24. Darüber hinaus durchsetzt ein Paar von Öffnungen 31 und 33 die Seitenwandung des Rohre 12, und die Öffnungen reichen getrennt bis in die beiden Hohlräume einer der Rippen 24 oder 26. Die Rippen haben einen rhombischen Querschnitt, und in den einander abgekehrten Spitzen, zugewandt den Enden 14 und 16, befindet sich eine Serie feiner Öffnungen, wie bei 34 und 36 in der linksseitigen Ansicht nach Fig. 4 und wie bei 38 und 40 in der rechtsseitigen Ansicht nach Fig. 3.

Bei der Herstellung werden die Öffnungen 31 und 33, die sich durch die Seitenwandung des Rohres 12 erstrecken, mit einem Damm oder einer Membran abgedichtet. Bei der Benutzung wird ein Paar hohler Nadelsonden (nicht dargestellt) durch die Membranen eingeführt und in die getrennten Hohlräume 28 und 30 der Rippen 26. Die hohlen Nadelsonden werden dann durch entsprechende Rohrleitungen mit den Druckwandlern gekoppelt, die sich innerhalb des noch zu beschreibenden Elektronikmoduls befinden. Wenn die Nadelsonden durch die Membran eingeführt werden, umschließt das Material dicht das Äußere der Nadeln unter Herstellung einer Abdichtung zwischen den Nadeln und dem Mundstück. Wenn die Membranen einmal punktiert worden sind, ergibt sich eine visuelle Anzeige dafür, daß das Mundstück vorher schon benutzt worden war und weggeworfen werden sollte. Nur wenn die Dämme oder Membranen intakt sind, kann man sicher sein, daß das Mundstück noch nicht vorher benutzt worden ist.

Wenn das Mundstück in den Mund eines Patienten eingeführt wird, der pneumokardial untersucht wird, streichen die Atmungsgase beim Ein- und Ausatmen des Patienten über die kreuzförmige Rippenstruktur, und die feinen Öffnungen 34, 36, 38 und 40 arbeiten als Pitot-Rohre unter Bewirken einer Druckdifferenz über der Trennwand 32, welche die Paare einander durchsetzender Hohlräume der Rippen 24 und 26 trennen. Wie im Stand der Technik bekannt, ist die Druckdifferenz proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit des Fluids (der Atmungsgase), das über die Rippen durch die zentrale Öffnung des Rohres 12 strömt. Wegen des symmetrischen Aufbaus des Mundstücks 10 ist diese Druckdifferenz unabhängig von der Drehlage des Mundstücks relativ zum Mund des Patienten. Das bedeutet, daß die Druckdifferenz-Ablesungen sich nicht ändern in Abhängigkeit davon, wie die Rippen positioniert sind, wenn das Mundstück in den Mund des Patienten eingeführt wird.

In Fig. 7 ist das Mundstück 10 dargestellt mit den Nadelsonden 42 und 44, welche in die Probenahmeöffnungen 31 und 33 eindringen. Die Nadelsonden 42 und 44 sind durch entsprechende Rohrleitungen 46 mit den Druckwandlern in einem Niederdruckkanal und dem Hochdruckkanal verbunden.

Die Wandler 50 und 51 werden verwendet, um einen Druckbereich von 0,00254 bis 1016 mm Wassersäule abzudecken. Der Niederdruckwandler 50 hat eine Skalenvollablesung von etwa 12,7 mm Wassersäule, während der Hochdruckwandler 51 einen Skalenvollablesungswert von etwa 1016 mm Wassersäule haben kann. Der Ausgang jedes dieser Wandler, nach entsprechender Verstärkungsfaktoreinstellung und Verschiebungskompensation durch Schaltkreise 52 und 53, umfaßt ein Analogsignal mit Skalenvollausgang jedes Wandlers entsprechend positiven oder negativen 10 Volt, abhängig davon, welche Seite des Druckwandlers auf höherem Druck liegt als die andere Seite. Das heißt, während des Einatmens wird die Seite der Mundstücksrippen 24 oder 26 näher dem Mund der Person auf niedrigerem Druck liegen als die gegenüberliegende Seite, während beim Ausatmen die dem Patientenmund nähere Seite auf einem höheren Druck liegen wird als die stromabwärtsliegende Seite.

Wenn die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Mundstückrippen null beträgt, sollte der Ausgang jedes Wandlers bei null Volt liegen. Sollten kleine Abweichungen von null auftreten, können diese kompensiert werden mittels eines automatischen Nullsetzkreises 54 für die Niederdruckseite und einen entsprechenden Schaltkreis 55 für die Hochdruckseite. Die automatische Nullsetzkreise sind so ausgebildet, daß der Signaleingang verstärkt wird und umgesetzt wird in einen Digitalwert proportional dem Druck, der dann in einem Pufferkreis gespeichert wird. Der Inhalt des Puffers wird dann rückgewandelt in Analogsignalform. Das Analogsignal wird invertiert und gedämpft auf einen entsprechenden Pegel, so daß, wenn es aufsummiert wird mit dem Originalsignal in einem Summierverstärker, wie bei 56 und 57, das Resultat null Volt ergibt. Der Inhalt des Puffers in den automatischen Nullsetzkreisen 54 und 55 wird auf Kommando auf den neuesten Stand gebracht während eines Zeitintervalls, wenn bekannt ist, daß eine Druckdifferenz null über den Nadelsonden vorliegt. Dieser Zustand wird herbeigeführt mittels eines Nebenschlußventils 58, das zwischen die einander gegenüberliegenden Seiten der Mundstücksrippen 24 und 26 gekoppelt ist und durch dasselbe Nullsetzkommando geöffnet wird. Wie oben angedeutet und in der Zeichnung nach Fig. 7 dargestellt, weist jeder Druckumsetzer 50 und 51 seinen eigenen automatischen Nullsetzschaltkreis, wie bei 54 und 55, auf. Der Ausgang des einen oder anderen der Wandler 50 und 51 gelangt in der nächsten Stufe durch einen Schalter 60, der als Überkreuzauswahlschalter bezeichnet wird. Der Schalter 60 wird gesteuert durch ein Signal, erzeugt durch einen Komparator 59, der so ausgebildet ist, daß er den Ausgang des Niederdruckwandlers 50 überwacht. Wenn der Ausgang dieses Wandlers nahe beim Skalenvollausschlag in einer der Richtungen liegt, ändert das Signal vom Komparator 59 seinen Zustand, so daß der Ausgang des Hochdruckwandlers 51 durch den Überkreuzauswahlschalter 60 gelangt anstelle des Niederdrucksignals. Es ist auch festzuhalten, daß der Ausgang des Komparators 59 verwendet wird zum Auswählen eines Verstärkungsfaktorwertes in einer späteren Verstärkerstufe. Der verstärkte hinsichtlich Null kompensierte Ausgang des Niederdruckwandlers am Ausgang des Summierverstärkers 56 ist auch angeschlossen an einen Nulldurchgangs-Detektor 61, dessen Ausgang verwendet wird, das angemessene algebraische Vorzeichen in das Signal in einer späteren Stufe wieder einzuführen.

Das von dem Überkreuzauswahlschalter 60 ausgewählte Signal wird angelegt an einen Analogschaltkreis 62, der einen Spannungsausgang aufweist gleich dem Absolutwert der Eingangsspannung. Dies Signal gelangt zu einem Quadratwurzelschaltkreis 63, dessen Spannungsausgang gleich der Quadratwurzel der an seinem Eingang anliegenden Spannung ist. Der Ausgang des Quadratwurzelschaltkreises wird verstärkt durch eine Stufe 64 mit variablem Verstärkungsfaktor, der gesteuert wird durch das gleiche Signal, das verwendet wird zum Steuern des Status des Überkreuzauswahlschalters 60. Die Verstärkungen werden so eingestellt, daß dann, wenn der Druck gerade hinreicht, das Signal zu ändern, auf das der Absolutwertschaltkreis 62 und der Quadratwurzelschaltkreis 63 einwirken, der Ausgang dieser Verstärkungsstufe 64 stückweise kontinuierlich ist. Als nächstes durchläuft das Signal eine Folgeinverterstufe 65. Der Ausgang dieser Stufe ist entweder gleich dem Eingang zu dieser Stufe oder gleich dem Negativen des Eingangs zu dieser Stufe, abhängig davon, welchen Ausgang der Nulldurchgangsdetektor 61 hat.

Vom Ausgang des Folgeinverters 65 wird das Signal gepuffert durch einen Einheitsverstärker 66, bevor es als Wert des gemessenen Flows in Einheiten von Millilitern pro Sekunde oder Litern pro Sekunde ausgegeben wird, wiederum abhängig davon, ob der Ausgang des Niederdruckwandlers 50 oder der des Hochdruckwandlers 51 verarbeitet wurden.

Der Durchflußmesser 10 nach Fig. 7 ist teilweise weggebrochen dargestellt zur Offenbarung einer Temperatursonde 68, die sich in den Atmungsgasstrompfad durch das Strömungsmeßgerät 10 erstreckt. Die Temperatursonde 68 umfaßt vorzugsweise einen Thermistor der durch die Wandung des Strömungsmessers ragt und elektrische Zuleitungen 70 aufweist, die zu einer Schaltung zum Erzeugen einer Spannung führen, die proportional ist der Temperatur. Der Thermistor 68 umfaßt eine Perle aus temperaturempfindlichem Widerstandsmaterial, die klein genug ist, um eine kurze Reaktionszeit, beispielsweise etwa 150 Millisekunden, aufzuweisen.

Gemäß Fig. 8 umfaßt der Thermistor 68 einen Zweig einer Wheatstone-Brücke, die außerdem feste Widerstände 72, 74 und 76 aufweist sowie einen variablen Widerstand 78, der parallel dem festen Widerstand 74 liegt. Ein festes Potential +V wird abgeleitet von einer geregelten Gleichspannungsquelle einschließlich einer Zehnerdiode 80 in Serie mit einem Festwiderstand 82. Der Brückenausgang wird abgeleitet über den Anschlußpunkten 84, 86 und an die Eingänge eines Operationsverstärkers 88 angelegt über Gleichspannungskoppelwiderstände 90, 92. Ein Rückkopplungswiderstand 94 liegt zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 88 und dem invertierenden Eingang desselben. Der Operationsverstärker 88 ist als Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor ausgelegt, wobei der variable Widerstand des Thermistors 68 die Gesamtverstärkung des Verstärkers steuert, wodurch sein Ausgang direkt proportional der Temperaturänderung ist. Genauer gesagt, führt ein Temperaturanstieg, erfaßt durch das Thermistorelement, zu einer Abnahme seines Widerstandes mit dem resultierenden Effekt, den Ausgang des Operationsverstärkers 88 ansteigen zu lassen. Gleichermaßen führt ein Temperaturabfall, erfaßt durch das Thermistorelement 68, zu einem Anstieg seines Widerstandes, was bewirkt, daß der Ausgang des Operationsverstärkers 88 abnimmt.

Aus dem Gesetz bezüglich idealer Gase ist es bekannt, daß das Volumen einer gegebenen Gasmenge sich linear mit der Temperatur ändert. Dies impliziert, daß bei Feststellung eines Volumens oder einer Strömung von Gas auch eine Temperatur festgestellt oder impliziert werden muß. Für ein Strömungsmeßgerät, wie das gemäß der vorliegenden Erfindung, wo die Temperatur des gemessenen Gases keine Konstante ist, ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, die Temperatur des Gases so zu messen, daß eine angemessene Korrektur bei einer gegebenen Bedingung (etwa einer Standardtemperatur oder Körpertemperatur) berechnet werden kann. Fachleute werden auch erkennen, daß bei einem Gerät vom Pitot-Rohrtyp, der Druck, der über den Nadelsonden erzeugt wird, sich invers mit der Dichte des gemessenen Gases ändert. Die Gasdichte ihrerseits ändert sich linear mit der Temperatur. Um demgemäß ein Gasvolumen oder eine Gasströmung genau zu messen, ist es wichtig, die Temperatur des betreffenden Gases zu kennen.

Wie in Fig. 9 dargestellt, werden die Strömungsinformation vom Ausgang der Schaltung nach Fig. 7 und die Temperaturinformation vom Ausgang der Schaltung nach Fig. 8 an einen Analog-Digital-Umsetzer 96 angelegt, wo auf Zeitmultiplexbasis die Strömungsinformation Temperaturinformation digitalisiert und über einen Bus 98 einem Mikroprozessor 100 zugeführt werden, der entsprechend programmiert ist, um einen Ausgang zu erzeugen für eine Wiedergabeeinrichtung 102 oder für einen Drucker 104 bezüglich der Atemströmung, wobei eine dynamische Kompensation, basierend auf Temperaturänderungen, auf Realzeitbasis vorgesehen ist.

Man kann erkennen, daß die Schaltung nach Fig. 7, wenn sie an das Mundstück nach Fig. 1 in der beschriebenen Weise angekoppelt ist, es ermöglicht, zwei getrennte Wandler zu verwenden, die diskrete Bereich relativ niedrigen und relativ hohen Druckes abdecken und die gemeinsam verwendet werden, um so einen extrem großen dynamischen Bereich von beispielsweise 0,0125 mm Wassersäule bis 116 cm Wassersäule zu überdecken, wobei die Umsetzung des gemessenen Druckes in diesem Bereich auf ein Analogsignal proportional in seiner Amplitude der Atemströmung durch das Mundstück ermöglicht wird und wobei durch eine entsprechende Polarität angezeigt wird, ob die Strömung auf Einatmen oder Ausatmen zurückzuführen ist.

Claims (10)

1. Atemgasströmungs-Meß- und -Anzeigesystem, umfassend ein rohrförmiges Mundstück (10), in dem ein Paar von Rippen (24, 26) in Kreuzform quer zur Längserstreckung des Mundstücks (10) angeordnet ist, von denen jede ein Paar von Hohlräumen (28, 30) aufweist, die sich von einem Ende der Rippe zum anderen erstrecken und mit dem entsprechenden Hohlraum der jeweils anderen Rippe in Fluidkommunikation stehen, und welche Rippen eine Mehrzahl von symmetrisch bezüglich der Mundstückachse angeordnete und mit den Hohlräumen (28, 30) in Verbindung stehende Öffnungen (34, 36, 38, 40) auf­ weisen, wobei die Hohlräume (28, 30) einer der Rippen über ein weiteres Paar von Öffnungen (31, 33), die sich durch die Wandung des Mundstücks erstrecken, für je einen Drucksensor (42, 44) zugänglich sind und mit einer Einrich­ tung zum Auswerten der mittels der Drucksensoren (42, 44) erfaßten Meßwerte.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Drucksensoren Nadelsonden (42, 44) umfassen, die mit der Auswerteeinrichtung in Verbindung stehen.

3. System nach Anspruch 2, bei dem die Auswerteeinrichtung von den Nadelsonden (42, 44) beaufschlagte Druckwandler (50, 51) umfaßt.

4. System nach Anspruch 3, bei dem die Auswerteeinrichtung ein er­ stes Paar von Druckwandlern (51), ausgelegt zum Erfassen relativ hoher Drücke, und ein zweites Paar von Druckwandlern (50), ausgelegt zum Erfas­ sen relativ niedriger Drücke, umfaßt und bei dem die Erfassungsbereiche beider Paare einander teilweise überlappen.

5. System nach Anspruch 4, bei dem Schaltkreise (60-66) für das Umsetzen der von einem der Wandlerpaare (50, 51) erfaßten Druckdifferenz in ein die Gasströmungsrate repräsentierendes Signal vorgesehen sind.

6. System nach Anspruch 5, bei dem jedem Paar von Druckwandlern (50, 51) ein Signalverarbeitungskanal nachgeschaltet ist mit Schaltkrei­ sen (52-56, 53-57) zum Erzeugen einer die Druckdifferenz repräsentieren­ den ersten Analogspannung und mit Schaltkreisen (54, 55) zum Subtrahieren einer zweiten Analogspannung von der ersten, welche zweite Analogspannung das Ausgangssignal des Wandlerpaares bei Druckdifferenz Null zwischen den beiden Rippenhohlräumen repräsentiert.

7. System nach Anspruch 6 mit Schaltkreisen (62, 63) zum Bilden der Quadratwurzel aus der Differenz der beiden Analogsignale.

8. System nach Anspruch 6 mit Schaltkreisen (61, 65) zum Erzeugen eines die Strömungsrichtung durch das Mundstück repräsentierenden Vorzei­ chensignals.

9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Meßein­ richtung (68) für die Temperatur der das Mundstück durchströmenden Gase.

10. System nach Anspruch 9 mit Schaltkreisen (Fig. 8) zum Erzeugen eines die Temperatur repräsentierenden Analogsignals.