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Gerät zur fortlaufenden Messung des Atemwiderstandes Die Erfindung
bezieht sich auf ein Gerät zur fortlaufenden Messung des Atemwiderstandes. Insbesondere
bezieht sie sich auf ein Gerät, bei welchem in den Weg der Atemluft ein Strömungswiderstand
geschaltet ist, an dem der daran entstehende Druckabfall gemessen wird. Die Atemwege
setzen der durchströmenden Luft einen gewissen Widerstand entgegen, der bei der
Expiration durch einen Überdruck, bei der Inspiration durch einen Unterdruck im
Alveolargebiet überwunden werden muß. Der Strömungswiderstand ist in den oberen
Luftwegen erheblich von der Luftgeschwindigkeit abhängig, während er in den unteren
Luftwegen nur wenig hiervon beeinflußt wird. Dies hängt damit zusammen, daß die
Luft in den oberen Luftwegen stärker verwirbelt ist, in den feineren Verzweigungen
dagegen fast laminar strömt. Aus dem Poiseuilleschen Gesetz ist zu entnehmen, daß
beim Vorliegen laminarer Strömung der Luftwiderstand in einer Röhre vom Rohrdurchmesser
äußerst stark, nämlich in der 4. Potenz, abhängt. Eine Verminderung des Lumens auf
die Hälfte z. B. erhöht den Strömungswiderstand auf das 16fach. Die Messung des
Strömungswiderstandes in den unteren Luftwegen kann daher als besonders empfindlicher
Indikator für die Weite der Bronchien und ihre Veränderungen dienen.
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Zur Messung des Atemwiderstandes sind bereits verschiedene Verfahren
bekanntgeworden. So ist es z. B. bekannt, während der Atmung gleichzeitig die Pleuradruckkurve
und ein Pneumotachogramm zu schreiben. Man erhält den Alveolardruck und einen Quotienten
von Alveolardruck, durch Strömungsgeschwindigkeit den Atemwiderstand. Die Notwendigkeit
einer Pleurapunktion schränkt den Anwendungsbereich der Methode natürlich stark
ein.
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Ferner ist auch ein Verfahren bekannt, den Alveolardruck unblutig
zu messen. Die Atemluft wird dabei durch einen Fleischschirm-Pneumotachographen
ge leitet, dessen Anzeige über eine Differentialdruckkapsel die Strömungsgeschwindigkeit
liefert. Wird die (Dffnung des Pneumotaohographen plötzlich verschlossen, so fällt
mit dem Sistieren des Luftstroms die Ursache für die Druckdifferenz zwischen Lunge
und peripheren Atemwegen weg. Da es nur der Verschiebung einer sehr kleinen Luftmenge
von der Größenordnung eines ccm bedarf, um den Luftdruck im Mund an den Alveolardruck
anzugleichen, dauert der Ausgleich nur einige Tausendstel Sekunden. Sobald er vollzogen
ist, beginnt durch die atembedingte Volumenänderung der Lange in allen Teilen des
nunmehr nach außen abgeschlossenen Systems eine starke Druckänderung, welche die
Atembewegung alsbald stillegt, wenn nicht der Verschluß vorher wieder geöffnet wird.
Registriert man den Druck im Pneu-
motachographen durch eine gentigend trägheitsarme
Vorrichtung, z. B. eine Franksche Kapsel mit optischer Schreibung, so erhält man
Kurven, die man als Verschlußdruckkurven bezeichnet. Diese Verschlußdruckkurve zeigt
im Moment der Unterbrechung einen steilen Anstieg, bzw. Abfall, je nachdem der Verschluß
während der Expirations- oder Inspirationsphase erfolgte. Dieser steile Teil entspricht
dem Ausgleichsvorgang. Sohald er beendet ist, geht die Kurve mit einem Knick in
einen flacheren Verlauf über. Der an der Knickstelle angezeigte Druck entspricht
dem ungestörten Alveolardruck, wenn die Registrierung genügend trägheitsfrei ist.
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Unter der gleichen Voraussetzung kann die Berechnung des Atemwi derstandes
unter Zugrundelegung der Strömungsgeschwindigkei t erfolgen, welche unmittelbar
vor der Unterbrechung herrschte.
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Auch diesem verbesserten Verfahren haften jedoch noch gewisse Nachteile
an. Die Knickstelle in der Registrierkurve ist nicht selten so wenig ausgeprägt,
daß eine genaue Druckablesung sehr schwierig ist.
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Die völlige Unterbrechung des Atemstroms ruft außerdem trotz ihrer
kurzen Dauer bereits gewisse reflektorische Reaktionen im Atemmechanismus hervor.
Dieser Nachteil kann in bekannter Weise dadurch vermieden werden, daß man eine völlige
Ahsperrung der Atemluft unterläßt und nur den Widerstand des Pneumotachographen
kurzzeitig etwas verändert. Die bekannte Anordnung besitzt eine Gabelung für den
Strom der Atemluft, an deren Enden zwei Widerstände angeschlossen sind. Einer dieser
beiden Strömungswiderstände wird durch eine motorbetriebene Sektorenscheibe in jeder
Atemphase dreibis viermal kurzzeitig verschlossen. Solange heide Widerstände offen
sind, kann die Luft durch diese Widerstände strömen, der resultierende Widerstand
ist kleiner als jeder der beiden Einzelwiderstände.
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Wird durch die Sektorenscheibe der eine Widerstand verschlossen, so
steigt der zu überwindende Luftwiderstand auf den Wert des Einzelwiderstandes, der
noch offen ist, an. Die Franksohe Kapsel, die zur Registrierung angeschlossen ist,
- schreibt eine Pneumotachographenkurve, deren Eichung mit dem Gesamtwiderstand
vorgenommen wird. Durch die vorübergehenden Widerstandserhöhungen beim Verschluß
des einen Widerstandes werden auf die Kurve Zacken aufgesetzt, die ähnlich aussehen
wie die, welche bei dem Verfahren gewonnen werden, das mit völligem Verschluß arbeitet.
Der Aleovardruck läßt sich jetzt nicht mehr direkt ablesen, kann jedoch aus den
angezeigten Druckwerten vor und nach der Unterbrechung berechnet werden. Die Endformel
für den gesuchten Wert Wt des inneren Atemwiderstandes ergibt sich in bekannter
Weise mit
dabei bedeutet W den Widerstand, den der Pneumotachograph bei Einschaltung beider
Widerstände besitzt, W2 den Widerstand des Pneumotachographen, wenn der eine zuschaltbare
Widerstand abgeschlossen ist, ferner p den Druckabfall am Pneumotachographenwiderstand,
wobei der Index o bzw. z den Zustand bei offenem, bzw. verschlossenem Abzweigwiderstand
bezeichnen soll.
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Die Erfindung baut auf diesem Verfahren auf. Sie betrifft ein Gerät,
das erlaubt, diese Messungen mit besonderer Genauigkeit und Sicherheit auszuführen,
dabei einfach in der Herstellung und Bedienung ist sowie leioht zerlegt und damit
desinfiziert werden kann. In der Praxis hat sich nämlich gezeigt, daß die bekannte
Parallelschaltung der beiden Strömungswiderstände technisch schwierig zu verwirklichen
ist und daß der Verschluß mittels einer Sektorenscheibe, wie bei dem bekannten Gerät,
zu lange Verschlußzeiten und damit Ungenauigkeiten bei der Messung ergibt.
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Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden.
Sie setzt ein Gerät zur fortlaufenden Messung des Atemwiderstandes, bei welchem
in den Strömungsweg der Atemluft ein Strömungswiderstand geschaltet ist, an dem
der entstehende Druckabfall gemessen wird, wobei dieser Strömungswiderstand periodisch
kurzzeitig verändert und aus den sich dabei ergebenden Druckänderungen der Atemwiderstand
berechnet wird, als bekannt voraus.
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Es ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß zwei hintereinander geschaltete
Strömungswiderstände vorgesehen sind, zwischen denen ein schnell verschließbares
Ventil angeordnet ist. Vorzugsweise ist der in Strömungsrichtung gesehen erste Strömungswiderstand
kleiner, der zweite größer als der normale, zu messende Atemwidlerstand. Weiterhin
soll das Ventil aus zwei ineinandergesteckten, eng aneinanderliegenden Hohlzylindern
bestehen, deren Wandung in Deckung befindliche, lange und schmale, in axialer Richtung
verlaufende Schlitze besitzen, wobei der eine Zylinder gegenüber dem anderen zur
Schließung der Schlitze und damit des Ventils um einen entsprechenden Winkel verdreht
werden kann.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben
werden. Dabei bedeutet die Fig. 1 ein Schema nach der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 einen
Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2 und Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines in
Fig. 1 schematisch als Dreiwegehahn angedeuteten Ventils.
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Dabei bedeutet 4a die eine Stellung und 4 b die andere Stellung, die
das Ventil einnehmen kann.
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Die in Fig. 1 schematisch gezeichnete Anordnung besteht aus einem
Einlaßstutzen 1, der mit einem Mundstück versehen sein kann, durch welches die Atemluft
eingeblasen wird, aus einem ersten Strömungswiderstand 2, aus einem zweiten Strömungswi'derstand
3, aus einem ersten Ventil 4, aus einem zweiten Ventil 5, aus einem Druckwandler
6 und aus einem allenfalls anzuschließenden Registriergerät 7. Der Druckwandler
6 und das Registriergerät 7 können ganz beliebig ausgebildet sein, beispielsweise
kann eine Franksche Kapsel Verwendung finden, andererseits kann aber auch ein elektrischer
Druckwandler, z. B. ein Kondensatormikrophon, eine piezoelektrische Einrichturig
od. dgl. in Verbindung mit einem üblichen Registriergerät, z. B. einem Gleich stromschreiber,
verwendet werden. Das Ventil 5 wird später noch näher beschrieben werden.
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Die Einrichtung aus Fig. 1 arbeitet folgendermaßen: Zunächst ist
das Ventil 4 geöffnet. Die vom Stutzen 1 durch den ersten Strömungswiderstand 2
strömende Atemluft entweicht auf diesem bequemen Wege, nämlich durch das Ventil
4 zur Atmosphäre, ohne den Widerstand 3 zu durchströmen. Nun wird kurzzeitig, etwa
drei- bis viermal während jeder Atemphase, das Ventil 4 geschlossen. Der Schließvorgang
des Ventils 4 soll dabei möglichst wenig Zeit in Anaspruch nehmen, um die Meßgenauigkeit
hochzuhalten. Bei geschlossenem Ventil 4 muß die Atemluft nun außer den Strömungswiderstand
2 auch den Strömungswiderstand 3 durchströmen. Die Druckverhältnisse im Raum 8,
die durch den Druckwandler 6 angezeigt werden, ändern sich also entsprechendì; hieraus
kann in bekannter Weise der Widerstand der Atmungsorgane berechnet werden.
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Die maximale Meßgenauigkeit der Anordnung läßt sich dann erreichen,
wenn der Strömungswiderstand 2 kleiner, der Strömungswiderstand 3 dagegen größer
ist als der normalerweise zu messende Widerstand der Atmungsorgane. Da sich der
normale Widerstand der Atmungsorgane etwa in der Größenordnung von 0,3 mm H2Q/l1min
bewegt, haben sich als geeignete Werte für den Widerstand 2 etwa 0,2, für den Widerstand
3 etwa 0,4 mm H2 0/1/min als zweckmäßig erwiesen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der in Fig. 1 schematisch dargestelllten
erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 2 im Schnitt gezeichnet. Diese Anordnung
besitzt den Vorzug, daß sie einfach im Aufbau und in der Herstellung ist, daß sie
leicht und sicher zusammengesetzt werden kann. ohne daß Verwechslungen der einzelnen
Teile möglich sind, und daß die Anordnung im ganzen sehr leicht zerlegt werden kann,
so daß eine Sterilisierung der einzelnen Teile ohne weiteres möglich ist. Die Anordnung
nach Fig. 2 besteht im wesentlichen aus zwei mit Ansatzstutzen versehenen Kappen
10 und 11, die auf die Enden eines Hohlzylinders 12 aufgesteckt sind. Die Verbitndung
der Kappen 10 mit dem Hohlzylinder bzw. Rohr 12 kann auf irgendeine geeignete Weise,
z. B. durch einen Bajonettverschluß, durch ein Gewinde oder durch eine Nase, die
in eine entsprechende Führung eingreift, bewerkstelligt werden. In den beiden Kappen
10 und 11 sind die in bekannter Weise als Siebe ausgebildeten Strömungswiderstände
2
und 3 angeordnet. Die Kappen 10 bzw. 11 und die die Siebe tragenden
Ringe 2a bzw. 3a sind vorzugsweise mit entsprechenden Vorrichtungen ausgestattet,
die ein Verwechseln der beiden Siebe unmöglich machen; es soll also das Sieb 2 nur
in die Kappe 10, das Sieb 3 nur in die Kappe 11 eingeführt werden können.
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Dies kann z. B. durch entsprechende Ausfräsungen an dem Halter 2a
und den entsprechenden Nasen in der Kappe 10 bewerkstelligt werden, die anders ausgeführt
sind als die entsprechenden Nasen und Ausfräsungen am Ring 3a bzw. der Kappe 11.
Zwischen den beiden Kappen 10 und 11 liegt nun ein weiterer Hohlzylinder bzw. ein
Rohr 13, welches das Rohr 12 eng umschließt und gegenüber diesem verdreht werden
kann. Beide Rohre besitzen Durchbrüche in Form von länglichen Schlitzen 15. Diese
Schlitze liegen in einer Richtung, die der Achsrichtung des Hohlzylinders entspricht.
Sie sind in den Rohren 12 und 13 so angeordnet, daß sie bei entsprechender Verdrehung
der Rohre gegeneinander zur Deckung gelangen und daher der Luft aus dem Innenraum
des Hohl zylinders 12 zu der Atmosphäre außerhalb des Zylinders 13 einen ungehinderten
Durchtritt ermöglichten. Durch eine kleine Verdrehung des Rohres 13 gegenüber dem
Rohr 12 um etwa eine Schlitzbreite kann jedoch dieser Durchtritt der Luft völlig
unterbunde werden. Diese Anordnung stellt also ein sehr schnell schließendes Ventil
dar, das im offenen Zustand der Luft keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt,
im geschlossenen Zustand ein Durchströmen der Luft jedoch völlig verhindert.
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In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Anordnung in Fig. 2 längs der
Linie A-A gezeichnet. Aus Fig. 3 ist die koaxiale Lage der beiden Hohlzylinder 12
und 13 deutlich ersichtlich; die Stellung beider Zylinder ist dabei so gezeichnet,
daß die Schlitze 15 sich in Deckung befinden, das Ventil also geöffnet ist. Der
innere Zylinder 12 ist mit den Kappen 10 und 11 fest verbunden, die wiederum in
den ringförmigen Lagern 16 und 17 liegen. Die Lager 16 und 17 sind an der Apparatur
bzw. einem Stativ befestigt. Der Zwischenring 18 (Fig. 2) wird später noch näher
erläutert werden. Dieser feststehenden Anordnung gegenüber ist der äußere Hohlzylinder
13 dagegen drehbar angeordnet. Die Drehung wird vorzugsweise durch einen Elektromagneten
19 bewerkstelligt, welcher mit dem Zylinder 13 über einen Hebel 20 und eine Nase
14 in Verbindung steht. Wenn die Spule 21 des Elektromagneten 19 unter Strom gesetzt
wird, wird der Anker 22 in die Spule hineingezogen, und der Hebel 20 bewegt die
Nase 14 nach oben. Dadurch werden die beiden Zylinder gegeneinander verdreht, und
die Schlitze 15 sind nicht mehr in Deckung, das Ventil ist also geschlossen. Wird
die Spule wieder stromlos, so wird der äußere Hohlzylinder 13 durch die am Hebel
20 angebrachte Zugfeder 23 wieder in seine Ruhelage zurückgeführt, das Ventil öffnet
sich wieder. Die Betätigung des Elektromagneten 19 kann beispielsweise durch einen
Elektromotor, welcher über eine Nockenscheibe einen Kontakt steuert, betätigt werden.
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Um die Kappe 11, die das Netz 3 trägt, welches nicht dauernd von
der Atemluft durchströmt wird ist vorzugsweise ein Haltering 18 angeordnet, der
in seinem Inneren eine Hseizvorrichtung trägt. Eine Heizung des Strömungswiderstandes,
welcher nicht dauernd eingeschaltet ist, z. B. durch direkten Stromdurchgang ist
an sich bekannt. Diese Heizvorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß bei Reinigung
des Gerätes Schwierigkeiten auftreten können. Bildet man jedoch, wie in der in Fig.
2 gezeichneten Anordnung,
die Heizung als einen Teil der Halterung aus, so werden
die Schwierigkeiten der bekannten Anordnung überwunden. Die Heizung ist von den
zu sterilisierenden Teilen unabhängig und macht deshalb keinerlei Schwierigkeiten
beim Zerlegen des Gerätes.
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Falls, was der Normalfall sein dürfte, die Druckverhältnisse im Raum
8 durch einen Druckwandler 6 in elektrische Signale umgewandelt werden, ist für
die Registrierung dieser Signale ein Registriergerät mit einer verhältnismäßig großen
Zeitkonstante notwendig. Die im allgemeinen bei Arten oder in Kliniken vorhandenen
Schreiber besitzen jedoch eine wesentlich kleinere Zeitkonstante. So wird z. B.
sehr oft ein EKG vorhanden sein, dessen Zeitkonstante normalerweise zwischen 1,5
und 2 Sekunden beträgt.
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Die wesentlich langsameren Atmungsvorgänge, die etwa 4 bis 5 Sekunden
Periodendauer besitzen, werden also von diesem Registriergerät nicht mehr wahrheitsgetreu
aufgezeichnet werden können. Um diese vorhandenen Registriergeräte doch zur Messung
des Atemwiderstandes benützen zu können, ist das Ventil 5 (Fig. 1) vorgesehen. Das
Ventil 5 gestattet es, den Druckwandler 6 vom Raum 8 abzutrennen und ihn zur Atmosphäre
hin über einen Stutzen 24 zu entlüften. Das Ventil 5 wird zusammen mit dem Ventil
4 folgendermaßen gesteuert: Zuerst wird das Ventil 5 so eingestellt, daß der Druckwandler
6 vom Raum 8 abgetrennt ist und mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Das Registriergerät
7 schreibt also für diese Zeit die Nullinie. Kurz vor Betätigung, also dem Schließen
des Ventils 4, wird nun das Ventil 5 in eine Stellung umgeschaltet, in der es den
Raum 8 mit dem Druckwandler 6 verbindet. Die nun vom Registriergerät geschriebene
Zacke ergibt den Anstieg vom Atmosphärendruck auf den Druck, der im Raum 8 herrscht,
solange nur der Widerstand 2 im Strömungsweg der Atemluft liegt. Anschließend daran
wird nun das Ventil 4 betätigt, d. h. aiso, es wird jetzt in den Weg der Atemluft
sowohl der Strömungswiderstand 2 als auch der Strömungswiderstand 3 eingesc'haltet.
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Die sich dabei im Raum 8 ergebende Druckänderung ist so rasch, daß
ihr das Registriergerät 7 ohne weiteres folgen kann. Auf diese Weise werden also
zwei Druckwerte, nämlich der Druck, der bei Einschaltung nur eines Widerstandes,
und der Wert bei Einschaltung beider Widerstände ohne Verzerrung vom Registriergerät
7 geschrieben, da die Vorgänge so kurz hintereinander erfolgen, daß die Zeitkonstante
des Registriergerätes noch keinen Einfluß ausüben kann.
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Die Schaltvorgänge des Ventils 5 und des Ventils 4 müssen dabei nur
in einer Zeitspanne hintereinander erfolgen, die gegenüber der Zeitkonstante des
Registriergerätes 7 klein ist. Die Steuerung der beiden Ventile kann ähnlich wie
die Verdrehung des Zylinders 13 durch einen Elektromagneten erfolgen. Die Steuerung
dieser Elektromagneten wird vorzugsweise wieder über eine Nockenscheibe von einem
Elektromotor bewirkt.
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Das Ventil 5 ist in Fig. 1 schematisch als Dreiwegehahn gezeichnet.
Statt dieses Dreiwegehahns kann auch jede andere, wirkungsgleiche Einrichtung Verwendung
finden. Als Beispiel hierfür ist in Fig. 4 ein magnetisch zu betätigendes Schiebeventil
gezeichnet.
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Dieses Schiebeventil besteht aus einem Gehäuse 26, in dem ein verschiebbarer
Ventilkörper 25 angeordnet ist. In der in Fig. 4a gezeichneten Stellung ist der
Raum 8 mit dem Druckwandler 6 über die Bohrung 251) verbunden. Der Ventilkörper
25 wird dabei durch eine Feder 27 nach oben gedrückt. Wird nun der Elektromagnet
28 erregt, so wird die Feder 27 zusammengedrückt,
nnd der Ventilkörper
25 gleitet in die in Fig. 4b gezeichnete Stellung. Hier ist nun der Druckwandler
6 über die schräge Bohrung 25 a mit dem zur Atmosphäre führenden Stutzen 24 verbunden;
der Druckwandler zeigt also den Atmosphärendruck an, und das Registriergerät schreibt
die Nullinie.
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Kurz vor Schließen des Ventils 4 wird der Elektromagnet 28 wieder
stromlos gemacht, so daß das Ventil in die in Fig.4a gezeichnete Stellung zurückkehrt.
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Der Druckwandler ist nun wieder mit dem Raum 8 verbunden, er zeigt
nun kurzzeitig den Druckabfall am Strömungswiderstand 2 an, dann erfolgt das Schließen
des Ventils 4, und der Druck verändert sich entsprechend den nun eingeschalteten
Strömungswiderständen 2 und 3.
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Durch die Einschaltung dieses zweiten Ventils 5 in die Leitung 9
vom Raum 8 zum Druckwandler 6 ist es also jetzt auch möglich, Registriergeräte zu
verwenden, die für die Registrierung von Atmungsvorgängen eine zu kleine Zeitkonstante
haben. Zur Auswertung der Druckwerte ist es nur notwendig, daß die Verhältnisse
der beiden Druckanzeigen, näm lieb bei Einschaltung eines und bei Einschaltung beider
Strömungswiderstände, richtig wiedergegeben werden.