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Rhinomanometer mit Widerstandsanzeige
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rhinomanometer gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In der Rhinologie wird mit einem Rhinomanometer der Strömungswiderstand
der Nase gemessen. Dazu wird der Luftstrom V durch die Nase und der transnasale
Druck ap meßtechnisch erfaßt.
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Bei den bisher bekannten Rhinomanometern wurden zur Messung des Luftstromes
V folgende Meßanordnungen angewendet: (1) Der Luftstrom V wird durch einen Strömungswiderstand
geleitet, der aus einem Rphr mit Sieben, Blenden oder Lamellen besteht. Der dabei
auftretende Druckabfall ist proportional zum Luftstrom V. Die Druckmessung erfolgt
mit Metallmembranen, deren Deformation elektromechanisch oder induktiv nachgewiesen
wird. (2) Bei einem anderen bekannten Verfahren wird der Luftstrom aus der Nase
durch ein Rohr von etwa 1 cm Durchmesser geleitet. In dem Rohr befinden sich Hitzdraht-
oder Heißfilmsonden, die die Strömungsgeschwindigkeit messen. Durch eine Eichmessung
wird daraus der Luftstrom V ermittelt. Das Verfahren hat den Vorteil, daß daß Rohr
einen kleineren Strömungswiderstand darstellt.
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Daraus ergebn sich geringere Anforderungen an die Dichtigkeit der
Nasenansatzstücite oder Atemmasken. Der Nachteil der
Meßanordnung
liegt darin, daß zwischen Ein- und Ausatmen kein Vorzeichenwechsel im elektronischen
Signal auftritt, und daß die bekannten Sonden für den klinischen Einsatz zu empfindlich
sind. Beide beschriebenen Meßanordnungen liefern Signale proportional zum Luftstrom
V.
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In der Regel werden die elektronischen Signale des transnasalen Druckes
4p und des Luftstromes V auf einen x-y-Schreiber gegeben. Da in der Nase eine turbulente
Strömung vorliegt, zeigt die x-y-Schreiberkurve während des Atmens folgenden quadratischen
Zusammenhang zwischen dem transnasalen Druck und dem Luftstrom : a p V2 . Daraus
folgt, daß der Strömungswiderstand der Nase R = nicht konstant ist. Dagegen ist
der Quotient ~#p/V2 ein konstanter Wert. Bei den bisher bekannten Rhinomanometern
wird aus der nichtlinearen x-y-Schreiberkurve graphisch oder mit einem Analog-Computer
der konstante Quotient p/V2 ermittelt. Eine ebenfalls angewandte Methode besteht
darin, daß aus der x-y-Schreiberkurve der Luftstrom V15 bei dem festen transnasalen
Druckap= 15 mmH20 angegeben wird. Der Stand der Technik kann zusammengefaßt werden:
Die bisherigen Rhinomanometer benötigen einen x-y-Schreiber, welcher eine nichtlineare
Kurve liefert. Aus der x-y-Schreiberkurve muß die Meßgröße 4p/V' und/oder V15 ,
die den Zustand der Nase kennzeichnet, graphisch oder rechnerisch ermittelt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rhinomanometer
anzugeben, welches einerseits
eine lineare x-y-Schreiberkurve liefert
und anderseits auch in der Lage ist, ohne Benutzung des x-y-Schreibers die Meßgrößen
4 p/VC und/oder V15 anzuzeigen. Der Strömungswiderstand der Meßanordnung soll klein
sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Rhinomanometer mit den
Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, daß zur Ermittlung des Luftstromes eine Meßanordnung angewendet
wird, welche ein Signal proportional zu v2 liefert, entsteht eine lineare x-y-Schreiberkurve,
und es kann durch eine Dividier-Schaltung die Meßgröße 4 p/V' direkt auch ohne x-y-Schreiber
gebildet und angezeigt werden, wobei auch V angezeigt werden kann.
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15 Bei der Meßanordnung wird der dynamische Druck Pv im Luftstrom
gemessen, der von der Strömungsgeschwindigkeit v und der Luftdichte abhängt: pv
= g v2/2. Man läßt den Luftstrom durch eine Querschnittsfläche bekannter Größe strömen
und erhält damit ein Signal pvs Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß in der Praxis ein sehr einfaches Rhinomanometer ohne x-y-Schreiber
mit mindesten einer Anzeigeeinheit für#p/V2 und/oder V15 benutzt werden kann.
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Möchte man zusätzliche Informationen, so kann auch ein x-y-Schreiber
benutzt werden. Die Linearität der x-y-Schreiberkurven im Normalfall erleichtert
wesentlich die klinische Interpretation . Weiterhin zeichnet sich die
angegebene
Meßanordnung durch einen kleinen Strömungswiderstand aus.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Rhinomanometers
gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüc hen gekennzeichnet.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig.1 ein vereinfachstes Schema eines Rhinomanometers gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung; Fig.2 eine Darstellung der Meßanordnung mit
Staurohren zur Messung von Pvs V , wie es mit einem Rhinomanometer gemäß Fig. 1
verwendet werden kann; Fig.3 und 4 jeweils weitere Darstellungen der Meßanordnung
mit einem Staurohr für das Rhinomanometer gemäß Fig.1; Fig.5 und 6 jeweils eine
Darstellung einer Meßanordnung mit Venturi-Rohren für ein Rhinomanometer gemäß Fig.
1; Fig.? ein Schaltungsprinzip für die Manometer in einer Kapazitäts-Brückenschaltung,
wie es in einem Rh inomanometer gemäß Fig. 1 verwendet werden kann.
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In dem vereinfachten Schema des Rhinmanometers in Fig. 1 bedeutet
1 eine Meßanordnung beispielsweise nach Fig. 2-6, durch welche der Luftstrom aus
der Nase geleitet wird. Dazu wird am nasalen Ende ein Nasenansatzstück 2 oder eine
nicht gezeichnete Atemmaske angebracht. Die Meßanordnung liefert ein Signal proportional
zu V2, welches über ein oder zwei Schläuche 3 zum Manometer oder Differenzmanometer
4 geleitet wird. Das Manometer oder Differenzmanometer't kann beispielsweise eine
Kapazität darstellen, deren eine Elektrode als Druckmembran ausgebildet ist. Es
kommen auch die im Patentanspruck 4 erwähnten Manometer infrage. Die Kapazitäts-Änderung
ist Proportional zum Druck und sie kann beispielsweise durch eine Kapazitäts-Brückenschaltung
5 nach Fig. 7 nachgewiesen werden. Der transnasalen Druck 4p wird wie bekannt durch
ein Röhrchen 1 im Mund oder kontralateralen Nasenloch gemessen, wobei der Druck
über einen Schlauch 3' zum Manometer 4'geleitet wird. Das Manometer 4'und die Kapazitäts-Brückenschaltung
5 können ähnlich aufgebaut sein wie 4 und 5. Am Ausgang der Schaltungen 5 und 5'entstehen
elektrische Signale, die proportional zu V2 und zip sind.
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Diese elektrischen Signale können direkt auf die Zeigerinstrumente
6 und 6'gegeben werden. Weiterhin können diese elektrischen Signale auf einen x-y-Schreiber7
oder einen Oszillographen gegeben werden. Weiterhin werden erfindungsgemäß diese
elektrischen Signale auf eine Dividier-Schaltung 8 gegeben. Am Ausgang der Dividier-Schaltung
entsteht ein elektrisches Signal, welches proportional zu Ap/V2 ist. Dieses elektrische
Signal proportional zu ap/;2 kann über den Schalter 9 auf dem Zeigerinstrument 6
angezeigt werden. Zur Linearisierung
kann vorher ein nicht gezeichneter
logarithmischer Verstärker eingeschaltet werden. Das Zeigerinstrument 6 kann auch
so geeicht sein, daß V15 angezeigt wird. Weiterhin ist für #p/v2 und/oder V15eineDigital-Anzeige
möglich, oder diese Meßgrößen können mit dem Schalter 10 mit dem Schreiber 7 aufgezeichnet
werden.
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In Fig. 2 ist eine Meßanordnung 1 mit dem Ansatzstück 2 zur Messung
von V gezeigt. Beim Einatmen wird an dem Staurohr 20 der Luftdruck pO gemessen.
Dagegen wird an dem Staurohr 21 der statische Druck gemessen , welcher gegeben ist
durch pO - g v2/2.
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2 Beim Ausatmen wird am Staurohr 21 pO + <?v/2gemessen und am
Staurohr 20 po. Diese Drucke werden über die Schläuche 3 von Fig. 1 auf das Differenzmanometer
4 geleitet. Die Druckdifferenz beim Ein- und Ausatmen ist also jeweils.- S v2/2
und + gv2/2 . Da v proportional zu V ist, erhält man am Ausgang der Kapazitäts-Brückenschaltung
5 von Fig.1 ein elektrisches Signal proportional zu V2. Da im Idealfall das Staurohr
20 stets pO anzeigt , kann es auch weggelassen werden. Zur Korrektur von Druckabfällen
und zum Schutz des Differenzmanometers kann es jedoch auch beibehalten werden.
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Fig. 3 zeigt eine Meßanordnung 1 mit dem Ansatzstück 2, wobei zur
Vereinfachung nur das Staurohr 21 angebracht ist.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Vereinfachung der Meßanordnung, die nun
nur noch aus dem etwas länger ausgebildeten Staurohr 21 besteht. Dieses Staurohr
21 kann beispielsweise dazu dienen,
den dynamischen Druck im Limen
nasi zu messen.
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In Fig. 5 ist ein Venturi-Rohr gezeigt, welches als Meßanordnung 1
dient. Mit den Rohren 21'und 20'werden die statischen Drucke vor und nach der Einengung
30 gemessen und mit den Schläuchen 3 von Fig. 1 auf das Differenzmanometer 4 gegeben.
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Bekannterweise ist diese Druckdifferenz proportional zu V2.
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Bei dem Venturi-Rohr tritt kein #orzeichenwechsel im Differenzdruck
beim .-Aus- und Einatmen auf.
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In Fig. 6 wird eine Modifizierung des Venturi-Rohres gezeigt, wobei
die Einengung durch einescharfe Blende 30~ ersetzt wird. Im Unterschied zu Fig.
5 tritt hier ein Vorzeichenwechsel auf.
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In Fig. 7 wird eine zweckmäßige Kapazitäts-Brückenschaltung 5 und
5 in Fig. 1 gezeigt, wie sie zum Nachweis der Drucksignale von den Manometern 4
und 4'benutzt werden kann. Ein Oszillator 41 erzeugt eine Hf-Spannung, die auf die
Kapazitäten 42,42',42", und 43 gegeben wird, die Teil eines nicht gezeichneten Lc-Gliedes
ist. Das Manometer 5 oder 5' bildet eine veränderliche Kapazität 45, wobei die Kapazitätsänderung
proportional zum Druck bzw. Differenzdruck ist. Eine Kapazitätsdiode 44 dient zur
Kompensation von Kapazitätsschwankungen, die insbesondere an der veränderlichen
Kapazität 45 durch thermische Einflüße entstehen. Zwischen 42 und 42' sowie ;45und
42" wird die Differenzspannung auf den Differenzverstärker 50 gegeben.
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Das Ausgangssignal von 50 wird durch einen phasenempfindlichen
Gleichrichter
51, der vom Oszillator41 gesteuert wird, gleichgerichtet. Das Signal vom phasenempfindlichen
Gleichrichter 51 wird über das RC-Glied R, C zum Ausgang 52 gegeben. Das Ausgangssignal
wird zur Kompensation von Kapazitätsschwankungen insbesondere der veränderlichen
Kapazität 45 über den Verstärker 60 mit den Widerständen 61, 61, 61" und der Kapazität
62 gegengekoppelt, um die Kapazitätsdiode 44 zu steuern. Durch den Schalter 63 können
verschiedene Zeitkonstanten in der Gegenkopplung realisiert werden Während der Messung
bleibt der Schalter 63 offen und durch den Widerstand 61 und die Kapazität 62 wird
eine große Zeitkonstante gebildet. Zur Nullpunntseinstellung vor der Messung wird
der Schalter 63 geschlossen, wobei durch 61', 60 und 62 eine kleine Zeitkonstante
entsteht.
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Zur Vermeidung von Turbulenzen insbesondere beim Ausatmen können Modifizierungen
in den Fig. 2, 5 und 6 vorgesehen werden, welche den Durchmesser der Luftströmung
in der Meßandordnung 1 langsam vergrößern. Dies kann dadurch geschehen, daß sich
der Durchmesser der Rohre der Meßanordnung 1 längs der Achse #um Austrittsende hin,
welches dem Nasenansatzstück 2 gegenüber liegt, vergrößert.
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Einige Gedanken der Erfindung können auch realisiert werden, wenn
Meßanordnungen benutzt werden, die ein Signal propor-Signal zum Luftstrom V liefern.
In diesem Fall wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Schaltung das Signal
proportional zum Luftstrom quadriert.