DE69025171T2

DE69025171T2 - Volumenmessung

Info

Publication number: DE69025171T2
Application number: DE69025171T
Authority: DE
Inventors: David Kerridge; Ian Williamson
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1990-10-17
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: GB2237117B; DE69025171D1; GB8923343D0; EP0450022A1; WO1991005510A1; US5146922A; EP0450022B1; GB9022573D0; GB2237117A; JPH04502270A

Description

Diese Erfindung ist erdacht und bisher hauptsächlich in Zusammenhang mit der Messung des Nasenvolumens entwickelt worden, und es ist sowohl angebracht als auch praktisch, die Erfindung in Bezug auf eine solche Anwendung zu beschreiben. Es versteht sich jedoch von selbst, daß mit der Erfindung auch andere medizinische und nicht medizinische Anwendungen abgedeckt sind.
Das Hauptinteresse ergibt sich aufgrund der Annahme, daß eine Veranlagung für einen als "Mittelohreiterung" bekannten Zustand mit einer kleineren als der normalen Größe der Nasengänge zusammenhängt. Dieser Zustand ist ein üblicher Grund für einen chirurgischen Eingriff bei Kindern, da sonst eine Entwicklungshemmung die Folge wäre. Tatsächlich ist eine derartige Beeinträchtigung der Entwicklung häufig schon vor der Behandlung eingetreten, da die Behandlung nämlich typischerweise nur vorgeschrieben wird, wenn der Zustand wiederholungsbedingt eindeutig erkannt wird.
Angesichts dieser Situation bietet eine geeignete Einrichtung und/oder ein geeignetes Verfahren zur Messung der Größe der Nasengänge potentielle Vorteile, da damit eine frühe Indikation für eine Behandlung möglich ist.
Ein Vorschlag für ein derartiges Verfahren ist in der Tat kürzlich von A.J. Parker und A.R. Maw in einem Artikel vorgelegt worden, der den Titel "Treatment of glue ear in relation to radiographic palatal airway size: a predictor for outcome following adenoidectomy" , der in The Journal of Laryngology and Otology im Januar 1989, Jahrgang 103, S. 66-70, veröffentlicht wurde. Obwohl dieser Vorschlag für den betrachteten Zweck nützlich sein kann, ist jedoch fraglich, ob unter anderen Gesichtspunkten die notwendige zephalometrische Radiographie bei Kindern als ein wünschenswertes Verfahren betrachtet werden kann.
Als zum Stand der Technik gehörig sind bestimmte Volumenbestimmungs- und -überwachungstechniken bekannt. Das deutsche Gebrauchsmuster DE-U-8519715.7 beschreibt ein Meßgerät zur Messung der Atmungsleistung kleiner in einem starren Gefäß untergebrachter Lebewesen über einen längeren Zeitraum. Zur Auswertung der Volumenänderungen während eines solchen Versuchs wird zunächst eine Kalibrierstufe vorgenommen, die darin besteht, daß auf das starre Gefäß eine bekannte Volumenänderung übertragen und daraus das 'Reaktionsvolumen' des Gefäßes berechnet wird.
Die Patentanmeldung EP-A-0 215 433 beschreibt ein Verfahren und ein Gerät zur Messung mechanischer Parameter der Lunge eines Patienten, indem ein vorgegebenes Gasvolumen in die Lunge ein- und wieder ausgepumpt wird. Durch Überwachung der zugehörigen Druckänderungen kann das Verhältnis Lungenvolumen/-druck analysiert werden. Diese Technik bietet jedoch keine Möglichkeit, das absolute Lungenvolumen zu messen, da sich dieses über den Ein- und Auspumpzyklus ändert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die derzeitige Situation zu verbessern, so daß die Größe der Nasengänge auf eine sanftere und deshalb akzeptablere Weise als bisher möglich durch das Nasenvolumen bestimmt werden kann.
Zu diesem Zweck beinhaltet die Erfindung auf allgemeinere verfahrenstechnische Weise ausgedrückt die Volumenmessung eines ersten geschlossenen Raums mit unbekanntem Volumen, indem dieser mit einem zweiten geschlossenen Raum von bekanntem Volumen verbunden wird, eine Änderung des Volumens des zweiten Raums um einen vorgegebenen Betrag, die Erfassung von Darstellungen der jeweiligen Drücke in den Räumen, wobei der zweite Raum sein ursprüngliches bekanntes Volumen sowie sein geändertes Volumen hat, und die Bestimmung eines Maßes des unbekannten Volumens des ersten Raums aus dem bekannten Volumen, der Volumenänderung und den Druckdarstellungen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Raum eine Körperhöhle eines Patienten und der vorgegebene Betrag der bekannten Volumenänderung hinreichend klein relativ zu der Summe des ursprünglich bekannten und unbekannten Volumens ist und die bekannte Volumenänderung sowie die zugehörigen Druckmessungen innerhalb einer hinreichend kurzen Zeitspanne ausgeführt werden, damit aufgrund einer Volumenänderung der Körperhöhle und/oder Leckeffekten kein signifikanter Fehler entsteht.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens bereit.
Die erfindungsgemäße Volumenbestimmung basiert auf einer Anwendung des Boyleschen Gesetzes, wonach PV/T für ein Gas konstant ist, wobei P, V bzw. T Druck, Volumen und Temperatur angeben. Für die Erfindung wird angenommen, daß die Temperatur oder die Temperaturen in den beiden Räumen in dem Maße unverändert bleiben, daß man eine akzeptable Messung erhält. Eine ähnliche Annahme wird bezüglich des unbekannten Volumens gemacht, das nicht notwendigerweise wie im Falle der Nasengänge durch eine starre Begrenzung begrenzt ist. Diese Annahmen haben sich tatsächlich als brauchbar erwiesen, wenn die Volumenänderung einen kleinen Anteil des kombinierten Ausgangsvolumens beider Räume ausmacht, und wenn die Volumenänderung und die zugehörige Druckmessung innerhalb einer kurzen Zeitspanne erfolgen.
Im Falle der Nasengänge ist der interessierende Raum natürlich normalerweise nicht geschlossen: er ist über die beiden Nasenlöcher zur Atmosphäre und über den Gaumen zum Mund und der Lunge offen. Zur Anwendung der Erfindung für die Messung des Volumens der Nasengänge wird demnach vorgeschlagen, einen geeigneten Nasenstöpsel mit einem Schlauch zur Verbindung mit dem zweiten Raum dicht abschließend in ein Nasenloch einzusetzen, während das andere mit der Hand oder ggf. durch eine Klemme geschlossen gehalten wird. Wahlweise kann der zweite Raum mit beiden Nasenlchern durch eine Nasenmaske verbunden werden, die dicht abschließend um die Nase angebracht wird. In jedem Fall kann der Gaumen gleichzeitig dadurch geschlossen werden, daß man den Patienten eine erzwungene orale Ausatmung ausführen läßt, z.B. indem er durch einen Trinkhalm oder einen anderen Schlauch bläst. Des weiteren ist bei solchen Anwendungen der Erfindung die Volumenänderung des zweiten Raums vorzugsweise eine Zunahme, wodurch sich eine entsprechende Druckverringerung einstellt, wodurch mit geringerer Wahrscheinlichkeit als bei einer Druckerhöhung Leckluft durch den Gaumen entweicht, obwohl ein solcher Leckluftverlust bei einer mäßigen Änderung des Druckniveaus, bedingt durch eine proportional kleine Volumenänderung äußerst unwahrscheinlich ist.
Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung wird diese nachstehend anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch darstellt, welche bei der bisherigen Entwicklung der Erfindung für die Volumenmessung der Nasengänge verwendet worden ist.
In der Zeichnung wird der zweite Raum der Erfindung durch den Raum innerhalb eines hohlen, elastischen, kugelförmigen Balls 10 begrenzt. Dieser Ball wird in einer Struktur 20 gehaltert, durch die sein Rauminhalt zwischen zwei Werten verändert werden kann, die jeweils einer verformten und einer weniger oder nicht verformten Konfiguration der Kugel entsprechen.
Die Struktur 20 umfaßt eine Basis 21, die den Ball trägt. Drei gleiche Stäbe 20 ragen parallel abstandsgleich um den Ball angeordnet aus der Basis heraus. Jeder Stab ist mit Gewinde ausgeführt, auf das zwei Muttern 23, 24 in ersten und zweiten vorgegebenen Abständen zur Basis aufgeschraubt sind, so daß die Sätze der Muttern 23, 24 auf den Stäben gleiche parallele Anordnungen bilden. Die näher an der Basis befindlichen Muttern 23 haben einen ersten Abstand, der kleiner ist als der Abstand, um den sich der Ball von der Basis aus erstreckt. Zwischen diesen Anordnungen erstreckt sich eine Platte 25, die mit Öffnungen versehen ist, so daß sie mit Spielpassung über die Stäbe der Struktur 20 gelegt werden kann. Drei Druckfedern 26 sind gleichmäßig um den Ball herum angeordnet, um zwischen der Basis und der Platte zu wirken, wodurch die Platte normalerweise an den am weitesten von der Basis entfernten Muttern 24 anliegt.
Das Innere des Balls ist über einen flexiblen Schlauch 30 mit einem durchbohrten Nasenstöpsel 40 und ebenfalls mit einem Druckwandler 50 verbunden, wobei der Wandler einen Ausgang bereitstellt, der durch ein Meßgerät 60 aufgezeichnet und angezeigt werden kann.
Die Verwendung dieser Vorrichtung erfolgt generell wie in der obigen Einleitung beschrieben. Als vorläufige Einstellung wird die Platte 25 gegen die Federn 26 gepreßt, um auf den näher an der Basis 21 befindlichen Muttern 23 aufzuliegen und um den Ball 10 so zu verformen, daß sich das Volumen seines Innenraums verringert. In dieser Situation wird der Druckwandler 50 kalibiriert, so daß sein Meßgerät 60 einen Sollwert, vorzugsweise Null, anzeigt, der dem atmosphärischen Druck entspricht. Dann wird der Stöpsel 40 dicht abschließend in ein Nasenloch des Patienten eingesetzt, und dieser führt eine erzwungene orale Ausatmung aus, wihrend das andere Nasenloch geschlossen gehalten wird und die Platte wird freigegeben, sodaß sie sich unter Federwirkung bis zur Anlage an den Muttern 24 bewegt. Durch diese letzte Bewegung kann sich der Ball zu einer weniger verformten Konfiguration entspannen, was eine Zunahme seines Rauminhalts zur Folge hat. Gleichzeitig findet eine entsprechende Druckverringerung in dem geschlossenen von dem Ball, dem Schlauch und den Nasengängen gebildeten Gesamtraum statt, und diese Verringerung wird über den Druckwandler und das Meßgerät angezeigt. Da die Werte des Rauminhalts der Kugel in ihren beiden Konfigurationen, des Rauminhalts des Schlauchs, sofern signifikant, des atmosphärischen Drucks und der Druckverringerung sämtlich durch vorherige Messung oder durch Messung in Rahmen des Verfahrens verfügbar sind, kann das Volumen der Nasengänge auf der Basis, daß das Produkt aus Druck und Volumen konstant bleibt, berechnet werden.
Erste Versuche mit einer Vorrichtung und einem Verfahren, wie soeben beschrieben, zeigen, daß an Mittelohreiterung leidende Kinder in der Tat ein kleineres Volumen der Nasenrachengänge haben als Kinder ohne diese Krankheit, und daß die Messung dieses Volumens dementsprechend eine hilfreiche Basis für die Diagnose bildet. Aus dem gleichen Grund kann ein solches Volumen zu diesem Zweck durch den sich von den Nasenlöchern bis zum Punkt des velopharyngealen Verschlusses mit wahrscheinlichem Einschluß der paranasalen Sinusse erstreckenden Raum der Nasenrachengänge, gemessen mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung, dargestellt werden.
Hinsichtlich der zuvor genannten Vorschläge in Zusammenhang mit den die Temperatur und ein nicht starr begrenztes unbekanntes Volumen betreffenden Annahmen ist zu beachten, daß die ersten Versuche eine Volumenänderung von 5 - 10% des fraglichen Nasenvolumens und eine Gesamtzeit von nicht mehr als 5 Sekunden zur Durchführung des Verfahrens beinhalteten.
Andere sich während und aufgrund der Versuche ergebende Erkenntnisse beinhalten die Tatsache, daß der Nasenstöpsel gelegentlich verlegt oder undicht sein könnte. Diese Situation wurde durch die Verwendung eines Stöpsels in Form eines Ballonkatheters verbessert, der dahingehend modifiziert wurde, daß das distale Ende des Katheterschlauchs bündig mit dem Ballon abgeschnitten wurde. Eine bedenkenswerte Alternative ist eine dicht um die Nase abschließende Nasenmaske, durch die mögliche Lecks sowie Beschwerden des Patienten durch das Verschließen eines Nasenlochs und den Stöpsel in dem anderen Nasenloch vermieden werden.
Eine weitere Erkenntnis bestand darin, daß man die Volumenänderung mit Hilfe eines kraftbetätigten Kompressors oder einer Pumpe zur Erzielung einer größeren Gleichmäßigkeit in besserer Weise und rasch bewirken könnte, wobei diese Änderung leicht einstellbar ist. In der Tat wird vorgeschlagen, daß der Patient in einen Schlauch mit einem Druckwandler oder einem sonstigen Wandler bläst, um eine Anzeige zu erhalten, wann zum Zwecke des Verfahrens eine hinreichende Ausatmungsleistung erbracht wurde, und eine derartige Anzeige könnte zur Auslösung einer kraftbetätigten Volumenänderung herangezogen werden.
Eine verwandte Erkenntnis besteht darin, daß die Erbringung einer ausreichenden Leistung durch ein Kind zum Zwecke des Verfahrens durch eine sensorische Stimulanz gefördert wird, Z.B. in sichtbarer Form durch eine 'Party Blower'-Einrichtung (aufblasbare Faschingsschlange).
Eine weitere Erkenntnis besteht darin, daß der Druck innerhalb der Volumina vorzugsweise auf kontinuierlichem und graphischem Wege angezeigt wird, wie er sich während des Verfahrens mit der Zeit ändert. Dies kann dazu dienen, anhand des Gradient aufzuzeigen, ob eine signifikante Undichtigkeit vorliegt.
Obwohl die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf die dargestellte Ausführungsform und die Messung des Volumens der Nasengänge beschrieben worden ist, hat dies keine einschränkende Absicht. In Zusammenhang mit der Erfindung wird dies bereits durch die soeben erwähnten Erkenntnisse offensichtlich. Was andere Anwendungen als die Messung der Nasengänge betrifft, so können diese medizinischer oder nicht medizinischer Art sein, wie weiter oben angegeben. Eine Anwendung kann z.B. ähnlich wie für das Volumen der Nasengänge erfolgen, jedoch bei geschlossenem Mund oder bei geschlossenen beiden Nasenlöchern und einer Verbindung über ein Mundstück, um ein Maß der Rest- oder anderer Lungenvolumina zu erhalten. Diese Messung kann von diagnostischem Wert sein, z.B. bei der Unterscheidung zwischen Sinusitis mit verlegtem Ostium und Rhinitis. Eine nicht medizinische Anwendung ist in solchen Situationen eindeutig von potentiellem Nutzen, in denen herkömmliche Meßtechniken aus irgendwelchen Gründen unzureichend sind.

Claims

1. Verfahren zur Volumenmessung eines ersten geschlossenen Raums mit unbekanntem Volumen, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

Verbinden des ersten Raums mit einem zweiten geschlossenen Raum (10) von bekanntem Volumen, Ändern des bekannten Volumens des zweiten Raums um einen vorgegebenen Betrag, Erfassen der Darstellungen der jeweiligen Drücke in den Räumen, wobei der zweite Raum sein ursprüngliches bekanntes Volumen sowie sein geändertes Volumen hat, und Bestimmen eines Maßes des unbekannten Volumens des ersten Raums aus dem bekannten Volumen, der Volumenänderung und den Druckdarstellungen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Raum eine Körperhöhle eines Patienten und der vorgegebene Betrag der bekannten Volumenänderung hinreichend klein relativ zu der Summe des ursprünglich bekannten und unbekannten Volumens ist und die bekannte Volumenänderung sowie die zugehörigen Druckmessungen innerhalb einer hinreichend kurzen Zeitspanne ausgeführt werden, damit aufgrund einer Volumenänderung in der Körperhöhle und/oder Leckeffekten kein signifikanter Fehler entsteht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Höhle um die Nasengänge handelt und daß während der Durchführung der Volumenänderung und der zugehörigen Messungen diese Höhle am Gaumen geschlossen und über mindestens ein Nasenloch verbunden ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhle über ein Nasenloch verbunden ist, während das andere Nasenloch geschlossen ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhle über beide Nasenlöcher verbunden ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaumen durch erzwungene orale Ausatmung seitens des Patienten geschlossen ist.

6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bekannte Volumenänderung eine Zunahme des ursprünglichen Volumens darstellt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: eine Hohlkammer (10), die den zweiten geschlossenen Raum begrenzt, wobei die Kammer eine variable Konfiguration zur Änderung des Raumvolumens zwischen zwei bekannten Werten hat; eine schnellansprechende Betätigungseinrichtung (20) zur Anwendung auf die Kammer und zur Änderung derselben zwischen zwei bekannten Werten innerhalb einer Zeitspanne von nicht mehr als 5 s; Einrichtungen (30, 40) zur Verbindung der Kammer mit dem ersten geschlossenen Raum; und Einrichtungen (50, 60) zum Erhalt der Druckdarstellungen innerhalb dieser Zeitspanne, wobei die Verbindungseinrichtungen (30, 40) für die Verbindung mit dem Nasengangvolumen eines Patienten ausgeführt sind.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer elastisch in Richtung einer Konfiguration mit einem der beiden Werte vorgespannt ist und die Betätigungseinrichtung freigebbar aktiviert werden kann, um die Kammer gegen ihre Vorspannung in einer Konfiguration mit dem anderen der beiden Werte zu halten.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betatigungseinrichtung zur Herbeiführung der Volumenänderung in der Kammer kraftbetätigt ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein schlauchförmiges Element, das zur Herbeiführung einer erzwungenen oralen Ausatmung durch den Patienten dient.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Element über eine sensorische Stimulanzeinrichtung für den Patienten verfügt, die als Reaktion auf die Luftbewegung durch das Element aktivierbar ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Element über eine Wandlereinrichtung verfügt, die als Reaktion auf die Luftbewegung durch das Element aktivierbar ist, um einen vorgegebenen Grad der Ausatmung seitens des Patienten anzuzeigen.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung bei ihrer Aktivierung die Betatigungseinrichtung mit Energie versorgt.

14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen einen Schlauch (30) umfassen, der an einem Ende mit der Kammer und am anderen Ende mit einem durchbohrten Nasenstöpsel (40) verbunden ist.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen einen Schlauch (30) umfassen, der an einem Ende mit der Kammer und am anderen Ende mit einer Atemmaske verbunden ist.

16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdarstellungs-Einrichtung eine kontinuierliche graphische der mit der Volumenänderung einhergehenden Druckänderungen bereitstellt.