NO301210B1 - Anvendelse av sensorer for måling av et individs respirasjonstidevolum - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår innvendig måling av et individs respirasjons-tidevolum, det vil si strømmen av et fluid inn i, i eller ut av et levende legeme, samt respira-sjonstidevolumet pr. tidsenhet.

Nærmere bestemt angår oppfinnelsen anvendelsen av sensorer for måling av respirasjons-tidevolum og respirasjonstidevolum pr. tidsenhet.

Oppfinnelsen finner særlig anvendelse for registrering og måling av respirasjon hos mennesker, fortrinnsvis under søvn.

Søvn er en periodisk og som regel rytmisk opptredende tilstand med nedsettelse av den fysiske og mentale aktivitet. Søvnen medfører en immobilitet som er energisparende, forbrenningen i kroppen avtar, musklene avspennes, åndedrett og hjerteaktivitet blir langsommere og blodtrykket avtar.

I denne tilstand bygges det opp og avlagres det nye energi-forråd og søvnen blir derfor en livsbetingelse for levende vesener.

Det er derfor av avgjørende betydning at søvnkvaliteten er tilfredsstillende og at forstyrrelser kan avhjelpes.

Av de problemer som kan føre til forstyrret søvn hos et individ er forskjellige typer hindere i luftveien, svikt i sentrale mekanismer og så videre. Slike problemer kan være så alvorlige at de i tillegg til en rent fysisk forstyrrelse av søvnen kan føre til en reduksjon og eventuelt stans i oksygentilførselen med de følger dette får for hjernevirksom-het, hjerte-kar-systemet og andre organer, på kort og lang sikt.

I tillegg til de problemer dette medfører for det angjeldende individ er et problem som snorking også et familie/sosialt problem på grunn av de forstyrrelser snorking kan medføre for andre mennesker i deres, for hver enkelt, nødvendige søvnperiode.

For å undersøke pasienter med søvnproblemer er det etablert teknikker for å registrere og å måle en rekke fysiologiske parametre som for eksempel EKG, oksygenmetningen i blodet, liggestilling, fysisk aktivitet, EEG, øyebevegelse og respirasjon. Videre kan man måle lufttrykk, hjertelyd og hjertefrekvens. Disse parametre er viktige i forbindelse med å diagnostisere pasienters tilstand.

Foreliggende oppfinnelse angår måling av respirasjonstidevolum i et legeme ved anvendelse av en eller flere sensorer plassert innvendig i legemet og ved utnyttelse av sensorenes termiske egenskaper.

Når det gjelder respirasjon, det vil si inn- og utånding, er det viktig å klarlegge de såkalte "apnea"- og "hypopnea"-perioder under søvnen, det vil si perioder med mer eller mindre opphør av respirasjon.

Pasientens respirasjon kan måles på forskjellig vis og basert på forskjellige prinsipper. For størst nøyaktighet i målingen brukes ofte en heldekkende maske, det vil si en maske som dekker hele området over nese og munn, forbundet med et måleinstrument, for eksempel en respirator, ventilator eller lignende. Imidlertid er denne måten å måle på lite hensikts-messig i forbindelse med vanlige målinger og registreringer under søvnen, da pasientens søvn lett blir påvirket av den slags målinger.

Måling og registrering av respirasjons-tidevolum under søvn gjøres vanligvis ved å benytte temperaturfølsomme sensorer anbragt mellom munn og nese hos pasienten slik at sensorene utsettes for påvirkning fra luften som pustes inn og ut, slik det for eksempel er beskrevet i US 311.875-A. Da luftens temperatur er forskjellig ved inn- og utånding kan man ved egnet måle- og registreringsteknikk fremstille det signal som avgis fra sensorene som en grafisk respirasjonskurve.

I den senere tid er det også tatt i bruk trykk-måling og registrering på flere steder i respirasjonsveiene. Ved å måle trykkvariasjonene under inn- og utånding på bestemte steder i respirasjonsveien vil man kunne bli i stand til å lokalisere luftveisobstruksjoner i søvnperioden, for eksempel ved tilbakefall av tungen. Slike trykkmålinger kan utføres ved hjelp av såkalte mikrotip-sensorkatetere, det vil si tynne plastslanger med små, innmonterte trykk-sensorer. Det kan imidlertid også gjennomføres ved hjelp av væske- eller gassfylte katetere og overføring av trykk til trykksensorer utenfor legemet.

Trykk-relaterte målesignaler, både fra direkte og inndirekte trykk som utøves på disse sensorene, formidles videre til et såkalt søvnregistreringsutstyr og presenteres som trykk-kurver, for eksempel på dataskjermen til en PC, i tillegg til presentasjonen av andre søvnparametre som nevnt ovenfor.

Da slike trykk-sensorer vanligvis er mer eller mindre temperaturfølsomme av natur er det viktig for målenøyaktig-heten at det kompenseres for temperatureffektene slik at temperatur-svingninger på trykksensorene har minimal innvirkning på trykk-signalene.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å anvende temperatureffektene i i og for seg kjente sensorer, herunder også trykk-sensorer, til innvendig registrering og måling av respirasjon.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse anvendelse av en eller flere i og for seg kjente trykksensorer med temperaturfølsomhet eller andre temperaturfølsomme sensorer, anordnet i en eller flere posisjoner i det indre av et individs respirasjonsvei, der sensorens eller sensorenes termiske effekter utnyttes for måling av individets respirasjons-tidevolum .

Oppfinnelsen angår videre anvendelse som beskrevet ovenfor av en eller flere sensorer for måling og registrering av respirasjons-tidevolum, simultant med registrering og måling av andre parametre som trykk, lyd, temperatur, under utnyttelse av en og samme sensor, eller separate sensorer.

Det finnes kommersielle sensorer som er egnet til dette formål.

Av kjent teknologi for trykk-sensorer på dette området skal det henvises til US 4.554.927 som beskriver en trykk- og temperatur-sensor basert på et piézoresistivt element, tildannet fra et silisiumkrystall. Den ifølge dette dokument beskrevne innretning synes uegnet til registrering av respirasjons-tidevolum da den formodes å reagere for langsomt til formålet.

Av annen kjent teknikk skal det henvises til:

US 5.113.868-A som viser en trykk-sensor som kan monteres flere steder langs et 0,5 mm kateter for å utføre målinger i coronar-arteriene;

US 5.321.832-A viser en brokrets som angir 2 signaler, det ene avhengig av trykk og det andre avhengig av temperatur der temperatursignalet brukes for å kompensere og å korrigere trykksignalet;

US 4.715.003-A beskriver en brokrets 7 som avgir et tempera-turavhengig signal og et trykksignal der temperatursignalet brukes til å korrigere trykkmål ingen; og

US 5.343.755-A viser en brokrets hvor det måles både trykk og temperatur.

Av ytterligere kjent teknikk skal det henvises til:

Cranen B. , Boves L.: "Pressure measurement during speech production using semiconductor miniature pressure trans-ducers: Impact on models for speech production"(Journal of the Acoustical Society of America, vol. 77, no. 4) som tar for seg anvendelsen av halvledertrykktransducere for an-bringelse i respirasjonsveien. Artikkelen viser at estimater for volumstrømning i luftrøret og svelget kan avledes av slike trykkmål inger.

Disse trykkmål inger er imidlertid ubrukelige for måling av respirasjonsflow på grunn av at tverrsnittet i røret hvor luften strømmer varierer med tiden og derfor blir ubrukelige for målinger.

Mosse C.A., Roberts S.P.: "Microprocessor-based time-of-flight respirometer" (Medical & Biological Engineering & Computing, vol. 25, no. 1) som beskriver et mikroprosessor-basert anemometer for bruk ved neonatal ventilasjon. Anemometeret kan plasseres i en endotrakeal slange.

Det som skjer er at luftstrømmens hastighet måles ved å registrere tiden mellom varmetoppene i en pulsoppvarmet luftstrøm.

For en generell beskrivelse av teknologien på dette området vises det til den internasjonale søknad W093/19669.

De sensorer som omhandles i disse publikasjoner har både trykk- og temperaturfølsomhetsegenskaper og er mer eller mindre egnet til innvendig måling av respirasjon slik oppfinnelsen tar sikte på.

Dessuten er teknologi, materialer og prinsipper i og for seg uvesentlige i denne sammenheng da oppfinnelsen gjelder anvendelsen av sensorer innvendig i et legeme, for måling av respirasjons-tidevolum, i motsetning til utvendig måling av respirasjon.

Respirasjonen kan i og for seg også måles innvendig i legemet med trykksensorer basert på prinsippet om trykkdifferanser over en venturi.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere i et særtilfelle der trykksensorene og deres termiske effekter kommer til anvendelse, under henvisning til de ledsagende tegninger der: Figur 1 viser innvendige trykk-/temperatursensorer i respirasjonsfluidets strømningsvei. Figur 2 viser tidevolumsignalet av respirasjonen med innvendig temperatur-registrering; og Figur 3 viser en Wheatstone-brokobling benyttet som trykk- og fluidstrøm-sensor.

Sensorene Sl og S2, en av dem eller begge, kan benyttes til nasal-respirasjonsmåling mens en eller flere av S3, S4 og S5 kan benyttes til en kombinasjon av nasal og oral respirasjonsmåling.. Derved er det mulig og skjelne mellom oral og nasal respirasjon. Det er også en sjette sensor i den distale enden av kateteret som benyttes til Oesophagus-trykkmåling (trykk i spiserøret/luftrøret). Foruten den ovenfor nevnte respirasjonsmåling benyttes sensorene til både trykkmåling og måling av andre fysiologiske parametre. Dette skal forklares nærmere nedenfor. Sensorene er montert i et tynt plastkateter med en diamter på ca. 1,9 mm uten at dimensjonen har noen betydning for oppfinnelsen.

Figur 2 viser respirasjonstidevolum pr. tidsenhet der den nnvendige målingen skjer ved at sensorens/sensorenes temperaturfølsomme del er eksponert mot det omgivende medium. Pasientens innånding, inspirasjon, vises som et grafisk utslag oppover mens utånding, ekspirasjon, vises som et grafisk utslag nedover. Utslagenes størrelse, amplityde, har en direkte analogsammenheng med mengden av luft/tidsenhet, for eksempel ml/sek., som pustes inn og ut. Respirasjons-frekvensen, antall inn-utåndinger per minutt, er også en viktig parameter som kan leses av en slik kurve. Det er av avgjørende betydning for forståelsen av pasientens tilstand å ha tilgang til målekurver som gir pålitelig mulighet for å bestemme i hvilken utstrekning pasienten har søvnperioder der tidevolumet faller til under for eksempel 50 # og til under 10 % av en normalverdi, henholdsvis hypopnea- og apnea-perioder. Gode respirasjonskurver er selvfølgelig også en forutsetning for å kunne anvende datateknikk til å rasjonali-sere/automatisere detektering av slike søvnperioder med redusert tidvolum med tilfredsstillende pålitelighet. Heri ligger en betydelig rasjonaliseringsgevinst i ellers tidkrevende og vanskelig tolking av søvnregistreringer slik de stort sett foregår i dag.

Figur 3 viser en trykksensor, representert ved en elektrisk Wheatstone brokobling.

Foreliggende oppfinnelse angår således anvendelsen av termiske effekter i sensorer til å registrere en pasients inn- og utånding, det vil si respirasjon, ved at en eller flere sensorer plasseres i en eller flere posisjoner i luftveien innvendig i legemet, slik det er vist i figur 1, som viser 5 sensorer anordnet i en tynn fleksibel slange.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse et nytt konsept for måling og registrering av strømmen av et fluid, respirasjonen, inn i, i eller ut av et legeme, under anvendelse av en eller en serie sensorer, anordnet innvendig i legemet på ett eller flere punkter langs fluidets strøm-ningsvei under utnyttelse av disse sensorers temperatur-effekter .

Oppfinnelsen angår, som nevnt ovenfor, ikke bare anvendelsen av sensorer med temperaturfølsomhet beregnet på temperatur-målinger, men også av andre typer av sensorer med temperatur-følsomhet for registrering og måling av andre fysikalske parametre.

Anvendelsen av termiske egenskaper i trykksensorer er interessant fordi trykkmål inger er aktuelt i sammenheng med respirasjonsmåling under slike søvnregistreringer. Derved oppnår man flere typer måledata med en og samme sensor. Dette forenkler måleapparaturen betraktelig, blant annet elimineres problemet med at de utvendige temperatursensorene forskyves eller faller av under søvn, det gjør situasjonen enklere for pasientene og personalet med henblikk på gjennomføring av slike målinger, og denne måten å måle og å registrere respirasjonen på gir et like godt eller bedre grunnlag for diagnostikk enn måling med utvendig anordnede måle- og registreringsinnretninger for respirasjon.

Foruten å måle trykk- og respirasjon uavhengig av hverandre simultant i en og samme trykksensor, kan man også måle og registrere andre parametre simultant i samme sensor, blant annet snorkelyd, hjertelyd og hjertefrekvens, og innvendig temperatur i legemet. Dette illustreres i figur 3. Snorkelyd og hjertelyd er lydtrykk med høyere frekvenser enn respira-sjonstrykk som trykksensoren reagerer på, skjønt det faller mest praktisk å måle disse parametre på forskjellige steder i respirajonsveien for å oppnå optimale målesignaler. Hjertefrekvens, som kan avledes fra hjertelydsignalet, er også en karakteristisk og viktig parameter i søvndiagnosen. I og med at sensoren eller sensorene er eksponert mot det omgivende medium er det også muligheter for EMG, pH-målinger/registreringer med videre.

Registrering og måling av respirasjons-tidevolum ved å anvende termiske effekter i sensorer, er basert på den kjennsgjerning at innåndingsluftens temperatur er lavere enn utåndingsluftens temperatur og at luftmengden pr. tidsenhet også har innvirkning på temperaturforløpet som måles, blant annet som følge av sensorens termiske treghet og varmekapasi-tet .

Disse temperatur-målinger kan utføres under anvendelse av forskjellige typer temperaturfølsomme komponenter, som elektriske motstander, såkalte termistorer, halvleder-elementer, termoelementer og andre. Måten å måle temperatur og temperatur-forandringer på innvendig i respirasjonsveien har derfor ikke avgjørende betydning for oppfinnelsen. Anvendelige sensor-katetere som er beregnet for måling av trykk og temperatur og annet er tilgjengelige på markedet.

Når det gjelder trykksensor-katetere er de som oftest men ikke alltid temperatur-kompenserte, men dette har heller ingen vesentlig betydning for oppfinnelsen.

I figur 3 angir R trykksensor-motstandene, RComp er en temperaturkompenseringsmotstand og Rq en nullpunkts-justeringsmotstand. Med I angis den elektriske strømmen i sensoren.

Wheatstone-brokoblingen arbeider med 4 aktive sensor-motstander eller to aktive og to passive motstander.

I punktene c) og d) kan man hente ut et trykksignal og over punktene a) og b) et respirasjonssignal. Man går imidlertid ikke utenfor oppfinnelsens ramme hvis man gjør det på andre, mulige måter.

Temperatur-effekten i slike trykksensorer er en kjent, fysikalsk effekt og temperatur-koeffisienten for de benyttede motstander er ca. 0,2 $ > pr. °C uten at denne verdi har noen avgjørende betydning for prinsippet for respirasjonsmålingen. Temperatureffekten har relativt god stabilitet, noe som er av betydning for å oppnå anvendbare signaler og registrering av respirasjonen.

Claims (2)

1. Anvendelse av en eller flere i og for seg kjente trykk-sensorer med temperaturfølsomhet eller andre temperatur-følsomme sensorer, anordnet i en eller flere posisjoner i det indre av et individs respirasjonsvei, der sensorens eller sensorenes termiske effekter utnyttes for måling av individets respirasjons-tidevolum.

2. Anvendelse ifølge krav 1 av en eller flere sensorer for registrering og måling av respirasjons-tidevolum, simultant med registrering og måling av andre parametre som trykk, lyd, temperatur, under utnyttelse av en og samme sensor, eller separate sensorer.