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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung,
die geeignet ist, den Strömungswiderstand
der Atemwege eines Menschen oder Veränderungen dieses Strömungswiderstandes
ausreichend genau zu messen und ist insbesondere zur Steuerung des
Therapiedrucks in einem Auto-CPAP (CPAP mit Auto-Adjust Funktion)
während
der Behandlung mit einem Atemtherapiegerät geeignet.
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Während
einer CPAP-Therapie (CPAP = Continuous Positive Airway Pressure),
atmet der Patient an einer künstlichen
Atmosphäre,
die von einem CPAP erzeugt wird und deren Druck gegenüber der natürlichen
Atmosphäre
kontinuierlich erhöht
ist. Der erhöhte
Druck vehindert ein Kollabieren der weichen oberen Atemwege eines
Patienten, wenn der Muskeltonus nach dem Einschlafen schwindet.
Die Atemwege und besonders der Atemweg durch den Rachen bleiben
sozusagen pneumatisch aufgespannt, wodurch der Patient seine natürliche Spontanatmung für den Respirationsvorgang
ungehindert einsetzen kann. Ohne Benutzung eines CPAP kann ein Patient, der
an einer obstruktiven Schlafapnoe erkrankt ist zahlreiche (bis zu
mehreren hundert) Atemstillstände in
einer Nacht erleiden. Dadurch ist der Schlaf nicht mehr erholsam,
er wird im Gegenteil zu einer außerordentlichen Belastung.
Die unmittelbaren Folgen sind permanente Tagesmüdigkeit. Wenn die Krankheit
untherapiert bleibt, kann sich die Lebenserwartung des Betroffenen
beträchtlich
verkürzen.
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Bei einer CPAP-Therapie kommt es
darauf an, den Therapiedruck so groß wie nötig und so klein wie möglich einzustellen.
Da jedoch die körperliche Verfassung
ständigen
Veränderungen
unterliegt, ist ein unverändert
konstanter Therapiedruck nicht optimal. Sogar innerhalb einer Nacht,
in der verschiedene Schlafphasen durchlebt werden, können jeweils angepasste
unterschiedliche Drücke
gegenüber
einem starr voreingestellten Therapiedruck vorteilig sein. Ein zu
kleiner Druck bewirkt, dass die Symptome der obstruktiven Schlafapnoe
wiederkehren. Ein zu hoher Druck führt zu negativen Nebenwirkungen, beispielsweise
verringert sich das Herzschlagvolumen infolge des von außen auf
den Herzbeutel wirkenden Drucks.
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Ein Atemstillstand kann aber auch
bei völlig offenen
Atemwegen auftreten, wenn das Atemregulationszentrum im Gehirn die
Spontanatmung unterbricht. Ein solcher vom Zentralnervensystem ausgelöster Atemstillstand
wird als zentrale Apnoe bezeichnet. Die Häufigkeit zentraler Apnoen steigt
mit der Erhöhung
des CPAP-Druckes an. Insbesondere werden zentrale Apnoen durch Druckefiöhung verlängert. Nur
bei einer obstruktiven Apnoe bewirkt eine Druckerhöhung die
Rückkehr
zur Spontanatmung. Die Unterscheidung einer obstruktiven Apnoe von
einer zentralen Apnoe bekommt dadurch eine besondere Wichtigkeit
in einem Algorithmus zur Steuerung eines Auto-CPAP.
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Eine Obstruktion oder Verlegung des
Atemweges bewirkt, dass der Strömungswiderstand
auf dem Weg von den natürlichen
Atemöffnungen
Mund oder Nase in die Lunge hinein groß ist. Bei einer zentralen
Apnoe sind die Atemwege zwischen den natürlichen Atemöffnungen
und der Lunge frei. Daraus resultiert auch ein kleiner Atemwegswiderstand
und es fehlen lediglich die Atemanstrengungen des Patienten. Der
Atemwegswiderstand ist somit ein hilfreicher Parameter für die Unterscheidung
obstruktiven Apnoen von zentralen Apnoen und von Bedeutung für die automatische
Drucksteuerung in einem Auto-CPAP.
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Aus der OS 25 08 319 ist ein Verfahren
und eine Vorrichtung bekannt, bei welchem der Patient über ein
Mundstück
durch ein Referenzrohr an der freien Atmosphäre atmet. Eine ventillose Pumpe
erzeugt einen Referenzflow mit konstanter Frequenz, der über einen
Einleitungsschlauch in das Mundstück eingespeist wird, wobei
die Frequenz etwa 10 Hz und das Hubvolumen konstant etwa 1,5 cm³ betragen. Der
im Mundstück
entstehende Wechseldruck wird mit einer Druckmessvorrichtung gemessen
und angezeigt.
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Länge
und Durchmesser des Referenzrohres sind so bemessen, dass sich für die niederfrequente
Spontanatmung eine kleine und für
die höherfrequente
Referenzströmung
eine große
Impedanz ergeben. Der Referenzflow kann somit nicht einfach durch
das als pneumatische Drossel wirkende Referenzrohr in die freie
Atmosphäre
entweichen. In das Mundstück
münden
aber auch die Atemwege des Patienten und die können entweder einen großen oder
einen kleinen Strömungswiderstand
besitzen.
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Wenn die Atemwege in die Lunge des
Patienten hinein durch eine Obstruktion ganz oder teilweise verlegt
sind, kann der Referenzflow auch nicht in die Lunge hinein entweichen.
In diesem Fall verursacht der Referenzflow im Mundstück einen
hohen Wechseldruck.
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Wenn die Atemwege des Patienten frei
sind, dann entweicht der ins Mundstück eingespeiste Wechselflow
durch die Atemwege in die Lunge und wird dort vom Körpergewebe
absorbiert. In diesem Fall kann der Referenzflow im Mundstück nur einen geringen
Wechseldruck bewirken.
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Der mit dieser Vorrichtung gemessene Wechseldruck
korreliert recht gut mit dem tatsächlichen Atemwegswiderstand,
der mit Hilfe eines Bodyplethysmografen gemessen werden kann. Zur
Unterscheidung wird ein oszillatorisch gemessener Atemwegswiderstand
R allgemein mit dem Index „os" und somit als Ros gekennzeichnet.
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Inzwischen sind auch Auto-CPAP Geräte bekannt,
die den oszillatorischen Atemwiderstand mit genau der gleichen Vorrichtung
messen, die zu diesem Zweck in das Atemtherapiegerät integriert
ist. Diese Geräte
benutzen den Atemschlauch als Referenzrohr und die Atemmaske als
Mundstück.
Der in der Atemmaske gemessene Wechseldruck ist ein Signal, das
die Größe des Atemwegswiderstandes
repräsentiert
und wird zur Beeinflussung des CPAP-Druckes ausgewertet.
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Nachteilig ist, dass die Vorrichtung
eine ventillose Pumpe erfordert, mit der ein oszillierender Referenzflow
erzeugt wird und diese Pumpe ein zusätzlicher Aufwand ist, der zusätzliche
Kosten verursacht. Nachteilig ist ebenfalls, dass ein zusätzlicher Einleitungsschlauch
zur Einspeisung des Referenzflows in das Mundstück notwendig ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
in der Schaffung einer Vorrichtung, mit der eine Messung des oszillatorischen
Atemwegswiderstandes Ros des Menschen durch
Bewertung des in der Atemmaske entstehenden Wechseldrucks, insbesondere
während
einer Atemtherapie möglich
ist. Dabei sollen weder eine zusätzliche
ventillose Pumpe zur Erzeugung des Referenzflows noch ein zusätzlicher
Einleitungsschlauch zur Einspeisung des Referenzflows in die Atemmaske
zur Anwendung kommen. Zur Lösung der
Aufgabe sollen die in jedem CPAP ohne Auto-Adjust Funktion vorhandenen
Elemente, wie Gebläse Atemmaske,
Atemschlauch, Druckmessschlauch und Drucksensor verwendet werden,
indem diesen Elementen in einer neuen Anordnung zusätzliche Funktionen
aufgegeben werden. Darüber
hinaus notwendige Elemente sind als elektronische Funktionsstufen
oder als Softwarelösungen
hinzuzufügen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung
gelöst,
deren Merkmale im Anspruch 1 dargelegt sind. Die Vorrichtung dient
zur Messung des Atemwegswiderstandes Ros eines
Patienten, insbesondere während
einer Therapie mit Hilfe eines Auto-CPAP das ein elektrisch betriebenes
Gebläse
enthält,
dessen Drehzahl veränderbar
ist, indem entweder die Höhe einer
Versorgungsgleichspannung oder die Höhe der Frequenz einer Drehstrom-Versorgungsspannung
für das
Gebläse
mit einem von einer Steuervorrichtung oder einem Computer gelieferten
Steuersignal verändert
wird und welches einen drehzahlabhängigen Druck erzeugt, der über einen
Atemschlauch in eine Gesichtsmaske eines Patienten geleitet wird,
wobei der in der Gesichtsmaske herrschende Druck mit Hilfe eines
Messschlauches einem Drucksensor zugeleitet wird, damit dieser daraus
ein elektrisches Signal erzeugt.
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Ein Kennzeichen der Erfindung besteht
darin, dass zur Veränderung
von Höhe
oder Frequenz der Versorgungsspannung, was von der Art der jeweils
verwendeten Versorgungsspannung abhängt, ein periodisch veränderliches
Steuersignal benutzt wird. Das Steuersignal ist außerdem so
gestaltet, dass die Drehzahl des Gebläses und damit der erzeugte
Druck mit kleiner Amplitude und konstanter Frequenz oszillierend
schwanken, wobei die Schwankungsfrequenz in einem für den Menschen unhörbaren Schallbereich
liegt.
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Das elektrische Signal, das der Drucksensor liefert
besteht gleichfalls aus einem Gleichspannungsanteil, der proportional
zur Höhe
der erzeugten Kunstatmosphäre
ist, einem Wechselspannungsanteil, der auf die periodischen Druckschwankungen zurückzuführen ist
und einem eventuell vorhandenen Spannungsanteil, der von sehr niederfrequenten oder
sehr hochfrequenten Druckänderungen
hervorgerufen werden kann, beispielsweise vom Schall eines Schnarchgeräusches.
Deshalb ist es zweckmäßig, mit
Hilfe eines selektiven Verstärkers
denjenigen Wechselspannungsanteil herauszufiltern, der allein auf
die periodischen Druckschwankungen zurückzuführen ist. Dieser ist ein Maß für den oszillatorischen Atemwegswiderstand
Ros des Patienten.
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Es ist außerdem zweckmäßig, das
vom selektiven Verstärker
abgegebene Signal mit Hilfe eines Gleichrichters auf eine Gleichspannung
abzubilden. Mit Hilfe eines Siebgliedes kann daraus eine geglättete Signalspannung
erzeugt werden, die zu Drucksteuerungszwecken von einem Steuergerät oder Computer
bequemer verarbeitet und außerdem mit
geringfügigen
Mitteln zur Anzeige gebracht werden kann. Aus der Höhe der Signalspannung
kann ein Computer mit Hilfe seines eingegebenen Programms vorzugsweise
automatisch entscheiden, ob der gerade herrschende Therapiedruck
zur Behandlung einer obstruktiven Schlafapnoe erhöht, verringert
oder unbeeinflusst bleiben sollte.
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Bei bekannten Vorrichtungen zur Messung des
oszillatorischen Atemwegswiderstandes sind ausnahmslos alle Elemente,
die ventillose Oszillationspumpe, das Referenzrohr mit einer eventuell
in Serie angeordneten Gleichdruckquelle der Atem-Atmosphäre, der Atemwegswiderstand
der Lunge und schließlich
auch die Druckmessvorrichtung parallel geschaltet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dagegen
sind das Gebläse
als Gleich- und Wechseldruckgenerator, der als Referenzrohr wirkende
Atemschlauch und der Atemwegswiderstand der Lunge in Reihe geschaltet.
Die Druckmessvonichtung misst den Wechseldruck in der Atemmaske
und damit allein über
dem Atemwegswiderstand der Lunge.
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Vorteilig dabei ist, dass die erfindungsgemäße Anordnung
keine zusätzlichen
kostenintensiven Bauteile erfordert. Die Vorrichtung nutzt alle
in einem CPAP bereits vorhandene Baugruppen und weist diesen lediglich
zusätzliche
Funktionen zu. So muss das Gebläse
neben dem Gleichdruck zusätzlich
einen Wechseldruck erzeugen. Ein elektrisch steuerbares Gebläse ist in
jedem modernen CPAP vorhanden. Das Steuersignal, welches das Gebläse zusätzlich zur
Wechseldruckerzeugung benötigt,
kann mittels Software von dem ebenfalls immer vorhandenen Steuercomputer
bereitgestellt werden.
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Der in einem CPAP vorhandene Drucksensor
muss zusätzlich
einen Wechseldruck messen. Der Atemschlauch dient nicht mehr allein
der Luftzuführung
zum Patienten, sondern ist gleichzeitig ein Referenzwiderstand oder
pneumatischer Vorwiderstand, der den Wechseldruck des Gebläses in einen Wechselflow
in die Atemmaske des Patienten hinein umwandelt. Darüber hinaus
werden nur kostengünstige
elektronische Funktionsstufen, ein selektiver Verstärker ein
Gleichrichter und ein Siebglied benötigt.
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Die Erfindung soll nachfolgend an
einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
In der zugehörigen
Zeichnung zeigen
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1:
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2:
ein elektrisches Ersatzschaltbild der pneumatischen Elemente
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3:
Signalverläufe
des Druckes in der Atemmaske
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In diesem Beispiel wird ein Motor 2 mit Gleichspannungsversorgung
verwendet und somit ist der von dem Gebläse 1 erzeugte Druck
von der Größe der Betriebsspannung
des Motors 2 abhängig.
Die Betriebsspannungsquelle für
den Motor 2 besteht aus zwei in Reihe geschalteten und
vom Computer 3 angesteuerten Komponenten UCPAP und
uWS. Der Motor 2 erhält dadurch
eine Versorgungs-Gleichspannung, die von einer kleineren Versorgungs-Wechselspannung überlagert
ist. Im Ergebnis besteht dann auch der vom Gebläse 1 erzeugte Druck
der Kunstatmosphäre
aus einem zeitlich konstanten therapieabhängigen Gleichdruck-Anteil,
der von einem Wechseldruck-Anteil überlagert ist. Die Amplitude der
Wechselspannungsquelle uWS sollte möglichst klein
gewählt
werden, damit der Patient die entstehende Druck-Oszillation nicht
wahrnimmt. Selbstverständlich
funktioniert diese Art der Druckbereitstellung nur bei Verwendung
eines Motors 2 mit außerordentlich
hoher Dynamik.
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Der vom Gebläse 1 erzeugte Druck
gelangt nach Passieren eines Innenwiderstandes Ri,
der von den Strömungswiderständen der
Gebläseteile
und den Kanälen
im inneren Atemsystem des CPAP gebildet wird, in den Atemschlauch 5.
Die Strömungswiderstände des
Atemschlauchs 5 und des Innenwiderstandes R, stellen für den vom
Gebläse 1 ausgehenden
Wechselflow-Anteil eine Impedanz dar. Diese Impedanz ist Aufgrund
der konstanten Oszillationsfrequenz und der fest vorgegebenen Geometrie
von Schlauch und innerem Aufbau von CPAP und Gebläse 1 konstant
und damit die Referenzimpedanz der Messvorrichtung. Der Atemschlauch 5 hat üblicherweise
eine Länge
von 1,7 m und besitzt damit für
eine Oszillationsfrequenz von beispielsweise 20 Hz eine hohe Impedanz.
Für die
normale Atemfrequenz des Patienten von etwa 0,2 Hz bis 1 Hz ist
die Schlauchimpedanz klein und behindert die Spontanatmung nicht.
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Die durch den Atemschlauch 5 geleitete
Luft gelangt auf ihrem weiteren Weg in die Atemmaske 6 und
von dort weiter über
die oberen Atemwege 7 des Rachens in die Lunge 8.
Der Atemwegswiderstand RAW ist die Summe
der in Reihe geschalteten Strömungswiderstände der
freien bzw. verlegten oberen Atemwege 7 und der Bronchien
in der Lunge. Genaugenommen ist auch dieser Atemwegswiderstand frequenzabhängig und
somit eine Impedanz.
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Der Luftdruck pM im
Innern der Atemmaske 6 wird gemessen, indem dieser mit
Hilfe eines Messschlauches 9 einem Drucksensor 10 zugeleitet
wird. Der Drucksensor 10 liefert an seinem Ausgang das druckproportionale
elektrische Signal uM, das aus einem therapieabhängigen Gleichspannungssignal und
einem 20 Hz Wechselspannungssignal uOS besteht.
Der sehr kleine Wechselspannungsanteil wird mit Hilfe eines auf
die Frequenz des Wechseldrucks abgestimmten selektiven Verstärkers 11 verstärkt und
anschließend
mit einem Gleichrichter 12 in eine Gleichspannung umgewandelt.
Nach Glättung
mit dem Siebglied 13 erhält man die Spannung UOS Diese Spannung UOS repräsentiert
den oszillatorischen Atemwegswiderstand Ros eines Patienten, der
bekannterweise recht gut mit dem nach anderen medizinischen Verfahren
(Bodyplethysmografie, Unterbrechermethode) gemessenen Atemwegswiderstand
RAW korreliert. Da die bevorzugte Anwendung der
Vorrichtung die Messung des Atemwegswiderstandes eines Patienten
während
einer CPAP-Therapie ist, ergeben sich Änderungen des Atemwegswiderstandes
Ros nur, wenn sich der Querschnitt der oberen Atemwege 7 mit
dem Grad einer Obstruktion verändert.
Die Spannung UOS kann dem Computer 3 zugeführt werden,
damit dieser mit Hilfe seines Programm-Algorithmus den Gleichdruck-Anteil
des Therapiedrucks hinsichtlich der Therapie-Qualität optimieren
kann. Sie kann aber auch mit Hilfe eines Displays 14 angezeigt
werden. CPAP-Systeme besitzen zur Abführung der CO2-belasteten
Ausatemluft eine Entlüftungsöffnung 15 von
etwa 12 mm² Querschnitt, oft
nur ein 4 mm Loch direkt in der Atemmaske. Diese Entlüftungsöffnung 15 stellt
einen konstanten Widerstand dar, der dem Atemwegswiderstand parallel
geschaltet ist.
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Es wird nun angenommen, dass der
obere Atemweg 7 des Patienten 4 frei und bis in
die Lunge 8 hinein offen ist. In diesem Fall führt der
vom Gebläse 1 erzeugte
Wechseldruck-Anteil zu einem Wechselflow durch die Reihenschaltung
von Referenzimpedanz und Atemwegswiderstand RAW des
Patienten 4. Die Referenzimpedanz ist durch die Wahl der
Frequenz so bemessen, dass sie groß gegenüber einem gesunden Atemwegswiderstand
ist und deshalb fällt nahezu
der gesamte vom Gebläse 1 erzeugte
Wechseldruck bereits an der vergleichsweise großen Referenzimpedanz ab. Am
kleinen Atemwegswiderstand RAW des Patienten
fällt kaum
noch ein Wechseldruck ab. Auch der Strömungswiderstand der Entlüftungsöffnung 15 fällt kaum
ins Gewicht, da er gegenüber einem
kleinen Atemwegswiderstand groß ist.
Der in der Atemmaske 6 herrschende Wechseldruck gelangt
mit Hilfe des Messschlauches 9 an den Drucksensor 10.
Nach Verstärkung
mit dem Selektivverstärker 1,
Gleichrichtung mit dem Gleichrichter 12 und Siebung mit
dem Siebglied 13 erhält
man die Spannung UOS, die den Atemwegswiderstand
ROS repräsentiert.
Da die Atemwege offen und deshalb der Atemwegswiderstand klein ist,
sind auch die Spannungen uOS bzw. Uos klein.
Die Spannung UOS wird zur Weiterverarbeitung
dem Computer 3 zugeführt und
kann außerdem
mit Hilfe des Displays 14 angezeigt werden.
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Nun soll angenommen werden, dass
die oberen Atemwege 7 des Patienten 4 obstruktiv
völlig verlegt
sind. Der Atemwegswiderstand RAW ist in
diesem Zustand unendlich groß.
Der vom Gebläse 1 erzeugte
Wechseldruck-Anteil führt
jetzt zu einem Wechselflow, der nach Durchströmen der Referenzimpedanz nur
durch die Entlüftungsöffnung 15 ins Freie
strömen
kann. In der Atemmaske entsteht somit der größte mögliche Wechseldruck als Druckabfall
am Strömungswiderstand
der Entlüftungsöffnung 15 und
dieser führt
nach Messung, Verstärkung,
Filterung und Gleichrichtung zur größten möglichen Spannung UOSMAX am
Ausgang des Siebgliedes 13.
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Im praktischen Betrieb wird die Spannung am
Ausgang des Siebgliedes 13 je nach Grad einer Obstruktion
verschiedene Werte zwischen nahezu NULL und UOSMAX annehmen
und vom Computer 3 überwacht
werden. Der Computer 3 erhält außerdem die Ausgangsspannung
uM des Drucksensors zugeführt. Zuvor
sollte diese mit Hilfe des Tiefpasses 16 von ihren Wechselspannungsanteilen
befreit werden. Der Computer 3 benötigt diese Spannung zur Überwachung
eines nach dem vorliegenden Programmalgorithmus ermittelten optimalen
Therapiedruckes. Dieser wird vom Computer 3 ständig in
Abhängigkeit vom
Verlauf des oszillatorischen Atemwegswiderstandes Ros bzw. in Abhängigkeit
vom Verlauf der Größe der Spannung
UOS eingeregelt.
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- 1
- Gebläse
- 2
- Motor
- 3
- Computer
- 4
- Patient
- 5
- Atemschlauch
- 6
- Atemmaske
- 7
- obere
Atemwege
- 8
- Lunge
- 9
- Messschlauch
- 10
- Drucksensor
- 11
- selektiver
Verstärker
- 12
- Gleichrichter
- 13
- Siebglied
- 14
- Display
- 15
- Entlüftungsöffnung
- 16
- Tiefpass
- UCPAP
- Versorgungsgleichspannung
- uws
- Versorgungswechselspannung
- Ri
- CPAP-Innenwiderstand
- pM
- Formelzeichen
des Atemmaskendruckes
- RAW
- Formelzeichen
des Atemwegswiderstandes
- ROS
- Formelzeichen
des oszillatorischen Atemwegswiderstandes
- uM
- Formelzeichen
des elektrischen Signals für
den Atemmaskendruck
- uos
- Formelzeichen
des elektrischen Signals fürn
den oszillatorischen
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- Atemwegswiderstande
- UOS
- Formelzeichen
für die
gleichgerichte und gesiebte Spannung uos
- UOSmax
- maximal
mögliche
Größe der Spannubg UOS