Low-cost ultrasonic flow measurement for spirometry

The prevalence of pulmonary diseases worldwide leads to a continuous effort being made to improve diagnosis and treatment of these conditions. [1] COPD and asthma, two of the most common diseases, both affect over 200 million people globally with an increasing number of patients each year. Risk factors include tobacco smoke, urbanization, air pollution and obesity. Other relevant diseases include pneumoconiosis, sarcoidosis and pulmonary fibrosis.
Spirometry is a widely used, non-invasive method for diagnosing these conditions and monitoring pulmonary health. [2] Different measuring techniques can be used to determine air flow and lung volume in spirometry. One of the methods employed is ultrasonic flow measurement, which is also the method of choice for this thesis.
Ultrasonic flow measurement offers high accuracy and simple maintenance for spirometry, however, the method is usually also accompanied by high costs. [3] A number of studies have explored methods to utilize ultrasonic flow measurement in low-cost applications. [4] This thesis builds on the existing research and tests several approaches to improve upon it.
At first, the method introduced in [4] is tested and adjusted to not just enable measurement of tidal breathing but extend its range in order to also accommodate for forced breathing. Then different methods are tested to hopefully enhance the accuracy.
Depending on the scope of each setup, some are only explored theoretically or up to a certain point. All tested setups are then analysed, and their results compared. Durch die weltweite Verbreitung von Lungenkrankheiten gibt es dauerhafte Anstrengungen, um die Diagnose und Behandlung dieser Erkrankungen zu verbessern. [1] Sowohl COPD als auch Asthma betreffen weltweit je mehr als 200 Millionen Menschen, wobei die Zahl der Patienten jedes Jahr steigt. Zu den Risikofaktoren zählen Tabakrauch, Urbanisierung, Luftverschmutzung und Adipositas. Weitere relevante Krankheiten sind Pneumoconiose, Sarcoidose und Lungenfibrose.
Spirometrie ist eine häufig angewandte und nicht-invasive Methode zur Diagnose dieser Erkrankungen und zur Überwachung der Lungengesundheit. [2] Verschiedene Messmethoden können zur Bestimmung von Luftstrom und Lungenvolumen herangezogen werden. Eine diese Methoden ist die Ultraschalldurchflussmessung, die auch in dieser Arbeit behandelt wird.
Ultraschalldurchflussmessung bietet eine hohe Genauigkeit und eine leichte Instandhaltung für Spirometrie, allerdings ist diese Methode meist auch mit hohen Kosten verbunden. [3] In der Forschung wird nach Methoden gesucht um Ultraschalldurchflussmessung auch in kostengünstigen Anwendungen einzusetzen. [4] Diese Arbeit baut auf der vorhanden Forschung auf und es werden verschiedene Ansätze getestet um ihre Ergebnisse zu verbessern.
Es wird zuerst die Methode wie in [4] vorgestellt getestet und angepasst, um eine Anwendung nicht nur für ruhiges Atmen sondern auch für forcierte Atmung zu ermöglichen. Danach werden verschiedene Ideen getestet um hoffentlich die Genauigkeit der Ergebnisse zu verbessern.
Je nach Ausmaß der einzelnen Möglichkeiten, werden manche auch nur theoretisch betrachtet oder bis zu einem gewissen Punkt verfolgt. Alle getesteten Messaufbauten werden dann analysiert und ihre Ergebnisse verglichen.