CN116568356A - 用于从呼吸气体混合物中分出二氧化碳的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从呼吸气体混合物中分出二氧化碳的方法和设备。所述分离借助于用作分子过滤器的膜片来进行。

Description

用于从呼吸气体混合物中分出二氧化碳的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于从呼吸气体混合物中分出至少二氧化碳(CO2)的方法和设备。分离例如借助于用作分子过滤器的膜片来进行。
背景技术
从含有二氧化碳的气体混合物中分离CO2(如其在人工呼吸中或麻醉状态下发生的那样)是一项要求很高的任务。
已知的是，出于经济和安全的原因，所给予的呼吸气体在闭合回路中循环，其中，根据消耗补充氧气和/或CO2和/或麻醉气体并且从回路中抽出二氧化碳。一般而言，应避免在人工呼吸系统中发生二氧化碳的富集。0.5％的浓度值通常呈现为不应超过的极限值。
必须去除的二氧化碳的量取决于各个应用。呼出的呼吸空气包含约5％的二氧化碳。这个浓度应在呼吸回路中降至0.5％或更低。
通常，CO2与呼吸用石灰(Atemkalk)结合并且因而从所述回路中被抽出。然而，呼吸用石灰不能再次使用并且必须被清除。
发明内容
因此，本发明的任务是：提供一种成本有利且实用的、用于分出确定的呼吸气体的可行性。本发明的任务也是：提供在呼吸气体混合物中对确定的呼吸气体浓度的份额的调节。
本发明包括一种用于分离呼吸气体混合物的方法，所述呼吸气体混合物至少包含O2和CO2以及至少一种挥发性麻醉剂并且在呼吸气体路径中流动，在所述呼吸气体路径中，将呼吸气体混合物在第一流量下引导至第一分离材料，其中，第一分离材料将至少氧气O2和二氧化碳CO2与所述至少一种挥发性麻醉剂分开，其中，又将所述至少一种挥发性麻醉剂输送至呼吸气体路径或保留在呼吸气体系统中，其中，将具有至少氧气O2和二氧化碳CO2的、所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下引导至第二分离材料，其中，通过第二分离材料将至少二氧化碳CO2从呼吸气体混合物中分离，其中，将所分出的二氧化碳CO2至少暂时地离析出或者释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中，其中，又将呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是氧气O2，输送至第一分离材料。
补充地，所述方法的特征也在于，第一分离材料选择性地允许较小分子，即氧气O2和二氧化碳CO2通过，并且拦住至少一种挥发性麻醉剂。
补充地，所述方法的特征也在于，第一分离材料是扩散过滤器。
补充地，所述方法的特征也在于，呼吸气体由于浓度梯度而经由扩散过滤器被分离。
补充地，所述方法的特征也在于，第二分离材料是扩散过滤器。
替代地或补充地，本发明涉及一种方法(或一种设备)，其中，第二分离材料选择性地允许较小分子，即氮气N2和/或氧气O2通过，并且至少在很大程度上拦住至少二氧化碳CO2。
补充地，所述方法的特征也在于，第二分离材料是扩散过滤器，所述扩散过滤器具有至少为50：1的N2和/或O2与CO2的渗透率比值。
补充地，所述方法的特征也在于，第二分离材料是扩散过滤器，所述扩散过滤器具有至少为100：1的N2和/或O2与CO2的渗透率比值。
此外，所述方法的特征也在于，第一流量为4至25L/min。
所述方法的特征也在于，第一流量为3至18L/min。
补充地，所述方法的特征也在于，第一流量由通风机或压缩气体源或泵产生。
所述方法的特征也在于，第一流量至少阶段式地包含具有10％至30％氧气的呼吸气体。
所述方法的特征还在于，第二流量为4至25L/min。
补充地，所述方法的特征也在于，第二流量为6至18L/min。
所述方法的特征也在于，第二分离材料是扩散过滤器，所述扩散过滤器具有O2与CO2的下述渗透率比值，所述渗透率比值优选大小为使得释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中的CO2流量小于第一分离材料的冲洗流量。
所述方法的特征也在于，第二流量由通风机或压缩气体源或泵产生。
补充地，所述方法的特征也在于，所述呼吸气体混合物至少部分地或完全地取自呼气式呼吸气体路径。
所述方法的特征也在于，第一分离材料以第一输出端与吸气式呼吸气体路径以传导呼吸气体的方式连接，其中，在第一分离材料的下游和吸气式患者连接部的上游布置有呼吸气体源。
补充地，所述方法的特征也在于，在第一分离材料的下游和呼吸气体源的上游布置有(氧气的)新鲜气体供应以及麻醉气体供应。
此外，所述方法的特征也在于，在呼吸气体源的下游布置有氧气传感器和/或流量传感器和/或CO2传感器。
所述方法的特征也在于，呼吸气体混合物至少具有氮气N2、氧气O2、二氧化碳CO2和至少一种挥发性麻醉剂。
所述方法也实现了在呼吸气体混合物中对确定的呼吸气体的份额的调节。为此，根据本发明，设置呼吸气体(尤其是O2、CO2和/或麻醉气体)的馈送或供入。同样，设置从呼吸气体混合物中分出或去除至少确定的呼吸气体的份额。为此所需的调节、尤其是对所需的执行器的控制由控制单元执行，该控制单元也能够分为多个子控制单元。
本发明也涉及一种用于分离呼吸气体混合物的设备，所述呼吸气体混合物至少包含O2和CO2以及至少一种挥发性麻醉剂并且在呼吸气体路径中流动，在所述呼吸气体路径中将呼吸气体混合物在第一流量下引导至第一分离材料，其中，第一分离材料将至少氧气O2和二氧化碳CO2与所述至少一种挥发性麻醉剂分开，其中，又将所述至少一种挥发性麻醉剂输送至呼吸气体路径或保留在呼吸气体系统中，其中，将具有至少氧气O2和二氧化碳CO2的、所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下引导至第二分离材料，其中，通过第二分离材料将至少二氧化碳CO2从呼吸气体混合物中分离，其中，将所分出的二氧化碳CO2至少暂时离析出或者释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中，其中，又将所述呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是氧气O2，输送至第一分离材料。
可选地，所述设备的特征也在于，呼吸气体混合物在此直接或被迫地通过患者或者借助泵或涡轮机被传导至第一分离材料，其中，第一分离材料设置和构造为用于将至少氧气O2和/或二氧化碳CO2与至少一种挥发性麻醉剂分开，其中，所述至少一种挥发性麻醉剂又被输送至呼吸气体路径或保留在呼吸气体路径中，其中，所述呼吸气体路径具有呼吸气体泵(所述呼吸气体泵能够是阀或涡轮机或呼吸气体源)，其中，呼吸气体经由患者接口被传导至患者。
可选地，所述设备的特征也在于，第一分离材料能够构造为在呼吸气体软管的分支中的扩散过滤器或实施为过滤器壳体，所述过滤器壳体具有用于呼吸气体的入口、上腔室、用于通向患者的呼吸气体的出口、扩散过滤器、下腔室和(用于来自下腔室的呼吸气体的、在朝向第二分离材料的方向上通向呼吸气体路径的)出口以及从第二分离材料的管线进入下腔室中的入口。
所述设备的特征也在于，(具有至少氮气N2和氧气O2以及二氧化碳CO2的)所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下经由管线被引导至第二分离材料，并且通过第二分离材料将至少二氧化碳CO2从所述呼吸气体混合物中分离，其中，将所分离的二氧化碳CO2至少暂时离析出或者释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中，其中，存在下述装置，所述装置调节所分离的二氧化碳的流量。
此外，所述设备的特征也在于，所述呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是(氮气N2和)氧气O2，经由管线又被输送至第一分离材料，其中，为此在所述管线中或与所述管线以传导气体的方式连接地布置有呼吸气体泵/涡轮机，所述呼吸气体泵/涡轮机生成呼吸气体的必要的冲洗流量，该冲洗流量也可以简单地是体积置换(Volumenverschiebung)。
所述设备的特征也在于，在第一分离材料和第二分离材料之间的管线中布置有止回阀，所述止回阀选择性地在一个方向上阻止呼吸气体的流量。
根据本发明，分离材料1和2实施成相同或不同的。这尤其适用于过滤器的选择。例如，过滤器对于氧气和二氧化碳和/或麻醉剂具有不同的选择性。
补充地，所述设备的特征也在于，第二分离材料实施为具有上部部分和下部部分的过滤器，其中，在所述部分之间布置有扩散过滤器，其中，上部部分具有用于(来自第一分离材料的)呼吸气体混合物的流入部和通向环境的流出部，其中，下部部分具有在朝向第一分离材料的方向上通向呼吸气体路径的流出部，其中，在流出部和流入部之间在呼吸气体路径中布置有泵/涡轮机，所述泵/涡轮机产生用于呼吸气体的冲洗流量。
可选地，所述设备的特征也在于，扩散过滤器是能蒸汽灭菌的，即在直至134℃是热稳定的。
可选地，所述设备的特征也在于，两个扩散过滤器构造为薄膜过滤器/面过滤器或者构造为管(中空纤维)，其中，面和通道横截面的大小在此构造成使得实现在流动方向上的60L/min的流量并且在流动方向和/或扩散方向上不超过2cmH2O(＝＝mbar，＝＝hPa)的最大压力降。
可选地，所述设备的特征也在于，N2和/或O2与CO2的扩散过滤器的渗透率比值构造成使得基本上拦住CO2，其中，所述渗透率比值优选大小为使得释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中的CO2流量小于在第一阶段中在分离材料中的冲洗流量。
所述设备的特征也在于，进入到分离材料中的第一流量为4至30L/min，并且进入到分离材料中的第二流量为1至35L/min。
可选地，所述设备的特征也在于，能够根据需要将在第一腔室和接着的腔室之间的冲洗流量调节成，使得离开第一阶段的CO2含量是能调设的。
所述设备的特征也在于，在第一分离材料的下游和吸气式患者连接部的上游布置有呼吸气体泵。
可选地，所述设备的特征也在于，在第一分离材料的下游和呼吸气体泵的上游布置有(氧气的)新鲜气体供应和/或麻醉气体供应。
所述设备的特征也在于，在呼吸气体泵的下游布置有氧气传感器和/或流量传感器和/或CO2传感器。
可选地，所述设备的特征也在于，设置有通过分离材料的级联式冲洗流量处理，其中，第二分离材料实施为双重或多重扩散过滤器。
所述设备的特征也在于，第二分离材料将至少二氧化碳CO2从呼吸气体混合物中分离并且将其从上腔室经由输出端离析到呼吸气体继续传导系统中，其中，泵将离析出的二氧化碳CO2经由管线又引导至第二分离材料的输入端。
所述设备的特征也在于，呼吸气体混合物的、通过扩散过滤器所扩散的剩余部分，即基本上是氮气N2和氧气O2，从下腔室通过开口被传导至第二分离材料并且在这里通过进口进入，所述剩余部分在这里仍具有例如6％的CO2。
所述设备的特征也在于，第二过滤器的进口利用第一过滤器的出口来供给，其中，在第二分离材料的下部部分中，因而进一步减小的CO2份额占主导地位，其中，经如此处理的呼吸气体又被输送至第一分离材料。
本发明也包括一种具有根据本发明的设备的软管系统。
本发明也包括一种具有根据本发明的设备的人工呼吸机。
本发明也包括一种人工呼吸机，其设置和构造为用于实施所述方法的步骤。
本发明也包括一种人工呼吸机，其包括用于分离呼吸气体混合物的设备，所述呼吸气体混合物至少包含O2和CO2并且在呼吸气体路径中流动，
-在所述呼吸气体路径中，将呼吸气体混合物在第一流量下引导至第一分离材料，
-其中，第一分离材料将至少氧气O2与二氧化碳CO2分离，并且
-其中，氧气和减小的份额的CO2又被输送至呼吸气体路径或保留在呼吸气体系统中，
-其中，将具有至少氧气和增加的份额的二氧化碳CO2的所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下引导至第二分离材料，
-其中，通过第二分离材料将至少二氧化碳CO2从呼吸气体混合物中分离，并且
-其中，将所分出的二氧化碳CO2至少暂时离析出或者释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中，并且
-其中，又将呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是氧气O2和减小的份额的CO2输送至第一分离材料。
替代地或补充地，本发明由一种用于从呼吸气体混合物中分离CO2的方法和设备构成，其中，呼吸气体混合物沿着特殊的半渗透性的膜片一侧被引导，通过该膜片能够输送气体混合物的成分，其中，该膜片选择成，使得CO2和/或至少一种挥发性麻醉剂通过膜片的输送比呼吸气体混合物的其他气体成分的输送明显更低效率地进行，其中，使用两个膜片。
应指出的是，在权利要求中单独列举的特征能够以任意的、在技术上有意义的方式相互组合并且示出本发明的另外的构型。附加地，说明书尤其与附图相关联地描述和详细说明本发明。
此外，应指出的是，在本文中所使用的、在两个特征之间存在并且将它们相互联系起来的连词“和/或”总是解释成：在根据本发明的主题的第一构型中仅能够存在第一特征，在第二构型中仅能够存在第二特征，而在第三构型中既能够存在第一特征又能够存在第二特征。
从属权利要求涉及本发明的各种相互独立的有利的扩展方案，所述扩展方案的特征能够由本领域技术人员在技术上有意义的范畴内相互自由组合。这尤其也适用于超出不同权利要求类型的限制。
呼吸气体混合物在本发明意义上是任何能呼吸的气体混合物，该气体混合物包含氧气O2和二氧化碳(CO2)和/或至少氮气N2和/或至少一种麻醉气体(例如伺服氟醚、地氟醚、笑气、氙……)。
根据本发明所使用的过滤器在化学上耐受所使用的气体和蒸汽。过滤器模块整体上被设置和构造成能够被清洁和/或灭菌。因此，过滤器或过滤器模块具有至少134℃的必要的耐热性。
特别有利的是，如果用于降低CO2分压力或CO2份额的多种方法相互组合，即通过在膜片的背离呼吸气体混合物的侧上的气体冲洗并且通过降低在膜片的背离呼吸气体混合物的侧上的总压力来调设CO2分压力。
所使用的膜片的一个主要优点尤其在于，它们对卤代烃具有高的耐受性。出于这个原因，它们特别适合用于在麻醉系统或人工呼吸系统中的长期应用，在所述麻醉系统或人工呼吸系统中能预计到这些物质的值得注意的施加。
根据本发明，能够使用传感器以提供关于呼吸气体值或呼吸气体参数的信息，例如关于二氧化碳的信息。
根据本发明，人工呼吸机是家庭使用的无创伤性器具或者创伤性的临床人工呼吸机或麻醉人工呼吸，并且因而分别是下述器具或应用程序，其中二氧化碳对于人工呼吸的成功或患者的状态来说能够是重要的指导性参数(Leitparameter)。
具体实施方式
图1示出用于分离呼吸气体混合物3的根据本发明的设备和方法。呼吸气体混合物3至少包含氧气O2和二氧化碳CO2，并且可选地包含氮气N2和/或至少一种挥发性麻醉剂。
呼吸气体混合物3穿过呼吸气体路径4流动并且在第一流量下被引导至第一分离材料1。呼吸气体混合物3至少区段式地通过至少一个管线8穿过呼吸气体路径4流动。管线8能够至少被分为管线8a和管线8b。在此，呼吸气体混合物3直接或被迫地(由患者或借助泵或涡轮机)被带到分离材料1处。
第一分离材料1设置并且构造为用于，将至少氧气O2和/或二氧化碳CO2与至少一种挥发性麻醉剂(A)分开。
所述至少一种挥发性麻醉剂又被输送至呼吸气体路径4或保留在呼吸气体路径4中。呼吸气体路径4具有呼吸气体泵5(该呼吸气体泵能够是阀或涡轮机或呼吸气体源)，该呼吸气体泵能够实施为涡轮机。经由患者接口6将呼吸气体传导至患者7。
第一分离材料1能够仅表示在呼吸气体软管的(例如呼气式)分支中的扩散过滤器，或者，分离材料1能够实施为过滤器壳体，所述过滤器壳体具有用于呼吸气体的入口111、上腔室11、用于通向患者的呼吸气体的出口112、扩散过滤器12、下腔室13和用于来自下腔室13的呼吸气体的出口132以及进入下腔室131中的入口。
(具有至少氮气N2和氧气O2以及二氧化碳CO2的)所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下经由管线8a被引导至第二分离材料2。通过第二分离材料2将至少二氧化碳CO2从呼吸气体混合物中分离。将所分出的二氧化碳CO2至少暂时离析出或者释放到环境25中或呼吸气体继续传导系统25中。
在此，存在下述装置24，所述装置调节所分出的二氧化碳的流量。
呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是(氮气N2和)氧气O2，经由管线8b又被输送至第一分离材料1。为此，在管线8b中或与管线8a和/或8b以传导气体的方式连接地布置有呼吸气体泵/涡轮机10，所述呼吸气体泵/涡轮机生成呼吸气体的必要的冲洗流量(该冲洗流量也能够简单地是体积置换)。在管线8a中，在第一分离材料1和第二分离材料2之间能够布置有止回阀9，所述止回阀选择性地在一个方向上阻止呼吸气体的流量，即尤其是从第二分离材料2至第一分离材料1的流动。
第一分离材料1设置和构造为能够选择性地允许较小分子，即氮气N2、氧气O2、二氧化碳CO2通过，并且拦住诸如挥发性麻醉剂的较大分子。第一分离材料1在这里实施为具有上部部分11和下部部分13的过滤器，其中，在这些部分之间布置有扩散过滤器12。上部部分11具有用于呼吸气体混合物3的流入部111和在朝向患者7的方向上通向呼吸气体路径4的流出部112。
下部部分13具有流入部131和在朝向第二分离材料2的方向上通向呼吸气体路径8a的流出部132。第二分离材料设置为能够选择性地允许较小分子，即氮气N2、氧气O2通过，并且至少在很大程度上拦住至少二氧化碳CO2。第二分离材料2能够包括扩散过滤器22。
在这里，第二分离材料2实施为具有上部部分21和下部部分23的过滤器，其中，在这些部分之间布置有扩散过滤器22。上部部分21具有用于呼吸气体混合物3(所述呼吸气体混合物来自第一分离材料)的流入部211和通向环境25的流出部212。
下部部分23具有在朝向第一分离材料1的方向上通向呼吸气体路径8b的流出部231。在流出部231和流入部131之间，在呼吸气体路径中布置有泵/涡轮机10，所述泵/涡轮机产生用于呼吸气体的冲洗流量。在流出部212和环境之间布置有狭窄部24，该狭窄部调节含有CO2的呼吸气体的流。呼吸气体由于浓度梯度经由扩散过滤器12、22被分离。
第一分离材料1包括例如扩散过滤器12。扩散过滤器12被患者气体污染(至少上腔室11)并且因此应当是能处理的(能灭菌的、能清洗的)。扩散过滤器12应当是能蒸汽灭菌的，即在直至134℃应当是热稳定的。今天的化学吸收剂在相对较短的时间(例如4至10小时的工作班次)之后被消耗并且此后是特殊垃圾，因为它们此后含有氯氟烃(挥发性麻醉剂)。因此，扩散过滤器必须在一年的使用时间中并且在每周处理的情况下承受大约50次高压灭菌循环。
两个扩散过滤器12和22构造为薄膜过滤器/面过滤器或者构造为管(中空纤维)。在此，面和通道横截面的大小构造成使得实现在流动方向上的60L/min的流量并且在流动方向和/或扩散方向上不超过2cmH2O(＝mbar，＝hPa)的最大压力降。必要时能够将许多薄膜或许多中空纤维平行化。
扩散过滤器12、22能够由各种塑料、陶瓷、压制的玻璃珠或者烧结或轧制的金属(或其组合)制成。经常使用的是：聚砜、聚醚砜(PES)纤维素、纤维素酯(醋酸纤维素、硝酸纤维素)、再生纤维素(RC)、硅酮、聚酰胺(“尼龙”，更准确地说：PA6、PA 6.6、PA 6.10、PA6.12、PA 11、PA 12)、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺脲、聚碳酸酯、陶瓷、不锈钢、银、硅、沸石(铝硅酸盐)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚哌嗪酰胺。
这些材料的组合用于制造薄层膜片(TF，英文：thin film)，该薄层膜片通常由支撑层(例如，醋酸纤维素)和覆盖层(例如，聚酰胺)组成。
所述第二分离材料22选择性地允许较小分子，即氮气N2和/或氧气O2通过，并且至少在很大程度上拦住至少二氧化碳CO2。第二分离材料2包括扩散过滤器22。扩散过滤器22对N2和O2与CO2的渗透率比值是至少50：1。N2和O2与CO2的渗透率比值也能够是至少100：1。渗透率的比值应优选大小为使得在第二阶段之后，释放到环境中或呼吸气体继续传导系统25中的CO2流量小于在第一阶段(分离材料1)中的冲洗流量。
进入到分离材料1中的第一流量为例如4至25L/min或6至18L/min。所释放的流量应尽可能小。所释放的流量应尽可能小于典型的平均呼出的患者流量。
平均而言，成年患者每分钟呼出少于8L的呼吸气体，该呼吸气体平均含有<＝5％的CO2。如果在扩散过滤器2中的气体能够10至12的因数富集，则得到所释放的流量(通过212)的、为0.6至0.8L/min的流速，这是可接受的。
第一流量由通风机或压缩气体源或泵5产生，或者第一流量由患者直接吸入到分离材料1中，例如当分离材料1在呼气软管中时。在这个实施例中，呼吸气体路径4是呼气式呼吸气体路径4e。
进入到分离材料2中的第二流量4为1至25L/min或6至18L/min。在腔室13和上腔室21以及下腔室23之间的冲洗流量能够根据需要被调节。由此能够调设在132处离开第一阶段的CO2含量。在第一阶段的输出端处(在132处)的较高的CO2含量虽然对患者而言并不理想，但是能够在蓄电池运行时节省能量并且延长运行时间。
第二流量由通风机或压缩气体源或泵10产生。呼吸气体混合物3至少部分地或完全地取自呼气式呼吸气体路径4e。第一分离材料1以第一输出端112与吸气式呼吸气体路径4i以传导呼吸气体的方式连接，其中，在第一分离材料1的下游和吸气式患者连接部6的上游布置有呼吸气体源5。在第一分离材料1的下游和呼吸气体源5的上游可选地布置有(氧气的)新鲜气体供应和麻醉气体供应。在呼吸气体源5的下游可选地布置有传感器，尤其是氧气传感器和/或麻醉气体传感器。在呼吸气体源5的下游可选地布置有流量传感器。在呼吸气体源5的下游可选地布置有CO2传感器(二氧化碳测量，Kapnometrie)。传感器还能够布置在第一分离材料1之前和/或第一分离材料1之后的呼吸气体路径中。传感器也能够布置在第二分离材料2之前和/或第二分离材料2之后的呼吸气体路径中。
所述方法和所述设备也实现了在呼吸气体混合物中对确定的呼吸气体的份额的调节/控制。为此，根据本发明，设置呼吸气体(尤其是O2、CO2和/或麻醉气体)的馈送或供入。同样，设置从呼吸气体混合物分出或去除至少确定的呼吸气体的份额。为此所需的调节、尤其是对所需要的执行器的控制由控制单元执行，该控制单元也能够分为多个子控制单元。
尤其地，控制/调节用于控制流量的执行器(即尤其是泵/涡轮机5、10、26)、用于去除呼吸气体(份额)的装置24、止回阀9、(氧气的)新鲜气体供应和麻醉气体供应。
为了调节/控制在呼吸气体混合物中的确定的呼吸气体的份额，控制单元考虑用户规范和/或所保存的指令和/或传感器信号。尤其是通过至少一个流量传感器和/或CO2传感器和/或O2传感器和/或麻醉气体传感器。
图2示出用于分离呼吸气体混合物3的根据本发明的设备和方法。呼吸气体混合物至少包含氧气O2和二氧化碳CO2，并且可选地包含氮气N2和/或至少一种挥发性麻醉剂(A)。图2示出根据图1的设备，然而该设备具有通过分离材料2的级联式冲洗流量处理。如果扩散系数明显小于100或气体损失应进一步被减少，则可使用这个设备。理论上，能够级联任意数量的阶段。每个阶段都需要一个泵。然而，由于流量非常小，因此泵也能够设置和构造成小的且成本有利的。结果，经由级联冲洗流量处理能够释放少量的富含高浓度CO2的气体。
在通过第一扩散过滤器12之后被分出的、具有至少氧气O2和二氧化碳CO2的剩余呼吸气体混合物在第二流量下经由管线8a被引导至第二分离材料2，该剩余呼吸气体混合物在这里具有例如60％的CO2。第二分离材料设置为选择性地允许较小分子，即氮气N2和/或氧气O2通过，并且至少在很大程度上拦住至少二氧化碳CO2。第二分离材料2实施为双重或多重扩散过滤器2。
通过第二分离材料2，将至少二氧化碳CO2从呼吸气体混合物中分离并且将其从上腔室21经由输出端212离析出。所分出的二氧化碳CO2至少暂时被离析出或者被释放到环境25中或呼吸气体继续传导系统25中。呼吸气体继续传导系统25可选地具有泵26，该泵将所分出的二氧化碳CO2经由管线27又引导至第二分离材料2的输入端211。
呼吸气体混合物的、通过扩散过滤器22所扩散的剩余部分，即基本上是氮气N2和氧气O2，从下腔室23中通过开口231被传导至第二分离材料2’并且在这里通过进口211’进入，所述剩余部分在这里仍具有例如6％的CO2。
第一过滤器实施为具有上部部分21和下部部分23，其中，在这些部分之间布置有扩散过滤器22。上部部分21具有用于呼吸气体混合物3的流入部211和通向环境25的流出部212。在流出部212和环境之间布置有狭窄部24，该狭窄部调节含有CO2的呼吸气体的流。
下部部分23具有在朝向第二过滤器2’的方向上的流出部231。
第二过滤器2’的入口211’利用第一过滤器231的出口来供给。上部部分21’具有通向泵26的流出部212’，该泵将含有CO2的呼吸气体(具有6％的CO2)经由管线27传导至第一过滤器2的入口211。因而，在这个实施例中，在第二分离材料2’的下部部分23’中将CO2份额减小到0.6％。经如此处理的呼吸气体又被输送至第一分离材料1。在第二过滤器的流出部231’和第一过滤器的流入部131之间，在呼吸气体路径中布置有呼吸气体泵10，该呼吸气体泵产生用于呼吸气体的冲洗流量。
与图1的实施方式相应地，在根据图2的实施方式中也能够在第一分离材料1的下游和吸气式患者连接部6的上游布置呼吸气体泵5。在第一分离材料1的下游和呼吸气体泵5的上游可选地布置有(氧气的)新鲜气体供应和麻醉气体供应。在呼吸气体泵5的下游可选地布置有传感器，尤其是氧气传感器和/或麻醉气体传感器。在呼吸气体泵5的下游可选地布置有流量传感器。在呼吸气体泵5的下游可选地布置有CO2传感器(二氧化碳测量)。传感器还能够布置在第一分离材料1之前和/或第一分离材料1之后的呼吸气体路径中。传感器也能够布置在第二分离材料2之前和/或第二分离材料2之后的呼吸气体路径中或者也能够布置在管线2中。
所述方法和所述设备也实现了在呼吸气体混合物中对确定的呼吸气体的份额的调节/控制。为此，根据本发明，设置呼吸气体(尤其是O2、CO2和/或麻醉气体)的馈送或供入。同样，设置从呼吸气体混合物分出或去除至少确定的呼吸气体的份额。为此所需的调节、尤其是对所需的执行器的控制由控制单元执行，该控制单元也能够分为多个子控制单元。
尤其地，控制/调节用于控制流量的执行器(即尤其是泵/涡轮机5、10、26)、用于去除呼吸气体(份额)的装置24、止回阀9、(氧气的)新鲜气体供应和麻醉气体供应。
为了调节/控制在呼吸气体混合物中的确定的呼吸气体的份额，控制单元考虑用户规范和/或所保存的指令和/或传感器信号。尤其是由至少一个流量传感器和/或CO2传感器和/或O2传感器和/或麻醉气体传感器的传感器信号。
图3示出根据本发明的教导(设备和方法)在根据本发明的人工呼吸机中的应用以及所述教导的含意。图3示出在血液动力学上稳定的、已麻醉的患者处在消除CO2的情况下肺泡通气VA的重要性。图3示出在监测肺泡通气时借助容积二氧化碳分析的不同的患者特定的生理参数的变化过程。在(B)中呈现在血液动力学上稳定的患者处的肺泡通气(VA)的改变，通过(A)将呼吸频率(RR)从每分钟15次呼吸减小为每分钟10次呼吸(i)，通过在受控的人工呼吸的情况下提高(ii)以及降低(iii)潮气量(VT)。
二氧化碳的消除(VCO2)(在D中示出)和肺泡的CO2分压力(PACO2)(在C中示出)的表现相反。动脉的CO2分压力(PaCO2)在(C)中通过肺泡的PACO2(C中的上部线)来示出。
并不是呼吸道的所有部分——从嘴和鼻孔到肺泡——实际上都参与了气体交换。为了判断并且必要时优化人工呼吸的“有效性”，关于“有效的”肺泡通气的份额的信息是非常有帮助的。CO2由于其高溶解度以及由此产生的非常快的动力学是肺泡通气(VA)的理想指标。因此，以二氧化碳分析曲线的形式的、在呼出气体混合物中测得的CO2分压力(PETCO2)的测量和图形示图提供用于连续监测通气。借助二氧化碳分析对通气进行定性判断的实施例是：断开连接、呼吸暂停、排除错误插管、梗塞、排除患者-通风机的不同步等等。进一步，PETCO2用作定量量度(用于调整通气)——在血流动力学稳定且物质代谢恒定的情况下，高PETCO2指标是通气不足的指标，或者说，低PETCO2是通气过度的指标。在实践中，两者都会引起在人工呼吸机处调整每分钟呼吸体积(Atemminutenvolumen，VE)。因为VE是潮气量和呼吸频率的乘积，为此提供这两个成分的调制。原则上，当今寻求低的潮气量(VT)，以借助肺保护性的人工呼吸来避免容积创伤、生物创伤和气压创伤。然而，在此应特别考虑的是：在每次呼吸时除了参与气体交换的肺泡之外死腔也会被通风。这种死腔通风的份额显著影响人工呼吸的效率。对于每分钟呼吸体积，即肺泡通气(VA)，和死腔通气(VD)适用以下简单公式：
VE＝VA+VD
VE即由有效部分和无效部分组成，在该有效部分中气体与肺毛细血管接触并且进而参与气体交换(肺泡通气＝VA)，该无效部分不参与气体交换(死腔＝VD)。因而，VA及其占VE的份额是呼吸的效率的量度，并且尤其是在呼吸受限制的情况下，VA和VD是用于优化人工呼吸调设的重要特性参量。据此，VA被计算为：
VA＝VE-VD
图3示出在血液动力学上稳定的、已麻醉的患者处，在消除CO2的情况下VA的重要性。呼吸频率和VT的变化引起VA的改变，所述改变在相反的意义上影响CO2分压力和CO2消除(VCO2)。在升高的VA下的较大的VCO2减小在肺泡毛细血管膜的两侧的分压，这导致低碳酸血症。相反，较低的VA带来较少的CO2消除并且进而带来高碳酸血症。
二氧化碳分析是一种合适的手段，以确定并且以图形的方式表示呼出的二氧化碳(简称呼出CO2)的量或份额。在此，机械式人工呼吸的患者的CO2动力学以无创伤的方式且实时地被呈现出。尤其是容积二氧化碳分析示出一种用于临床监测机械式人工呼吸的患者的合适的手段。
借助二氧化碳分析，在此能够在呼吸循环期间测量呼吸气体中的CO2浓度。CO2浓度在此定期地通过根据Lambert-Beer定律的红外光的吸收来计算，并且通常表示为以mmHg为单位的分压力。在呼吸期间的CO2消除的图形示图被称为二氧化碳图，并且相应的测量器具被称为二氧化碳浓度监测仪(Kapnograph)。
CO2的量(或者说，具体为在患者的单次呼吸中所消除的CO2体积)的患者特定的生理参数能够无创伤地通过容积二氧化碳分析借助呼出的CO2在呼出的潮气量上的积分来确定。
因此，在根据建议的方法的过程中，能够将CO2的扩散用作代表人工呼吸(künstlichen Beatmung)成功的、患者特定的生理参数，以便随后自动化地得出调整至少一个技术上的人工呼吸参数的结论。因而，能够确保生理上成功、但不刺激患者的人工呼吸。
根据所述教导的另一个方面，提出一种用于患者的人工呼吸的人工呼吸机。根据提出的人工呼吸机包括：测量装置(传感器)，该测量装置设置为用于检测至少一个患者特定的生理参数(诸如O2或CO2)；控制装置，该控制装置设置为用于确定至少一个技术上的人工呼吸参数，其中，基于所述技术上的人工呼吸参数实现患者的人工呼吸，其中，所述至少一个技术上的人工呼吸参数相应于人工呼吸参数(即，呼吸气压、每分钟呼吸体积、潮气量、呼吸频率、呼气末正压和/或由人工呼吸机提供的吸入的氧气浓度和/或由人工呼吸机提供的CO2份额或分压力)中的至少一个；以及，调节单元，该调节单元与测量装置和与控制装置进行通信。在此，测量装置设置成以时间间隔执行对所述至少一个患者特定的生理参数的重复测量。调节单元设置成基于对患者特定的生理参数的重复测量来执行对所述至少一个技术上的人工呼吸参数的调整。
根据提供的用于患者的人工呼吸的人工呼吸机优选设置为用于，借助前述的方法和/或在使用所述设备的情况下来运行。
尤其地，在人工呼吸机方面，这种认识是关键的：进行人工呼吸的肺部的在进行人工呼吸的患者的一次呼吸到下一次呼吸的可变的功能状态被纳入对人工呼吸设定的调节中。通过将一方面以技术上的人工呼吸参数的形式而另一方面以患者特定的生理参数的形式的技术上的特性参量和生理特性参量同时纳入到对人工呼吸机的调节中，实现了人工呼吸治疗的新的维度。即使在当今现代重症特别护理所处的艰巨条件下，即在尽管病情越来越严重但患者的住院时间却在减少的情况下，这种处理方法实现了对人工呼吸治疗的可靠控制。
根据提出的人工呼吸机能够自动化地通过患者特定的生理参数来观察患者的状态并且以规则的时间间隔通过所提出的调节/控制来自动地调整技术上的人工呼吸参数，使得实现对患者进行成功的且不刺激的人工呼吸。
根据人工呼吸机的另一有利的实施方式设置，测量装置构造为二氧化碳浓度检测仪并且设置为使得它借助(优选容积)二氧化碳分析来执行对至少一个患者特定的生理参数的重复测量，并且使得所述至少一个患者特定的生理参数相应于至少一个直接代表患者肺部中的CO2气体交换的参数，优选相应于以下参数中的至少一个：在所呼出的气体混合物中的呼气末CO2分压力、肺泡的CO2分压力或在患者单次呼吸时所消除的CO2体积。

Claims (42)

1.一种用于分离呼吸气体混合物(3)的方法，所述呼吸气体混合物至少包含O2和CO2以及至少一种挥发性麻醉剂，并且在呼吸气体路径(4)中流动，
-在所述呼吸气体路径中，将所述呼吸气体混合物(3)在第一流量下引导至第一分离材料(1)，
-其中，所述第一分离材料(1)将至少氧气O2和二氧化碳CO2与所述至少一种挥发性麻醉剂分离，并且
-其中，将所述至少一种挥发性麻醉剂又输送至所述呼吸气体路径(4)或保留在呼吸气体系统中，
-其中，将至少具有氧气O2和二氧化碳CO2的、所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下引导至第二分离材料(2)，
-其中，通过所述第二分离材料(2)至少将二氧化碳CO2从所述呼吸气体混合物中分离，并且
-其中，将所分离的二氧化碳CO2至少暂时地离析出或者释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中，并且
-其中，将所述呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是氧气O2又输送至所述第一分离材料(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一分离材料(1)选择性地允许较小分子，即氧气O2和二氧化碳CO2通过，并且拦住至少一种挥发性麻醉剂。
3.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第二分离材料(2)选择性地允许较小分子，即氮气N2和/或氧气O2通过，并且至少在很大程度上拦住至少二氧化碳CO2。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第一分离材料(1)和/或所述第二分离材料(2)是扩散过滤器(2)。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第二分离材料(2)是扩散过滤器，所述扩散过滤器具有至少为50：1的N2和/或O2与CO2的渗透率比值。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第二分离材料(2)是扩散过滤器，所述扩散过滤器具有至少为100：1的N2和/或O2与CO2的渗透率比值。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第一流量为4至25L/min。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第一流量由通风机或压缩气体源或泵产生。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第一流量至少阶段式地包含具有10至30％氧气的呼吸气体。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第二流量为4至25L/min。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第二分离材料(2)是扩散过滤器，所述扩散过滤器具有O2与CO2的下述渗透率比值，所述渗透率比值优选大小为，使得释放到环境中或呼吸气体继续传导系统(25)中的CO2流量小于所述第一分离材料(1)的冲洗流量。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述第二流量由通风机或压缩气体源或泵(10)产生。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述呼吸气体混合物至少部分地或完全地取自呼气式呼吸气体路径。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，第一分离材料(1)以第一输出端与吸气式呼吸气体路径(4)以传导呼吸气体的方式连接，其中，在所述第一分离材料(1)的下游和吸气式患者连接部的上游布置有呼吸气体源(5)。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，其中，在所述第一分离材料(1)的下游和所述呼吸气体源(5)的上游布置有尤其是以氧气形式的新鲜气体供应和麻醉气体供应。
16.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述呼吸气体源(5)的下游布置有氧气传感器和/或流量传感器和/或CO2传感器。
17.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述呼吸气体混合物至少具有氮气N2、氧气O2、二氧化碳CO2和至少一种挥发性麻醉剂。
18.一种用于分离呼吸气体混合物(3)的设备，所述呼吸气体混合物至少包含O2和CO2以及至少一种挥发性麻醉剂并且在呼吸气体路径(4)中流动，
-在所述呼吸气体路径中，所述呼吸气体混合物(3)在第一流量下被引导至第一分离材料(1)，
-其中，所述第一分离材料(1)将至少氧气O2和二氧化碳CO2与所述至少一种挥发性麻醉剂分离，并且
-其中，所述至少一种挥发性麻醉剂又被输送至所述呼吸气体路径(4)或保留在呼吸气体系统中，
-其中，至少具有氧气O2和二氧化碳CO2的、所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下被引导至第二分离材料(2)，
-其中，通过所述第二分离材料(2)至少将二氧化碳CO2从所述呼吸气体混合物中分离，并且
-其中，所分出的二氧化碳CO2至少暂时被离析出或者释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中，并且
-其中，所述呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是氧气O2又被输送至所述第一分离材料(1)。
19.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述呼吸气体混合物直接或被迫地通过患者或者借助泵或涡轮机被传导至所述第一分离材料(1)，其中，所述第一分离材料(1)设置和构造为用于将至少氧气O2和/或二氧化碳CO2与至少一种挥发性麻醉剂分开，其中，所述至少一种挥发性麻醉剂又被输送至所述呼吸气体路径(4)或保留在所述呼吸气体路径中，其中，所述呼吸气体路径具有呼吸气体泵(5)，所述呼吸气体泵是阀或涡轮机或呼吸气体源，其中，所述呼吸气体经由患者接口(6)被传导至患者(7)。
20.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述第一分离材料(1)构造为在呼吸气体软管的分支中的扩散过滤器或构造为过滤器壳体，所述过滤器壳体具有用于呼吸气体的入口(111)、上腔室(11)、通向患者的呼吸气体的出口(112)、扩散过滤器(12)、下腔室(13)和出口(132)以及入口，所述出口用于来自所述下腔室(13)的呼吸气体、在朝向所述第二分离材料(2)的方向上通向呼吸气体路径(8a)，所述入口从所述第二分离材料的管线(8b)进入所述下腔室(131)中。
21.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，具有至少氮气N2和氧气O2以及二氧化碳CO2的所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下经由管线(8a)被引导至第二分离材料(2)，并且通过所述第二分离材料(2)将至少二氧化碳CO2从所述呼吸气体混合物中分离，其中，将所分出的二氧化碳CO2至少暂时离析或者释放到环境(25)中或呼吸气体继续传导系统(25)中，其中，存在下述装置(24)，所述装置调节所分出的二氧化碳的流量。
22.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是氮气N2和氧气O2，经由管线(8b)又被输送至第一分离材料(1)，其中，为此在所述管线中或与所述管线以传导气体的方式连接地布置有呼吸气体泵或涡轮机(10)，所述呼吸气体泵或涡轮机生成呼吸气体的所需要的冲洗流量或体积置换。
23.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，在所述第一分离材料(1)和所述第二分离材料(2)之间的管线(8)中布置有止回阀，所述止回阀选择性地在一个方向上阻止呼吸气体的流量。
24.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述第二分离材料(2)实施为具有上部部分(21)和下部部分(23)的过滤器，其中，在所述部分之间布置有扩散过滤器(22)，其中，所述上部部分(21)具有流入部(211)和流出部(212)，所述流入部用于来自所述第一分离材料(1)的呼吸气体混合物(3)，所述流出部通向所述环境(25)，其中，所述下部部分(23)具有在朝向所述第一分离材料(1)的方向上通向所述呼吸气体路径(8b)的流出部(231)，其中，在所述流出部(231)和所述流入部(131)之间在所述呼吸气体路径中布置有泵或涡轮机(10)，所述泵或涡轮机产生用于所述呼吸气体的冲洗流量。
25.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述扩散过滤器(12/22)是能蒸汽灭菌的，即在直至134℃是热稳定的。
26.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，两个扩散过滤器(12和22)构造为薄膜过滤器和/或面过滤器或者构造为管和/或中空纤维，其中，面和通道横截面的大小构造成使得实现在流动方向上的60L/min的流量并且在扩散方向上不超过2cmH2O(＝mbar，＝hPa)的最大压力降。
27.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，N2和/或O2与CO2的扩散过滤器(22)的渗透率比值构造成使得基本上拦住CO2，其中，所述渗透率比值优选大小为使得释放到所述环境中或呼吸气体继续传导系统(25)中的CO2流量小于在第一阶段中在分离材料(1)中的冲洗流量。
28.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，进入到所述分离材料(1)中的所述第一流量为4至30L/min，而进入到所述分离材料(2)中的所述第二流量(4)为1至35L/min。
29.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，根据需要将在腔室(13)和腔室(21)之间的冲洗流量调节成，使得在132处离开第一阶段的CO2含量是能调设的。
30.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，在所述第一分离材料(1)的下游和所述吸气式患者连接部(6)的上游布置有呼吸气体泵(5)。
31.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，在所述第一分离材料(1)的下游和所述呼吸气体源(5)的上游布置有尤其是以氧气形式的新鲜气体供应和麻醉气体供应。
32.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，在所述呼吸气体泵(5)的下游布置有氧气传感器和/或流量传感器和/或CO2传感器。
33.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，设置有穿过分离材料(2)的级联式冲洗流量处理，其中，所述第二分离材料(2)实施为双重或更多重扩散过滤器(2)。
34.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述第二分离材料(22)将至少二氧化碳CO2从所述呼吸气体混合物中分离并且将其从所述上腔室(21)经由所述输出端(212)离析到所述呼吸气体继续传导系统(25)中，其中，泵(26)将所离析出的二氧化碳CO2经由管线(27)又引导至所述第二分离材料(2)的输入端(211)。
35.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述呼吸气体混合物的、通过所述扩散过滤器(22)扩散的剩余部分，即基本上是氮气N2和氧气O2，从所述下腔室(23)通过开口(231)被传导至所述第二分离材料(2’)并且在这里通过进口(211’)进入，所述剩余部分在这里仍具有例如6％的CO2。
36.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，所述第二过滤器的进口(211’)利用所述第一过滤器(231)的出口来供给，其中，在所述第二分离材料(2’)的所述下部部分(23’)中，因而进一步减小的CO2份额占主导地位，其中，经如此处理的呼吸气体又被输送至所述第一分离材料(1)。
37.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，分离材料1和2是不同的。
38.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其特征在于，分离材料1和2是相同的。
39.一种软管系统，其具有根据前述权利要求中至少一项的设备。
40.一种人工呼吸机，其具有根据前述权利要求中至少一项的设备。
41.一种人工呼吸机，其设置和构造为用于实施根据权利要求1所述的方法的步骤。
42.一种人工呼吸机，其包括用于分离呼吸气体混合物(3)的设备，所述呼吸气体混合物至少包含O2和CO2并且在呼吸气体路径(4)中流动，
-在所述呼吸气体路径中，所述呼吸气体混合物(3)在第一流量下被引导至第一分离材料(1)，
-其中，所述第一分离材料(1)将至少氧气O2与二氧化碳CO2分开，并且
-其中，氧气和减小的份额的CO2又被输送至所述呼吸气体路径(4)或保留在所述呼吸气体系统中，
-其中，将具有至少氧气和增加的份额的二氧化碳CO2的所分出的剩余呼吸气体混合物在第二流量下引导至第二分离材料(2)，
-其中，通过所述第二分离材料(2)将至少二氧化碳CO2从所述呼吸气体混合物分离，
-其中，将所分出的二氧化碳CO2至少暂时离析出或者释放到环境中或呼吸气体继续传导系统中，并且
-其中，所述呼吸气体混合物的剩余部分，即基本上是氧气O2和减小的份额的CO2又被输送至所述第一分离材料(1)。
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