DD293268A5

DD293268A5 - Regeleinrichtung fuer ein beatmungsgeraet

Info

Publication number: DD293268A5
Application number: DD33944290A
Authority: DD
Inventors: Uwe Hannemann; Siegfried Kaiser
Original assignee: Technische Universitaet Dresden,De
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1990-04-05
Publication date: 1991-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für ein Beatmungsgerät zur Einstellung des positiv-exspiratorischen Restdruckes bei der maschinellen Beatmung von Patienten. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einem Beatmungsgerät mit einem binären Verschlussmechanismus im Exspirationszweig und einem Drucksensor zwischen Patient und Verschlussmechanismus dadurch gelöst, dass ein Regler mit integrierendem Anteil zur Korrektur der Exsufflationszeit (k + 1) im Beatmungszyklus k + 1 gegenüber der Exsufflationszeit t(k) im vorhergehenden Beatmungszyklus k in Abhängigkeit von der Differenz E(k) zwischen dem gemessenen exspiratorischen Restdruck p ind R (k) und dem Soll-Restdruck p ind RSoll und parallel zur Regelstrecke (System Ventilator-Patient) ein Analogmodell der Ventilationsmechanik zur Bestimmung eines Modellrestdruckes p ind RM (k + 1) in Abhängigkeit von der vom Regler ermittelten Exsufflationszeit t(k + 1) und den gemessenen exspiratorischen Start- und Restdruck p ind LO (k + 1) im Beatmungszyklus k + 1 vorgesehen sind. Das Beatmungsgerät arbeitet ohne Gegendruck bzw. -strom. Der Verschlussmechanismus ist während der gesamten Exsufflationszeit voll geöffnet und wird nach Ablauf der Exsufflationszeit unmittelbar d.h., ohne Übergang, geschlossen. Binäre Verschlussmechanismen lassen sich mit geringer dynamischer Resistance herstellen, wodurch die Exsufflation des Patienten zusätzlich erleichtert wird. Mit dem Regler wird die Exsufflationszeit im Vergleich zwischen dem gemessenen und dem Soll-Restdruck nach jedem Beatmungszyklus nachgestellt. Zur Sicherheit des Patienten ist dem Regler ein Analogmodell parallelgeschaltet. Bei jedem Beatmungszyklus wird mit den Modellparameterwerten des vorhergehenden Beatmungszyklus der nach Modell zu erwartende Restdruck ermittelt und mit dem gemessenen vergleichen. Bei konstanten Beatmungsverhältnissen weichen sie kaum voneinander ab. Jede größere Messwertstörung, beispielsweise durch einen Spontanatemversuch, führt über einen Restdruckbewerter zu einer sofortigen Änderung der Eingangswerte des ansonsten konstant eingestellten Reglers. Fig. 1{Regeleinrichtung; Beatmungsgerät; Restdruck, positiv-exspiratorisch; Beatmung, maschinell; Verschlussmechanismus, binär; Exspirationszweig; Drucksensor; Exsufflationszeit.}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für ein Beatmungsgerät zur Einstellung des positiv-exspiratorischen Restdruckes bei der maschinellen Beatmung von Patienten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In Geräten zur maschinellen Beatmung von Patienten werden bereits Regeleinrichtungen zur Erzeugung eines positivexspiratorischen Restdruckes verwendet. Der Restdruck wird dadurch eingestellt, daß der Patient während der gesamten Exsuff lationsphase gegen einen vorher eingestellten positiven Schwelldruck ausatmet. Dieser wirkt dem Ausatemdruck der Lunge entgegen und verzögert so die Exsufflation. Die für dieses Verfahren typischen Regeleinrichtungen verschließen den Exspirationszweig, wenn der wirksame Exspirationsdruck kleiner als der Schwelldruck wird. Die Lösungen unterscheiden sich vornehmlich in der Art und Weise, wie der Gegen- bzw. Schwelldruck erzeugt wird.

Nach DE-OS 2241291 wird der Gegendruck durch eine Wassersäule erzeugt. Wassergefüllter Behälter stellen unter Krankenhausbedingungen erhöhte Anforderungen bezüglich Wartung und Desinfektion.

Bekannt ist weiterhin eine Ausführung, bei der der Schwelldruck durch die Schwerkraft eines Schwebekörpers erzeugt wird (DE-OS 3626643). Spezieller Nachteil dieser Lösung ist die aufwendige Einstellung bestimmter Schwelldruckwerte durch Masseänderung des Schwebekörpers.

Außerdem werden pneumatisch steuerbare Rollen- oder Membranventile zur Einstellung des Gegen- bzw. Schwelldruckes eingesetzt (DE-OS 1491740 und 2947363, Bedienungsanleitung Ventilator Bennett 7200, Hoyer Bremen). Um diese Lösungen einsetzen zu können, ist ein steuerbarer Hilfsdruck erforderlich.

Bei einigen Lösungen wird der Restdruck über eine mittels Feder vorgespannte Konstruktion erzeugt (DD-PS 260653). Diese Lösung hat, konstruktiv bedingt, eine relativ hör," dynamische Resistance.

Bekannt ist weiterhin eine Ausführung, bei der der Schwelldruck über eine Vorrichtung mittels gesteuertem Gegenstrom erzeugt wird (Zietz, G. u.a.: Ein Betrag zur Geräteentwicklung für Säuglings- und Kinderbeatmung. In: Anaesthesiol. Reanimat. 11 [1986), H. 5, S. 309-316).

Der gemeinsame Nachteil der beschriebenen Ausführungen und damit der Verfahren mit Druckschwelle besteht darin, daß der wirksame Exspirationsdruck um den Wert des Schwelldruckes vermindert wird und dabei im Einzelfall erhebliche dynamische Resistances auftreten können. Dadurch ist eine erhöhte Exspirationsarbeit notwendig und der Kreislauf des Patienten wird infolge des erhöhten Mitteldruckes zusätzlich belustet.

Es ist weiterhin bekannt, daß zur Erzeugung des positiv-exspiratorischen Restdruckes Verfahren nach dem Venturi-Prinzip Anwendung finden (Bedienungsanleitung Ventilator BB2001, Be Meds, Baar), die der Funktionsweise nach einem pneumatisch realisierten analogen Druckregelkreis entsprechen. Nachteilig bei dieser Lösung sind der hohe Aufwand an oneumatischmechanischen Baugruppen und die erheblichen dynamischen Resistances im Exspirationszweig bei der Ausführung ohne Jetpumpe.

Bei einer weiteren Lösung wird über Pulslängenmodulation ein Schlauchquetschventil quasikontinuierlich während der gesamten Exspirationsphase gestellt (Bedienungsanleitung Servo 900C, Siernens-Elema). Die Dynamik dieser elektronischen Regelung ist dabei wesentlich von der Gerätekonfiguration, den Patientenparametern und dem Ort der Druckmessung abhängig. Nachteilig sind weiterhin der relativ hohe Aufwand an diskreter Elektronik und die Regeleinrichtungerhöhung im Exspirationszweig infolge zunehmenden Ventilströmungswiderstandes während der Regelphase.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine den Patienten schonende und mit vertretbarem technischen Aufwandes realisierbare Einstellung des positiv-exspiratorischen Restdruckes.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindui g ist es, das Beatmungsgerät mit einfachen Mitteln und ohne Gegendruck bzw. -strom so zu steuern, daß sich mit'dem Ende der Exsufflationszeit ein positiv-exspiratorischer Restdruck einstellt, der dem vorgegebenem möglichst nahekommt und dabei zugleich eine hohe Sicherheit für den Patienten zu garantieren.

Erfindungsgernäß wird diese Aufgabe bei einem Beatmungsgerät mit einem binär.-η Verschlußmechanismus im Exspirationszweig und einem Drucksensor zwischen Patient und Verschlußmechanismus dadurch gelöst, daß ein Regler mit integrierendem Anteil zur Korrektur der Exsufflationszeit t(k + 1) im Beatmungszyklus k + 1 gegenüber der Exsufflationszeit(k) im vorhergehenden Beatmungszyklus k in Abhängigkeit von der Differenz E(k) zwischen dem gemessenen exspiratorischen Restdruck p_R(k) und dem Soll-Restdruck p_RSoii und parallel zur Regelstrecke (System Ventilator-Patient) ein Analogmodell der Ventilationsmechanik zur Bestimmung eines Modellrestdruckes p_nM(k + 1) in Abhängigkeit von der vom Regler ermittelten Exsufflationszeit t(k + 1) und den gemessenen exspiratorischen Start- und Restdruck p_L0(k + 1) bzw. p_R(k + Dim Beatmungszyklus k + 1 vorgesehen sind, der nach dem Analogmodell orwartete Restdruck p_RM(k +Dim Vergleich zum gemessenen Restdruck Pn(k + 1) an einem logischen Rstdruckbewerter anliegt und der Ausgang des Restdruckbewerters auf den Eingang des Reglers geschaltet ist.

Das Beatmungsgerät arbeitet ohne Gegendruck bzw. -strom. Der Verschlußmechanismus ist während der gesamten Exsufflationszeit voll geöffnet und wird nach Ablauf der Exsufflationszeit unmittelbar, d.h. ohne Übergang, geschlossen. Binäre Verschlußmechanismen lassen sich mit geringer dynamischer Resistance herstellen, wodurch die Exsufflation des Patienten zusätzlich erleichtert wird. Mit dem Regler wird die Exsufflationszeit im Vergleich zwischen dem gemessenen und dem Soll-Restdruck nach jedem Beatmungszyklus nachgestellt. Bei einem zu hohen gemessenen Restdruck wird die Exsufflationszeit verlängert und umgekehrt. Damit die Sicherheit des Patienten gewahrt bleibt, ist diesem an sich einfachen Regler das Analogmodell parallelgeschaltet. Bei jedem Beatmungszyklus wird mit den Modellparameterwerten des vorhergehenden Beatmungszyklus der nach dem Modell zu erwartende Restdruck ermittelt und mit dem gemessenen verglichen. Bei konstanten Beatmungsverhältnissen weichen sie kaum voneinander ab. Jede größere Meßwertstörung, beispielsweise durch einen Spontanatemversuch im Meßzeitpunkt des Restdruckes, führt zu einer sofortigen Änderung der Eingangswerte des ansonsten konstant eingestellten Reglers.

In einer vorzugsweisen Ausführung ist der Regler, das Analogmodell und der Restdruckbewerter zur Verhinderung spontaner Inspiration über den Exspirationszweig bzw. zur Ermöglichung spontaner Triggerung bei der Beatmungart Continous-Positive-Airway-Pressure (CPAP) mit einem auf einen unteren und einen oberen Druck p_u bzw. p₀ eingestellten Zweipunktregler kurgeschlossen. Bei plötzlichem Druckabfall während der Exsufflation unter die fest eingestellte untere Druckgrenze p_u wird der Verschlußmechanismus solange geschlossen, bis der meßbare Druck im Exspirationszweig über die obere Druckgrenze p₀ ansteigt. Die Zeit des Spontanverschlusses wird gemessen und die vorausberechnete Verschlußzeit um diesen Wert verzögert, so daß trotz Spontanstörung während der Exsufflation der Restdruck mit geringem Fehler eingestellt wird, und dadurch eine ungewollte Inspiration unmöglich ist. Durch den Zweipunktregler wird auch ein sonst notwendiges Rückschlagventil im Exspirationszweig eingespart.

Au.'.führungsbeisplel In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,

Fig.2: eine Schaltung der Regelstrecke aus Fig. 1, ergänzt durch einen Zweipunktregler, Fig. 3: den idealisierten Druckverlauf am Y-Stück über zwei Beatmungszyklen.

Das maschinelle Beatmungsgerät hat ein übliches Ausrüstungsniveau. Speziell zur Realisierung dieser Lösung ist der Exspirationszweig mit einem Verschlußmechaniarnus 9, z. B. ein Magnetventil, binär verschließbar, d. h., der Exspirationszweig 10 ist entweder offen oder mit Hilfe des Verschlußmechanismus 9 geschlossen. Außerdem ist dem Exspirationszweig 10 zwischen Patient und Verschlußmechanismus ein Drucksensor 7 zugeordnet.

Die Regeleinrichtung besteht aus einem steuerbaren Regler 1, einem Analogmodell 3, einem logischen Restdruckbewerter 4 und einem Zweipunktregler 6. Regelstrecke 2 ist das System Ventilator-Patient. Das Signal des Drucksensors liegt analog am Eingang des Zweipunktreglers 6 und über einen A-D-Wandler 5 digitalisiert an den Eingängen des Reglers 1 und des Analogmodells 3 an.

Der Regler 1 ermittelt nach einem I-Programm die Exsufflationszeit t(k + 1) des neuen Beatmungszyklus aus der Exsufflationszeit t(k) des vorhergehenden Beatmungszyklus nach

t(k + 1) = t(k) + VxE(k)

mit der Regelabweichung E(k) als Differenz des Soll-Restdruckes gegenüber dem realen Restdruck p_ft(k) aus dem vorhergehenden Beatmungszyklus und einer empirisch ermittelten Regelverstärkung V, die im Ausführungsbeispiel 0,2s/kPa betrug. Stetige Änderungen vorausgesetzt, stellt der Rogler 1 die Exsufflationszeit im Sinne einer Annäherung des Restdruckes auf den vom Arzt vorgegebenen Sollwert nach.

Das Analogmodell 3 entspricht einem Einkompartementmodell der Lunge mit einem in Reihe geschalteten ohmschen und kapazitiven Widerstand. Es bildet das Zeitverhnlten der Lunge ab. Die Zeitkonstante ZK(k) wird aus der Exsufflationszeit t(k) und den Meßwerten des Rostdruckes p_R(k) sowie des exspiratorischen Startdruckes nach

ZK(k) = - t(k)/ln (prMWM)

für den Beamtungszyklus k + 1 ermittelt. Gemäß dieser Zeitkonstanten müßte am Fnde der Exsufflationszeit des Beatmungszyklus k + 1 in etwa der Modellrestdruck

' p_RM (k + 1) = p_LC(k + 1) x exp f—tfk + 1)/ZK|k))

anliegen.

Im Restdruckbewerter 4 wird der Modellrestdruck pnMfk + 1) mit dem Sollrestdruck p_nSoii und dem realen Restdruck (p_R(k -f 1) verglichen und logisch bewertet. Hierzu werden im Ausführungsbeispiel die Differenzen

Di = Prsoii - PR(k + D und

D₂= PRSOII - PRM(k+ 1)

gebildet und mit einem Grenzwert verglichen.

Wenn D₁ größerund D₂ kleiner als der Grenzwert sind, wird gefolgert, daß der Meßwert p_B(k + 1) stark gestört ist und im nächsten

Takt nicht verwendet werden kann. Der Restdruckbewerter 4 legt an den Eingang des Reglers 1 automatisch den ModellreMdruck PnM<k + 1). Auf diese Weise werden kurzzeitige starke Restdruckwertschwankungen, wie sie etwa bei Spontanatemversuchen genau im Meßzeitpunkt entstehen können, gefiltert. Gilt die o.g. Bedingung (Di > Grenzwert und D₂ < Grenzwert) nicht, dann liegt am Eingang des Reglers 1 der reale Meßdruck p_n(k +Dan.

Der Zweipunktregler 6 wird vorzugsweise bei einem Spontanatemversuch wirksam. Sinkt der Druck im Exspirationszweig unter den vorgegebenen Wert pu, dann wird der Verschlußmechanismus 9 geschlossen und erst wieder geöffnet, wenn der Druck über Po ansteigt. Während dieser Zeit kann der Regler 1 den Verschlußmechanismus nicht steuern. Er ist quasi durch den Zweipunktregler 6 kurzgeschlossen. Im Ausführungsbeispiel wird die Zeit der Unterbrechung gemessen und bei der Festlegung der Exsufflationszeit in der Regeleinrichtung berücksichtigt. Auf diese Weise wird ein ungewolltes Rückatmen r'es Patienten durch den Exspirationszweig in der Exsufflationsphase verhindert und die Möglichkeit des Aufbaus eines trigg irfähigen Unterdruckes für die Beatmungsart CPAP geschaffen.

Claims

1. Regeleinrichtung für ein Beatmungsgerät zur Einstellung des positiv-exspiratorischen Restdruckes mit einem binären Verschlußmechanismus im Exspirationszweig und einem Drucksensor zwischen Patient und Verschlußmechanismus, gekennzeichnet dadurch, daß ein Regler (1) mit integrierendem Anteil zur Korrektur der Exsufflationszeitt(k + 1)im Beatmungszyklus k + 1 gegenüber der Exsufflationszeit t(k) im vorhergehenden Beatmungszyklus k in Abhängigkeit von der Differenz E(k) zwischen dem gemessenen exspiratorischen Restdruck p_R(k) und dem Soll-Restdruck Prsoii und parallel zur Regelstrecke (2) (System Ventilator-Patient) ein Analogmodell (3) derVentilationsmechanikzur Bestimmung eines Modellrestdruckes p_RM(k + 1) in Abhängigkeit von der vom Regler ermittelten Exsufflationszeit t(k + 1) und den gemessenen exspiratorischen Start- und Restdruck pi.o(k + 1) bzw. p_R(k + 1) im Beatmungszyklus k + 1 vorgesehen sind, der nach dem Analogmodell erwartete Restdruck Prm(I< + 1) im Vergleich zum gemessenen Restdruck p_R(k + 1) an einem logischen Restdruckbewerter (4) anliegt und der Ausgang des Restdruckbewerters (4) auf den Eingang des Reglers (1) geschaltet ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Regler (1), das Analogmodell (3) und der Restdruckbewerter (4) mit einem auf einen unteren und einen oberen Druck Pu bzw. p₀ eingestellten Zweipunktregler (6) kurzgeschlossen ist.