DE10009274C1 - Gas dosing unit for a respiration system comprises a measuring and control unit whose inputs are connected to gas flow sensors, and whose outputs are connected to switch-over valves and gas dosing valve banks - Google Patents

Gas dosing unit for a respiration system comprises a measuring and control unit whose inputs are connected to gas flow sensors, and whose outputs are connected to switch-over valves and gas dosing valve banks

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Abstract

A gas dosing unit for a respiration system (11) comprises a central gas entry block (1) with three delivery lines for different gases, an additional line (13) for a emergency oxygen supply, and a measuring and control unit (9) whose inputs are connected to gas flow sensors (6, 7, 8, 14), while its outputs are connected to switch-over valves (2, 3) and to gas dosing valve banks (4, 5), is new.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasdosiervorrichtung für ein Beatmungssystem nach Anspruch 1.The invention relates to a gas metering device for a respiratory system Claim 1.

Derartige Gasdosiervorrichtungen werden für Beatmungssysteme allgemein, insbesondere jedoch in Anästhesiebeatmungssystemen eingesetzt, um einerseits die physiologisch notwendigen Sauerstoffmengen für den Patienten sicher zu dosieren und andererseits die für eine Anästhesie erforderlichen Gasgemische mit N2O (Lachgas) und gegebenenfalls zusätzlichen Gasen wie beispielsweise Xenon sowie Anästhesiemitteln gezielt bereitzustellen.Such gas metering devices are generally used for ventilation systems, but in particular in anesthesia ventilation systems, on the one hand to dose the physiologically necessary amounts of oxygen for the patient safely and on the other hand to specifically target the gas mixtures required for anesthesia with N 2 O (laughing gas) and possibly additional gases such as xenon and anesthetics to provide.

Aus der CH 676 203 A5 geht eine sogenannte Frischgasabgabeeinheit für Anästhesiegeräte hervor, die mittels einer zentralen Steuereinheit geregelt und überwacht wird. In dieser bekannten Vorrichtung wird eine einzige gemeinsame Messeinrichtung für den Gasvolumenstrom aller Gaseingänge verwendet.From CH 676 203 A5 a so-called fresh gas delivery unit for Anesthesia machines that are regulated and controlled by a central control unit is monitored. In this known device a single is common Measuring device for the gas volume flow of all gas inlets used.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Gasdosiervorrichtung für ein Beatmungssystem, die einen sicheren Betrieb auch bei Störungen und eine Überwachung der einzelnen Gasdosierelemente ermöglicht.The object of the invention is to provide an improved Gas metering device for a respiratory system that also works safely in the event of faults and monitoring of the individual gas metering elements enables.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.The solution to the problem is obtained with the features of claim 1.

Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausbildung der Gasdosiervor­ richtung nach Anspruch 1 an. The dependent claims provide advantageous design of the gas metering direction according to claim 1.  

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich durch den jedem Gasartzweig zugeordneten Gasstrom-Sensor vor jeder zugehörigen Gasdosierventilbank, weil sich dadurch nicht nur ein Fehler in den Dosierventilen jeder Gasdosierventilbank, sondern auch ein Fehler in den Umschaltventilen für die unterschiedlichen Trägergase, insbesondere N2O oder AIR, feststellen lässt.A particular advantage of the invention results from the gas flow sensor assigned to each gas type branch in front of each associated gas metering valve bank, because this not only results in an error in the metering valves of each gas metering valve bank, but also an error in the changeover valves for the different carrier gases, in particular N 2 O or AIR, can be determined.

Die verwendeten Gasstrom-Sensoren können entweder als Gasvolumenstrom- Sensoren oder als Gasmassenstrom-Sensoren ausgestaltet sein.The gas flow sensors used can either be used as gas volume flow Sensors or be configured as gas mass flow sensors.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Hilfe der einzigen Figur erläutert, die schematisch eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Gasdosiervor­ richtung für ein Beatmungssystem in der Anästhesie zeigt.An embodiment of the invention is explained with the help of the single figure, which schematically shows a schematic diagram of a gas metering device according to the invention shows direction for a ventilation system in anesthesia.

Über den zentralen Block Gas-Eingang 1 werden im Beispiel die Gase Sauer­ stoff (O2), Lachgas (N2O) und Luft (AIR) zur Verfügung gestellt. Optional könnten weitere Gase wie Xenon über zusätzliche, nicht dargestellte Gaszweige integriert werden. Eine Umschaltung von der in Krankenhäusern allgemein üblichen zentralen Gasversorgung auf Hochdruckflaschen kann in den Block Gas-Ein­ gang 1 integriert werden, ebenso wie Filter, Rückschlagventile und weitere nicht dargestellte und im Detail bekannte Bauelemente. Über eine erste Gasleitung mit einem ersten Gasstrom-Sensor 6 wird der ersten Gasdosierventilbank 4 Sauerstoff zugeführt. Die erste Gasdosierventilbank 4 wird von einer Mess- und Steuereinheit 9 gesteuert. Über den ersten Gasstrom-Sensor 6 wird der dosierte Sauerstoffstrom gemessen. Dies kann entweder über einen Gasvolumenstrom- oder einen Gasmassenstrom-Sensor erfolgen.In the example, the gases oxygen (O 2 ), nitrous oxide (N 2 O) and air (AIR) are made available via the central block gas inlet 1 . Optionally, other gases such as xenon could be integrated via additional gas branches, not shown. A switchover from the central gas supply which is generally customary in hospitals to high-pressure bottles can be integrated into the block gas inlet 1 , as can filters, check valves and other components which are not shown and are known in detail. Oxygen is supplied to the first gas metering valve bank 4 via a first gas line with a first gas flow sensor 6 . The first gas metering valve bank 4 is controlled by a measuring and control unit 9 . The metered oxygen flow is measured via the first gas flow sensor 6 . This can be done either via a gas volume flow or a gas mass flow sensor.

Der zweiten Gasdosierventilbank 5 wird über eine zweite und dritte Gasleitung mit zugeordneten, elektrisch ansteuerbaren Umschaltventilen 2, 3 und mit jeweils nachgeschalteten zweiten und dritten Gasstrom-Sensoren 7 für N2O oder 8 für AIR Gas des zweiten Gaszweiges zugeführt. Die zweite Gasdosierventilbank 5 und die elektrisch ansteuerbaren Umschaltventile 2, 3 werden ebenfalls von der Mess- und Steuereinheit 9 gesteuert. Der jeweilige Gasstrom durch die Gasdosierventilbank 5 wird von den zweiten und dritten Gasstrom-Sensoren 7 und 8 gemessen und von der Mess- und Steuereinheit 9 gegen vorgegebene Sollwerte überprüft. Es wird hierdurch nicht nur der Gesamtgasstrom des dosierten Gasgemisches durch die Gasdosierventilbank 5, sondern der Gasstrom jedes einzelnen Gases gemessen.The second gas metering valve bank 5 is supplied via a second and third gas line with associated, electrically controllable changeover valves 2 , 3 and with downstream second and third gas flow sensors 7 for N 2 O or 8 for AIR gas of the second gas branch. The second gas metering valve bank 5 and the electrically controllable changeover valves 2 , 3 are also controlled by the measuring and control unit 9 . The respective gas flow through the gas metering valve bank 5 is measured by the second and third gas flow sensors 7 and 8 and checked by the measuring and control unit 9 against predetermined target values. This not only measures the total gas flow of the metered gas mixture through the gas metering valve bank 5 , but also the gas flow of each individual gas.

Der Ausgang der zweiten Gasdosierventilbank 5 ist mit der ersten Gasleitung am Ausgang der ersten Gasdosierventilbank 4 verbunden, sodass das Gasgemisch dem Beatmungssystem 11 zugeleitet wird.The outlet of the second gas metering valve bank 5 is connected to the first gas line at the outlet of the first gas metering valve bank 4 , so that the gas mixture is fed to the ventilation system 11 .

Hierdurch wird ein Fehler sowohl in der zweiten Gasdosierventilbank 5 als auch in den Umschaltventilen 2, 3 erkannt, wenn der gemessene Gasstrom nicht mit den entsprechenden Sollwerten übereinstimmt. Die Gasstrom-Sen­ soren 6, 7, 8, 14 sind insbesondere Gasvolumenstrom-Sensoren, die für dem Gasvolumenstrom proportionale Druckabfallmessungen mit Laminar-Fluss- Elementen oder mit Sinterblenden ausgestattet oder alternativ als Hitzdraht- Anemometer ausgebildet sind. Mindestens einer der Gasstrom-Sen­ soren 6, 7, 8, 14 kann als Gasmassenstrom-Sensor ausgebildet sein.As a result, an error is detected both in the second gas metering valve bank 5 and in the changeover valves 2 , 3 if the measured gas flow does not match the corresponding target values. The gas flow sensors 6 , 7 , 8 , 14 are, in particular, gas volume flow sensors which are equipped with laminar flow elements or with sintered shutters for pressure drop measurements proportional to the gas volume flow or are alternatively designed as hot wire anemometers. At least one of the gas flow sensors 6 , 7 , 8 , 14 can be designed as a gas mass flow sensor.

Über eine nicht dargestellte Misch- und Dämpfungskammer können die Druckspitzen im dosierten Gasstrom weiter minimiert werden, beispielsweise durch eine Ausbildung mit Membranen. Eine derartige optionale Misch- und Dämpfungskammer befindet sich gegebenenfalls zwischen den Gasdosierventilbänken 4, 5 und dem Beatmungssystem 11. Über eine elektronische Anästhesiemittel-Dosiervorrichtung 12 wird gesättigter Anästhesiemitteldampf ins Beatmungssystem 11 eingebracht, welcher sich dort mit dem Mischgas aus AIR und O2 oder alternativ N2O und O2 mischt. Alternativ ist eine Zusammenführung des Mischgases mit dem Anästhesiemitteldampf über die erste Gasleitung zum Beatmungssystem 11 möglich.The pressure peaks in the metered gas stream can be further minimized via a mixing and damping chamber (not shown), for example by forming with membranes. Such an optional mixing and damping chamber may be located between the gas metering valve banks 4 , 5 and the ventilation system 11 . Saturated anesthetic vapor is introduced into the ventilation system 11 via an electronic anesthetic metering device 12 , which mixes there with the mixed gas of AIR and O 2 or alternatively N 2 O and O 2 . Alternatively, the mixed gas can be combined with the anesthetic vapor via the first gas line to the ventilation system 11 .

Die vorzugsweise mittels eines einstellbaren Nadelventils realisierte Sauerstoff- Notdosierung 13 ist in einem unabhängigen, parallelen Gasdosierzweig mit einer vierten Gasleitung verwirklicht, wobei die vierte Gasleitung zwischen dem Gas- Eingang 1 und dem ersten Gasstrom-Sensor 6 von der ersten Gasleitung abzweigt und vor dem Beatmungssystem 11 wieder in die erste Gasleitung zurückmündet. Alternativ können statt des Nadelventils auch Festblenden verwendet werden. Die Sauerstoff-Notdosierung 13 kann manuell, oder bei vorgegebener Abweichung zwischen vorgegebenen Sollwerten und gemessenen Istwerten der Gasströme und der daraus berechneten Gaskonzentrationen, durch die Mess- und Steuereinheit 9 automatisch aktiviert werden.The emergency oxygen metering 13, which is preferably implemented by means of an adjustable needle valve, is implemented in an independent, parallel gas metering branch with a fourth gas line, the fourth gas line branching off between the gas inlet 1 and the first gas flow sensor 6 from the first gas line and in front of the ventilation system 11 flows back into the first gas line. Alternatively, fixed orifices can be used instead of the needle valve. The emergency oxygen metering 13 can be activated manually by the measuring and control unit 9 , or automatically in the case of a predetermined deviation between predetermined target values and measured actual values of the gas flows and the gas concentrations calculated therefrom.

Der vierte Gasstrom-Sensor 14 für O2 misst den Gasstrom im unabhängigen Gasdosierzweig, dem Notdosierzweig für O2. Abhängig vom gemessenen Gasstrom und den berechneten Gaskonzentrationen wird die Anästhesiemittel- Dosiervorrichtung 12 von der Mess- und Steuereinheit 9 so gesteuert, dass auch bei einem Ausfall der gesamten Gasdosiervorrichtung weiterhin Anästhesiemitteldampf dosiert werden kann.The fourth gas flow sensor 14 for O 2 measures the gas flow in the independent gas metering branch, the emergency metering branch for O 2 . Depending on the measured gas flow and the calculated gas concentrations, the anesthetic metering device 12 is controlled by the measuring and control unit 9 such that anesthetic vapor can still be metered even if the entire gas metering device fails.

Die Messung und Überprüfung der einzelnen Gasströme und die daraus resultierende Berechnung der Sauerstoffkonzentration und des Gesamtgasstroms sowie die Abschaltung der Mischgasdosierung im Störungsfall kann alternativ mit einer zweiten, separaten Mess- und Steuereinheit erfolgen. Hierdurch wird eine erhöhte Sicherheit erzielt, wenn bei einem Ausfall der Mess- und Steuereinheit 9 die zweite Mess- und Steuereinheit weiterhin in der Lage ist, die Gasdosiervorrichtung abzuschalten.The measurement and checking of the individual gas flows and the resulting calculation of the oxygen concentration and the total gas flow as well as the switching off of the mixed gas metering in the event of a fault can alternatively be carried out with a second, separate measuring and control unit. This increases security if, in the event of a failure of the measuring and control unit 9, the second measuring and control unit is still able to switch off the gas metering device.

Zur Vermeidung von Druckspitzen und Volumenpulsen, die durch das verwendete digitale Dosierverfahren bedingt sind, und zusätzlich zur optionalen Verwendung einer Misch- und Dämpfungskammer zur Glättung des resultierenden Gasvolumenstroms wird wie folgt verfahren:To avoid pressure peaks and volume pulses caused by the digital dosing methods are required, and in addition to the optional use a mixing and damping chamber to smooth the resulting The gas volume flow is operated as follows:

Die parallel geschalteten Digitalventile der Gasdosierventilbänke 4, 5 schalten einen gestuften Basis-Gasstrom ein. Die Sollwerte zwischen den Stufen werden mit einem parallel geschalteten, zusätzlichen Taktventil umgesetzt. Am Ausgang der Gasdosiervorrichtung zum Beatmungssystem 11 ergibt sich dann ein weitgehend homogener und geglätteter mittlerer Gasstrom, der in Stufen von beispielsweise 10 Milliliter pro Minute eingestellt werden kann. Aufgrund der durch die Steuerung zugeordneten gleichen Zeitsegmente für entweder die Gasdosierventilbank 4 oder 5 kann mit jedem Taktventil maximal ein Puls/­ Pausenverhältnis von 1 : 1 umgesetzt werden. The parallel connected digital valves of the gas metering valve banks 4 , 5 switch on a staged basic gas flow. The setpoints between the stages are implemented with an additional clock valve connected in parallel. At the exit of the gas metering device to the ventilation system 11 , a largely homogeneous and smoothed average gas flow then results, which can be set in steps of, for example, 10 milliliters per minute. Due to the same time segments assigned by the control for either the gas metering valve bank 4 or 5 , a maximum pulse / pause ratio of 1: 1 can be implemented with each cycle valve.

Jede der beiden Gasdosierventilbänke 4 oder 5 erhält abwechselnd ein Zeitsegment von beispielsweise 100 Millisekunden, während der ein Digital­ ventil geöffnet oder geschlossen oder ein Puls des Taktventils gesteuert wird.Each of the two gas metering valve banks 4 or 5 alternately receives a time segment of, for example, 100 milliseconds, during which a digital valve is opened or closed or a pulse of the clock valve is controlled.

Claims (11)

1. Gasdosiervorrichtung für ein Beatmungssystem mit folgenden Merkmalen:
  • a) Ein zentraler Gas-Eingang (1) weist mindestens drei Zuleitungen für unterschiedliche Gase auf, wobei
  • b) Sauerstoff über eine erste Gasleitung mit einem ersten Gasstrom- Sensor (6) und mit einer ersten Gasdosierventilbank (4) dem Beatmungssystem (11) zugeleitet wird,
  • c) mindestens zwei weitere Gase über jeweils eine zweite und dritte Gasleitung mit einem zugeordneten Umschaltventil (2, 3) und mit einem jeweils nachgeschalteten zweiten und dritten Gasstrom-Sensor (7, 8) über eine gemeinsame zweite Gasdosierventilbank (5) der ersten Gasleitung zum Beatmungssystem (11) zugeleitet werden,
  • d) zwischen Gas-Eingang (1) und erstem Gasstrom-Sensor (6) parallel eine vierte Gasleitung für eine Sauerstoff-Notdosierung (13) mit einem zugeordneten Gasstrom-Sensor (14) an die erste Gasleitung zum Beatmungssystem (11) angeschlossen ist, wobei die vierte Gasleitung vor dem Beatmungssystem (11) in die erste Gasleitung zurückmündet und
  • e) eine Mess- und Steuereinheit (9) eingangsseitig mit den Gasstrom- Sensoren (6, 7, 8, 14) und ausgangsseitig mit den Umschaltventilen (2, 3) und mit den Gasdosierventilbänken (4, 5) verbunden ist.
1. Gas metering device for a ventilation system with the following features:
  • a) A central gas inlet ( 1 ) has at least three feed lines for different gases, whereby
  • b) oxygen is supplied to the ventilation system ( 11 ) via a first gas line with a first gas flow sensor ( 6 ) and with a first gas metering valve bank ( 4 ),
  • c) at least two further gases each via a second and third gas line with an associated changeover valve ( 2 , 3 ) and with a second and third gas flow sensor ( 7 , 8 ) connected downstream via a common second gas metering valve bank ( 5 ) of the first gas line Ventilation system ( 11 ) are supplied,
  • d) between the gas inlet ( 1 ) and the first gas flow sensor ( 6 ), a fourth gas line for an emergency oxygen metering ( 13 ) with an associated gas flow sensor ( 14 ) is connected in parallel to the first gas line to the ventilation system ( 11 ), wherein the fourth gas line opens before the ventilation system ( 11 ) back into the first gas line and
  • e) a measuring and control unit ( 9 ) is connected on the input side to the gas flow sensors ( 6 , 7 , 8 , 14 ) and on the output side to the changeover valves ( 2 , 3 ) and to the gas metering valve banks ( 4 , 5 ).
2. Gasdosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Steuereinheit (9) auch mit einer an das Beatmungssystem (11) angeschlossenen Anästhesiemittel-Dosiervorrichtung (12) verbunden ist.2. Gas dosing device according to claim 1, characterized in that the measuring and control unit ( 9 ) is also connected to an anesthetic dosing device ( 12 ) connected to the ventilation system ( 11 ). 3. Gasdosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Gasleitung vor dem Beatmungssystem (11) eine Misch- und Dämpfungskammer angeordnet ist. 3. Gas metering device according to claim 1 or 2, characterized in that a mixing and damping chamber is arranged in the first gas line upstream of the ventilation system ( 11 ). 4. Gasdosiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Steuereinheit (9) ausgangsseitig mit der vierten Gasleitung für die Sauerstoff-Notdosierung (13) verbunden ist und über ein elektrisch angesteuertes Notventil diese vierte Gasleitung aufgrund der ausgewerteten Messsignale der Gasstrom-Sensoren (6, 7, 8) freischaltet.4. Gas metering device according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring and control unit ( 9 ) is connected on the output side to the fourth gas line for the oxygen emergency metering ( 13 ) and this fourth gas line due to the electrically controlled emergency valve evaluated measurement signals of the gas flow sensors ( 6 , 7 , 8 ). 5. Gasdosiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Notdosierung (13) manuell über ein Notventil eingestellt wird, wobei das Notventil insbesondere als Nadelventil ausgebildet ist.5. Gas metering device according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the oxygen emergency metering ( 13 ) is set manually via an emergency valve, the emergency valve being designed in particular as a needle valve. 6. Gasdosiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beatmungssystem (11) als Gasförderelement einen Radialverdichter aufweist.6. Gas metering device according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the ventilation system ( 11 ) has a radial compressor as a gas delivery element. 7. Gasdosiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Gasstrom-Sensoren (6, 7, 8, 14) mit einer Sinterblende oder mit einem Laminar-Fluss-Element für eine dem Gasvolumenstrom proportionale Druckabfallmessung oder als Hitzdraht- Anemometer ausgebildet ist.7. Gas metering device according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that at least one of the gas flow sensors ( 6 , 7 , 8 , 14 ) with a sintered diaphragm or with a laminar flow element for a pressure drop measurement proportional to the gas volume flow or as Hot wire anemometer is formed. 8. Gasdosiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Gasstrom-Sensoren (6, 7, 8, 14) als Gasmassenstrom-Sensor ausgebildet ist.8. Gas metering device according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that at least one of the gas flow sensors ( 6 , 7 , 8 , 14 ) is designed as a gas mass flow sensor. 9. Gasdosiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdosierventilbänke (4, 5) jeweils mittels mehrerer parallel geschalteter Digitalventile mit integrierten Flussblenden ausgebildet sind, so dass jeweils stufenweise ein konstanter Gasvolumenstrom einstellbar ist. 9. Gas metering device according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the gas metering valve banks ( 4 , 5 ) are each formed by means of a plurality of digital valves connected in parallel with integrated flow orifices, so that a constant gas volume flow can be set in stages. 10. Gasdosiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass pro Ventilbank (4, 5) mindestens ein Digitalventil mit integrierter Flussblende als Taktventil ausgebildet ist und Gasvolumenstrom-Pulse liefert, die als Mittelwert zwischen den konstanten Gasvolumenstrom-Stufen der übrigen Digitalventile mit integrierten Flussblenden der jeweiligen Gasdosier­ ventilbank (4, 5) einstellbar sind.10. Gas metering device according to claim 9, characterized in that per valve bank ( 4 , 5 ) at least one digital valve with an integrated flow orifice is designed as a clock valve and delivers gas volume flow pulses which are the average between the constant gas volume flow levels of the other digital valves with integrated flow orifices respective gas metering valve bank ( 4 , 5 ) are adjustable. 11. Gasdosiervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Taktventil ein maximales Puls-/Pausenverhältnis von 1 : 1 aufweist.11. Gas dosing device according to claim 10, characterized in that the Cycle valve has a maximum pulse / pause ratio of 1: 1.
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