DE10021954C1

DE10021954C1 - Verfahren zur Einstellung eines vorgegebenen Hubvolumens

Info

Publication number: DE10021954C1
Application number: DE10021954A
Authority: DE
Inventors: Dirk Fiebelkorn; Hendrik Hantzko; Juergen Manigel; Stephan Simons
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2000-05-05
Publication date: 2001-08-16
Anticipated expiration: 2020-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines vorgegebenen Hubvolumens V¶H¶ an einem Beatmungsgerät. Die Atemgaszufuhr von einer Druckquelle (3) erfolgt unter Vorgabe eines Druckverlaufs p (t) durch eine Atemwegsdruckmesseinrichtung (5) und eine Steuereinheit (10). Das vorgegebene Hubvolumen V¶H¶ wird erfindungsgemäß dadurch exakt appliziert, dass die Druckwelle (3) rechtzeitig heruntergeschaltet wird. Darüber hinaus wird der Umstand berücksichtigt, dass stets noch ein Volumen nach Herunterschalten der Druckquelle (3) über die Einatemleitung (1) und das Y-Stück (9) an den daran angeschlossenen Patienten abgegeben wird. Dieses Volumen wird abgeschätzt über ein Nachliefervolumen V¶N¶ (t), das auf der Auswertung von Volumenstrommessungen DOLLAR I1 (t) einer Volumenstrommesseinrichtung (4) der gegenwärtigen und vorangegangenenen Inspirationsphasen sowie auf bekannten Nachliefervolumina vorangegangener Inspirationsphasen und bekannten gerätebedingten Verzögerungszeiten beruht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines vorgegebenen Hubvolumens an einem Beatmungsgerät.

Bei der Beatmung von Patienten mit Beatmungsgeräten unterscheidet man zwei grundlegende Beatmungsverfahren, und zwar die druckkontrollierte Beatmung und die volumenkontrollierte Beatmung.

Bei der volumenkontrollierten Beatmung läuft die Inspiration unter Vorgabe des Hubvolumens und des zeitlichen Verlaufs des Volumenstroms ab, und der Atemwegsdruck ergibt sich in Abhängigkeit vom Volumenstrom und vom Hubvolumen. Die Höhe des Atemwegsdrucks hängt im Wesentlichen von der Nachgiebigkeit der Patientenlunge ab und auch von den Atemanstrengungen des Patienten. Bei der volumenkontrollierten Beatmung ist eine Überwachung des oberen Atemwegsdrucks erforderlich, um zu verhindern, dass die Patientenlunge durch zu hohe Drücke geschädigt wird. Problematisch wirkt sich die starre Vorgabe des zeitlichen Verlaufs des Volumenstroms aus, wenn der Patient beim Atmen Eigenaktivität entwickelt, den Volumenstrom also selbst bestimmen will.

Die druckkontrollierte Beatmung erfolgt unter Vorgabe des zeitlichen Verlaufs des Atemwegsdrucks. Dabei wird soviel Atemgas zugeführt, bis ein vorgegebener Atemwegsdruck erreicht ist. Bei der druckkontrollierten Beatmung werden der Volumenstrom und das Hubvolumen überwacht.

Wird das Atemgas zur Beatmung eines Patienten über ein Gebläse als Druckquelle bereitgestellt, so erfolgt die Beatmung in der Regel unter Vorgabe des Druckverlaufs, da über eine Regulierung der Drehzahl des Gebläses vergleichsweise einfach der Atemwegsdruck, nicht aber der Volumenstrom eingestellt werden kann. Wünschenswert ist die Möglichkeit, auch hier das Hubvolumen vorzugeben.

In der US 5,582,163 werden ein Beatmungsverfahren und ein Beatmungsgerät beschrieben, mit denen bei Vorgabe eines Druckverlaufs wie in druckkontrollierter Beatmung ein vorgegebenes Hubvolumen appliziert werden kann. Dabei wird die Atemgaszufuhr zum Verabreichen des vorgegebenen Hubvolumens dann unterbrochen, wenn bestimmte, zuvor festgelegt Abbruchkriterien erfüllt sind. Diese betreffen entweder eine vorgegebene Zeitspanne für die Atemgaszufuhr oder eine Untergrenze für den Volumenstrom des zugeführten Atemgases. Hiermit ist es möglich, ein vorgegebenes Hubvolumen in einigermaßen guter Näherung zu applizieren. Grenzen bei der Genauigkeit werden jedoch gesetzt durch die Wahl der Abbruchkriterien oder sind gerätebedingt.

Aus der DE 195 16 536 geht ebenfalls ein Beatmungsgerät hervor, das die Vorgabe eines Hubvolumens bei Vorgabe eines Druckverlaufs wie in druckkontrollierter Beatmung ermöglicht. Dabei wird mit jeder neuen Inspirationsphase der Atemwegsdruck stufenweise erhöht, und zwar solange, bis das vorgegebene Hubvolumen appliziert worden ist.

Gegenüber dem in der US 5,582,163 genannten Beatmungsverfahren wird in der DE 195 16 536 eine konkrete Anleitung gegeben, mit der eine im Verlaufe mehrerer Inspirationsphasen ständig verbesserte Annäherung des applizierten Volumens an das vorgegebene Hubvolumen erzielt wird.

Als Nachteil erweist sich beim Einsatz des Beatmungsgerätes in der DE 195 16 536 eine geringe Robustheit gegenüber Störungen von außen sowie lange Einschwingzeiten des Beatmungsgeräts in der Startphase und nach einer Störung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das unter zuvor eingestelltem zeitlichen Verlauf des Atemwegdrucks ein vorgegebenes Hubvolumen mit kurzer Einschwingzeit möglichst exakt appliziert.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Erfindung wird auch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.

Die erfindungsgemäßen Verfahren beziehen sich auf die Inspirationsphase. Die Exspirationsphase und die zeitliche Abfolge der Atemhübe bleiben unbeeinflusst.

Der Vorteil der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass zunächst ein zeitlicher Verlauf des Atemwegsdrucks während der Inspirationsphase vorgegeben und das Hubvolumen dadurch exakt appliziert wird, dass die Druck quelle sozusagen rechtzeitig heruntergeschaltet wird. Vom zeitlich vorgegebenen Verlauf des Atemwegsdrucks wird erst dann abgewichen, wenn der Atemwegsdruck absinkt, bedingt durch das Herunterschalten der Druckquelle. Das bereits applizierte Volumen wird dabei zu jedem Zeitpunkt gemessen. Im Verfahren nach dem Patentanspruch 2 wird darüber hinaus ein nachgeliefertes Volumen zu jedem Zeitpunkt durch ein sogenanntes Nachliefervolumen geschätzt. Unter Nachliefervolumen ist eine Schätzung desjenigen Volumens zu verstehen, das dem Patienten während der Inspirationsphase vom Beatmungsgerät noch zugeführt wird, nachdem die Druckquelle bereits heruntergeschaltet worden ist. Das bereits applizierte Volumen und das Nachliefervolumen ergeben zusammen das dem Patienten während einer Inspirationsphase vom Beatmungsgerät erwartungsgemäß insgesamt verabreichte Hubvolumen. Die Druckquelle wird zu dem Zeitpunkt heruntergeschaltet, an dem das erwartungsgemäß insgesamt verabreichte Hubvolumen das vorgegebene Hubvolumen erreicht oder übersteigt. Auf diese Weise ist es möglich, das vorgegebene Hubvolumen möglichst exakt zu applizieren.

Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Beatmungs geräts, wie es für das erfindungsgemäße Ver fahren verwendet wird,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Atemwegsdruck p(t) und Volumenstrom

während eines Atemhubs.

Das Beatmungsgerät in Fig. 1 umfasst eine Einatemleitung 1 und eine Ausatemleitung 2, sowie eine Druckquelle 3 für die Atemgaszufuhr. Die Druckquelle 3 wird von einer Steuereinheit 10 so angesteuert, dass sich der gewünschte vorgegebene zeitliche Verlauf des Atemwegsdrucks p(t) einstellt. Ein Rückschlagventil 7 in der Einatemleitung 1 und ein Rückschlagventil 8 in der Ausatemleitung 2 verhindern, dass Atemgas vom Patienten über ein Y-Stück 9 durch die Einatemleitung 1 zurückgeatmet oder durch die Ausatemleitung 2 angesaugt werden kann. Eine Atemwegsdruckmesseinrichtung 5 misst den Atemwegsdruck p(t) am Y-Stück 9 des Patienten. Eine Volumenstrommesseinrichtung 4 misst den Volumenstrom (t). Durch Integration des Volumenstroms (t) über die Zeit t, ausgehend vom Zeitpunkt t₀ am Beginn einer Inspirationsphase, wird das zum Zeitpunkt t über das Y-Stück bereits applizierte Volumen V(t) von der Steuereinheit 10 ermittelt. Ein Exspirations ventil 6 in der Ausatemleitung 2 wird während der Inspirationsphase von der Steuereinheit 10 so angesteuert, dass es geschlossen ist und somit kein Atemgas über die Ausatemleitung 2 entweichen kann.

In der Fig. 2 sind in der oberen Graphik der zeitliche Verlauf des Atem wegsdrucks p(t) und in der unteren Graphik der zeitliche Verlauf des Volumen stroms (t) während der Dauer von einem Beatmungszyklus, bestehend aus Inspirationsphase und Exspirationsphase, angegeben. Die Inspirationsphase unterteilt sich in vier einzelne Phasen I, II, III und IV, denen die Exspirationsphase V folgt.

In der Phase I wird das Exspirationsventil 6 über die Steuereinheit 10 geschlossen. Ausgehend von einem eingestellten endexspiratorischen Solldruck p_MIN zum Zeitpunkt t_o = 0 am Beginn der Inspirationsphase, wird der Atemwegsdruck p(t) unter einer eingestellten, zeitlich konstanten Steigungsrate

erhöht. Der endexspiratorische Solldruck p_MIN und die Steigungsrate werden über die Steuereinheit 10 vorgegeben.

Während der Phase I stellt sich ein monoton steigender Volumenstrom (t) ein, dessen spezifischer, zeitlicher Verlauf von den physiologischen Eigenschaften der Lunge des an das Beatmungsgerät angeschlossenen Patienten abhängt. Die Phase II beginnt, wenn der Atemwegsdruck p(t) einen vorgegebenen Maximalwert p_MAX erreicht hat. Mit Beginn der Phase II wird der Atemwegsdruck p(t) konstant auf dem Wert p_MAX gehalten. Der Maximalwert p_MAX wird entweder an der Druckquelle 3 eingestellt, oder er wird von der Steuereinheit 10 als oberer Grenzwert für den Atemwegsdruck p(t) vorgegeben. Während der Phase II stellt sich parallel dazu ein dezelerierender Volumenstrom (t) ein.

Zu Beginn der Phase III wird die Druckquelle 3 für die Atemgaszufuhr an den Patienten heruntergeschaltet. Herunterschalten bedeutet in diesem Zusammenhang Abschalten der Druckquelle 3 oder Betrieb der Druckquelle 3 mit verminderter Kraft, so dass die Atemgaszufuhr deutlich verringert ist und als Folge der Druck in der Einatemleitung 1 vor dem Rückschlagventil 7 kleiner ist als der Atemwegsdruck p(t) in der Einatemleitung 1 hinter dem Rückschlagventil 7 im Bereich des Y-Stücks 9. Das Rückschlagventil 7 schließt dann aufgrund des durch das Herunterschalten der Druckquelle 3 verursachten Druckabfalls, und der Atemwegsdruck p(t) sinkt mit Herunterschalten der Druckquelle 3 ab, befindet sich aber immer noch auf einem erhöhten Niveau, da das geschlossene Rückschlagventil 7 ein weitergehendes Absinken des Atemwegsdrucks p(t) verhindert. Der Zeitpunkt des Herunterschaltens ist so gewählt, dass das von der Steuereinheit 10 vorgegebene Hubvolumen V_H möglichst exakt appliziert wird. Hierfür wird das bereits applizierte Volumen V(t) anhand der Volumenstrommessungen (t) der Volumenstrommesseinrichtung 4 ermittelt:

Es bezeichnet s hierbei die Integrationsvariable über die Zeit. Das Nachliefervolumen V_N(t) wird anhand einer Auswertung der Volumenstrom messungen der gegenwärtigen und vorangegangener Inspirationsphasen durch die Volumenstrommesseinrichtung 4 oder anhand einer Auswertung der bekannten Nachliefervolumina vorangegangener Inspirationsphasen und bekannter, gerätebedingter Verzögerungszeiten bestimmt. Die Druckquelle 3 wird zu dem Zeitpunkt heruntergeschaltet, zu dem erstmals das Kriterium V(t) + V_N(t) ≧ V_H erfüllt ist.

Auf diese Weise wird das insgesamt applizierte Volumen V(t) + V_N(t) im Laufe mehrerer aufeinanderfolgender Inspirationsphasen mit Hilfe eines ständig besser geschätzten Nachliefervolumens V_N(t) auf das vorgegebene Hubvolumen V_H geregelt.

Die Phase IV beschreibt die Zeitspanne, die zwischen Verabreichung des in der Inspirationsphase insgesamt applizierten Volumens und dem Ende der Inspirationsphase liegt. Der Volumenstrom (t) in der Phase IV ist Null, der Atemwegsdruck p(t) bleibt konstant.

In der Phase IV wird an der Druckquelle 3 über die Steuereinheit 10 die Atemgaszufuhr so eingestellt, dass der dadurch erzeugte Druck unter dem Atemwegsdruck p(t) liegt, das Rückschlagventil 7 somit geschlossen bleibt. Eine Einatmung des über das Y-Stück 9 angeschlossenen Patienten wird nicht vollständig verhindert, allerdings insoweit erschwert, als der Patient durch eigene Anstrengung beim Einatmen den Atemwegsdruck p(t) soweit absenken muss, dass er unter dem vor dem Rückschlagventil 7 herrschenden Druck liegt, sich das Rückschlagventil 7 somit öffnet und die Atemgaszufuhr von der Druckquelle 3 ermöglicht.

Die Phase V bezeichnet die Exspirationsphase, die nach Ablauf der Inspirations phase beginnt. Die Inspirationsphase ist abgelaufen, wenn die von der Steuereinheit 10 hierfür vorgesehene Zeitspanne verstrichen ist oder aber, wenn der Atemwegsdruck p(t) eine vorgegebene Alarmgrenze übersteigt. Zu Beginn der Exspirationsphase wird das Exspirationsventil 6 über die Steuereinheit 10 geöffnet.

Anschließend beginnt ein neuer Beatmungszyklus. Ist der von der Atemwegsdruckmesseinrichtung 5 gemessene Atemwegsdruck p(t) am Beginn der darauffolgenden Inspirationsphase größer als der eingestellte endexspiratorische Solldruck, so wird p_MIN von der Steuereinheit 10 auf den gemessenen Atemwegsdruck p(t) erhöht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Atemgaszufuhr an den Patienten sofort mit Beginn der Inspirationsphase erfolgt, selbst wenn der Patient nicht das gesamte, in der vorangegangenen Inspirationsphase verabreichte Atemgas ausatmen konnte und aus diesem Grund ein erhöhter Atemwegsdruck p(t) vorliegt.

Für den Fall der Beatmung eines erwachsenen Patienten ohne erkennbare Lungenschäden werden für das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft konkrete Einstellparameter gegeben:
Hubvolumen V_H: 800 Milliliter
Dauer der Inspirationsphase: 2 Sekunden
endexspiratorischer Solldruck p_MIN: 5 Millibar
Steigungsrate : 40 Millibar/Sekunde
Maximalwert p_MAX: 20 Millibar
Nachliefervolumen V_N: 20 Milliliter

Claims

1. Verfahren zur Bereitstellung eines vorgegebenen Hubvolumens V_H während einer Inspirationsphase an einem Beatmungsgerät, welches eine Einatemleitung (1) und eine während der Inspirationsphase geschlossene Ausatemleitung (2), sowie eine Druckquelle (3) für die Atemgaszufuhr, eine Volumenstrommesseinrichtung (4) zur Ermittlung des, ausgehend vom Zeitpunkt t_o am Beginn der Inspirationsphase, zum Zeitpunkt t bereits applizierten Volumens V(t) anhand der Volumenstrommessungen (t) und eine Atemwegsdruckmesseinrichtung (5) zur Messung des Atemwegsdrucks p(t) zum Zeitpunkt t umfasst, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) das Hubvolumen V_H und der zeitliche Verlauf des Atemwegsdrucks p(t), beginnend mit der Inspirationsphase, werden über die Steuereinheit (10) eingestellt,
b) das seit Beginn der Inspirationsphase bereits applizierte Volumen V(t) wird zu jedem Zeitpunkt t ermittelt,
c) die Druckquelle (3) wird zu dem Zeitpunkt t heruntergeschaltet, in dem das Abschaltkriterium
V(t) ≧ V_H
erfüllt ist.

2. Verfahren zur Bereitstellung eines vorgegebenen Hubvolumens V_H während einer Inspirationsphase an einem Beatmungsgerät, welches eine Einatemleitung (1) und eine während der Inspirationsphase geschlossene Ausatemleitung (2), sowie eine Druckquelle (3) für die Atemgaszufuhr, eine Volumenstrommesseinrichtung (4) zur Ermittlung des, ausgehend vom Zeitpunkt t_o am Beginn der Inspirationsphase, zum Zeitpunkt t bereits applizierten Volumens V(t) anhand der Volumenstrommessungen (t) und eine Atemwegsdruckmesseinrichtung (5) zur Messung des Atemwegsdrucks p(t) zum Zeitpunkt t umfasst, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) das Hubvolumen V_H und der zeitliche Verlauf des Atemwegsdrucks p(t), beginnend mit der Inspirationsphase, werden über die Steuereinheit (10) eingestellt,
b) das seit Beginn der Inspirationsphase bereits applizierte Volumen V(t) wird zu jedem Zeitpunkt t ermittelt,
c) ein Nachliefervolumen V_N(t) wird für jeden Zeitpunkt t durch das Volumen abgeschätzt, das nach Herunterschalten der Druckquelle (3) zum Zeitpunkt t_I bis zum Ende der Inspirationsphase erwartungsgemäß appliziert wird,
d) die Druckquelle (3) wird zu dem Zeitpunkt t heruntergeschaltet, in dem das Abschaltkriterium
V(t) + V_N(t) ≧ V_H
erfüllt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachliefervolumen V_N(t) anhand einer Auswertung der Volumenstrommessungen der gegenwärtigen und vorangegangener Inspirationsphasen durch die Volumenstrommesseinrichtung (4) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachliefervolumen V_N(t) anhand einer Auswertung der bekannten Nachliefervolumina vorangegangener Inspirationsphasen und bekannter gerätebedingter Verzögerungszeiten bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Atemwegsdrucks p(t) so eingestellt wird, dass der Atemwegsdruck p(t), ausgehend von einem endexspiratorischen Solldruck p_MIN zum Zeitpunkt t_o am Beginn der Inspirationsphase, mit einer konstanten Steigungsrate auf einen Maximalwert p_MAX ansteigt, der anschließend konstant gehalten wird, bis die Druckquelle (3) heruntergeschaltet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass p_MIN am Beginn einer Inspirationsphase von der Steuereinheit (10) auf den gemessenen Atemwegsdruck p(t) eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausatemleitung (2) ein Exspirationsventil (6) aufweist, das während der Inspirationsphase geschlossen ist.