DE10041007C1 - Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgeräts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes mit einem Atemkreislauf (2), bestehend aus einem Inspirationszweig (10) und einem Exspirationszweig (12), in welchem die für die Beatmung notwendigen Gaskomponenten über eine Frischgasleitung (9) von einer Frischgasdosierung (20) zugeführt werden, wodurch zumindest die verbrauchte Menge an Atemgas wieder auffüllbar ist, mit einer Atemgasfördereinheit (1) im Inspirationszweig (10) und mit einem Volumenstromsensor (13) im Exspirationszweig (12). DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Frischgasausnutzung des Beatmungsgeräts und vermindert die Widerstände im Atemkreislauf (2) für den Patienten (3), indem die Atemgasfördereinheit (1) während der Exspirationsphase mit einer Geschwindigkeit zurückgefahren wird, die vom Volumenstrom abhängt, der vom Volumenstromsensor (13) gemessen wird, so dass ein maximaler Anteil des über den Exspirationszweig (12) ausgeatmeten Atemgasvolumens zur Atemgasfördereinheit (1) gelangt und von dort über den Inspirationszweig (10) zum Patienten (3) verschoben werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgeräts mit einem Atemkreislauf, bestehend aus einem Inspirationszweig und einem Exspirationszweig, in welchem die für die Beatmung notwendigen Gaskomponenten über eine Frischgasdosierung zugeführt werden, wodurch zumindest die verbrauchte Menge an Atemgas wieder auffüllbar ist, mit einer Atemgasfördereinheit im Inspirationszweig und mit einem Volumenstromsensor im Exspirationszweig.

In einem Beatmungsgerät wird während der Inspirationsphase ein Atemgas­ volumen in den Patienten hineinverschoben. Während der Exspirationsphase wird ein vom Patienten ausgeatmetes Atemgasvolumen dann wieder in den Atemkreislauf des Beatmungsgeräts zurückverschoben. Die Verschiebung des Atemgasvolumens in der Exspirationsphase wird vom Beatmungsgerät nicht unterstützt, so dass die beim Ausatmen des Patienten in jedem Beatmungsgerät auftretenden exspiratorischen Widerstände vom Patienten selbst überwunden werden müssen. Das führt zu einer unbeabsichtigten zeitlichen Verlängerung der Exspirationsphase im Vergleich zu einer ungehinderten Ausatmung des Atemgasvolumens durch den Patienten.

Dem Atemkreislauf des Beatmungsgeräts wird des weiteren ein Frischgasfluss zugeleitet, um den Atemgasverbrauch des Patienten und Leckagen im Beatmungsgerät zu kompensieren. Insbesondere im Bereich der Anästhesie ist eine möglichst effektive Ausnutzung des im allgemeinen teure Anästhesiemittel enthaltenden, zugeleiteten Frischgases erwünscht, um einerseits Anästhesiemittel einzusparen und andererseits die Umwelt zu schonen.

Nachteile des Stands der Technik sind einerseits exspiratorische Widerstände im Atemkreislauf des Beatmungsgeräts, gegen die der Patient arbeiten muss und die die Exspirationsphase unnatürlich verlängern, andererseits ein übermäßiger Frischgasverbrauch, der Kosten verursacht und im Fall von Anästhesiegasgemischen die Umwelt belastet.

In der DE 39 00 276 C2 wird ein gattungsgemäßes Beatmungsgerät beschrieben, dessen Dosiereinheit zur Frischgasversorgung von dem Atemkreislauf des Beatmungsgeräts selbst abgekoppelt werden kann und lediglich bei Bedarf während der Exspirationsphase der Beatmung an den Atemkreislauf angeschlossen werden kann, um aus einem mit Frischgas gefüllten Reservoir diejenige Frischgasmenge zu entnehmen, welche durch den vorangegangen Verbrauch ersetzt werden muss. Auf diese Weise wird der Frischgasverbrauch optimiert, wenngleich hierfür als Nachteil ein vergrößerter konstruktiver Aufwand, nämlich der einer an- und abkoppelbaren Dosiereinheit mit Frischgasreservoir, auftritt. Das Problem der exspiratorischen Widerstände im Atemkreislauf beim Ausatmen des Patienten wird in der DE 39 00 276 C2 nicht behandelt.

Die DE 34 27 182 C2 enthält die Beschreibung eines Verfahrens zur Simulation der Lungenfunktion und eines Lungensimulators zur Durchführung des Verfahrens. Zur Erzeugung eines vorgebbaren Atemmusters, darstellbar anhand des verschobenen Atemgasvolumens, wird dieses Atemmuster in ein elektrisches Signal umgesetzt, und Sollwert und Istwert der Position eines bewegbaren Wandteils einer Kammer zum Verschieben des Atemgasvolumens werden miteinander verglichen. Die Antriebsvorrichtung zur Bereitstellung des Atemgases wird von dieser Regelabweichung derart gesteuert, dass sie durch Nachfahren des Wandteils der Kammer die Regelabweichung auf ein Minimum bringt. Ein mit diesem Betriebsverfahren arbeitender Lungensimulator kann zur Nachahmung aktiver Lungeneigenschaften eingesetzt werden. Grundsätzlich ist die Steuerung der Antriebsvorrichtung für die Atemgasförderung während des gesamten Beat­ mungszyklus, also während der Inspirationsphase und der Exspirationsphase, wie in der DE 34 27 182 C2 beschrieben, nicht nur für eine Simulation der Lungenfunktion, sondern auch für eine tatsächliche Patientenbeatmung möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Steuerung eines gattungsgemäßen Beatmungsgeräts anzugeben, das eine verbesserte Frischgasausnutzung beim Beatmungsgerät und verminderte Widerstände im Atemkreislauf des Beatmungsgeräts für den damit beatmeten Patienten zur Folge hat.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen maximalen Anteil des ausgeatmeten Atemgases über die Atemgasfördereinheit zum Patienten zurück­ zuleiten, so dass nur ein minimaler Anteil des ausgeatmeten Atemgases über die Narkosegasfortleitung ungenutzt abgeht. Gleichzeitig kann der minimale endexspiratorische Druck (auch PEEP genannt als Abkürzung für Positive End Expiratory Pressure) möglichst gering gehalten werden, was als Vorteil anzusehen ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird außerdem der Druck des Atemgases überwacht, damit die Patientenlungen bei Beatmung mit dem Beatmungsgerät nicht durch Unterschreitung eines vorgegebenen Mindestdrucks p_MIN im Atemkreislauf geschädigt werden. Vorteilhafterweise wird soviel Frischgas zudosiert, dass insgesamt ein zuvor festgelegtes Atemgasvolumen von der Atemgasfördereinheit über den Inspirationszweig an den Patienten verabreicht werden kann.

Geschieht die entsprechende Zudosierung von Frischgas nicht automatisch, so kann der Bedienperson des Beatmungsgeräts alternativ das fehlende Atemgasvolumen angezeigt werden, so dass sie die entsprechende Frischgaszudosierung selbst vornehmen kann.

Die Geschwindigkeitssteuerung der Atemgasfördereinheit erweist sich von Vorteil nicht nur während der Exspirationsphase, sondern auch während der Inspirations­ phase, weil damit die Widerstände im Atemkreislauf für den Patienten während des gesamten Beatmungszyklus vermindert werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher erläutert. Die Figur zeigt ein Beatmungsgerät mit den wichtigsten Bauelementen, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuert werden kann.

In der Figur ist ein vorzugsweise in der Anästhesie eingesetztes Beatmungsgerät mit einer Frischgasdosierung 20 und einer Atemgasfördereinheit 1 dargestellt, welche beispielsweise aus der Kombination eines Zylinders mit einem darin gleitenden Kolben als Volumenverschiebeeinrichtung ausgebildet sein kann. Frischgasdosierung 20 und Atemgasfördereinheit 1 werden von einer Auswerte- und Kontrolleinheit 19 gesteuert und sind an einen Atemkreislauf 2 angeschlossen, der einen Inspirationszweig 10 und einen Exspirationszweig 12 umfasst. Der Atemkreislauf 2 sorgt für eine Beförderung des Atemgases während der Inspiration zu einem Patienten 3 (Inspirationspfeil 4) und während der Exspiration vom Patienten 3 (Exspirationspfeil 6) zur Narkosegasfortleitung 5 oder zu der Atemgasfördereinheit 1 zurück. Der Kreislauf des Atemgases wird durch die Atemgasfördereinheit 1 aufrechterhalten und durch die Rückschlagventile 7a, 7b, 7c in der durch die Pfeile 4, 6 dargestellten Kreisrichtung gehalten. In dem Atemkreislauf 2 befindet sich zur Reinigung des Atemgases ein CO₂-Absorber 8. Über eine Frischgasleitung 9 ist in dem Atemkreislauf 2 das während eines Beatmungszyklus verbrauchte oder durch eventuelle Leckagen entweichende Atemgas durch die Frischgasdosierung 20 nachfüllbar, dargestellt durch einen entlang der Frischgasleitung 9 verlaufenden Pfeil. Der Volumenstrom des Atemgases im Inspirationszweig 10 des Atemkreislaufs 2 wird vom Volumenstromsensor 11 gemessen, der Volumenstrom des Atemgases im Exspirationszweig 12 des Atemkreislaufs 2 wird vom Volumenstromsensor 13 gemessen. Die von dem Volumenstromsensor 11, dem Volumenstromsensor 13 und einem Drucksensor 16 gemessenen Werte werden jeweils der Auswerte- und Kontrolleinheit 19 zugeleitet.

Während der Exspiration teilt sich das vom Patienten 3 über den Exspirationszweig 12 ausgeatmete Atemgas in zwei Teilströme auf: einen durch einen ersten Pfeil dargestellten Teilstrom 14, der durch die Narkosegasfortleitung 5 abgeleitet wird, und einen durch einen zweiten Pfeil dargestellten Teilstrom 15, der über den CO₂-Absorber 8 in den Atemkreislauf 2 zurückgeleitet wird. Die Aufteilung des ausgeatmeten Atemgases in die beiden Teilströme 14 und 15 ist durch die im Atemsystem vorhandenen Widerstände und die Vorspannung des Ventils 18 zur Narkosegasfortleitung 5 bedingt. Je größer die Vorspannung des Ventils 18 zur Narkosegasfortleitung 5 ist, umso mehr ausgeatmetes Atemgas wird in den Atemkreislauf 2 zurückgeleitet, umso größer ist jedoch auch der minimale endexspiratorische Druck p_MIN (PEEP).

Es ist das Ziel, bei einem möglichst geringen minimalen endexspiratorischen Druck p_MIN möglichst wenig Atemgas über die Narkosegasfortleitung 5 zu verlieren. Idealerweise soll das gesamte, vom Patienten 3 ausgeatmete Atemgas in den Atemkreislauf 2 zurückgeleitet werden.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass der Kolben der Atemgas­ fördereinheit 1 während der Exspirationsphase mit einer Geschwindigkeit zurückgefahren wird, die ausreichend groß ist, dass das gesamte, vom Patienten 3 über den Exspirationszweig 12 ausgeatmete Atemgasvolumen zusammen mit neuem, über die Frischgasleitung 9 zugeführten Frischgas wieder in den Atemkreislauf 2 zurückgeleitet und, mit dem neuen Frischgas vermischt, in den Zylinder der Atemgasfördereinheit 1 gesogen und in der darauffolgenden Inspirationsphase über den Inspirationszweig 10 zum Patienten 3 verschoben werden kann.

Die Geschwindigkeit, mit der der Kolben der Atemgasfördereinheit 1 zurückgefahren wird, ergibt sich dabei unmittelbar aus der Summe von dem Volumenstrom, der vom Volumenstromsensor 13 gemessen wird, und dem Volumenstrom, der über die Frischgasdosierung 20 zugeführt wird. Dieses Verfahren wird als flowgesteuerte Kolbenrückfahrt beschrieben.

Bei einer flowgesteuerten Kolbenrückfahrt muss aus Sicherheitsgründen der Druck des Atemgases im Atemkreislauf 2 am Patienten 3 überwacht werden, damit nicht durch einen Unterdruck unterhalb eines vorgegebenen minimalen endexspiratorischen Drucks p_MIN die Lungen des Patienten 3 geschädigt werden. Deshalb wird der Druck des Atemgases durch den Drucksensor 16 überwacht. Wird der vom Drucksensor 16 gemessene Druck während der Exspirationsphase kleiner als der vorgegebene, beispielsweise von der Bedienperson eingestellte minimale endexspiratorische Druck p_MIN, so wird die Rückfahrt des Kolbens der Atemgasfördereinheit 1 gestoppt und erst wieder fortgesetzt, wenn der minimale endexspiratorische Druck p_MIN erreicht ist. Wird der minimale endexspiratorische Druck p_MIN im Atemkreislauf 2 nicht patientennah, sondern an einer vom Patienten 3 entfernten Stelle gemessen, so kann er gegebenenfalls korrigiert werden um den exspiratorischen Atemwegswiderstand, multipliziert mit dem exspiratorischen Volumenstrom.

Dieses Verfahren wird als flowgesteuerte, druckbegrenzte Kolbenrückfahrt beschrieben.

Tritt bei einer flowgesteuerten, druckbegrenzten Kolbenrückfahrt eine Druckbegrenzung auf, die zur Folge hat, dass bis zum Ende der Exspirationsphase der Kolben der Atemgasfördereinheit 1 eine Position einnimmt, die keine vollständige Dosierung des für die nächste Inspirationsphase vorgegebenen Atemgasvolumens zulässt, so wird der Frischgasfluss über die Frischgasleitung 9 von der Frischgasdosierung 20 automatisch erhöht, wobei die notwendige Erhöhung des Frischgasflusses aus der Abweichung zwischen der erforderlichen Position des Kolbens und der erreichten Position des Kolbens am Anfang der jeweiligen Inspirationsphase abgeleitet wird.

Alternativ dazu wird der Frischgasfluss nicht automatisch erhöht, sondern aus der Abweichung zwischen der erforderlichen Position des Kolbens und der erreichten Position des Kolbens wird ein Anzeigewert gebildet, dem die Bedienperson Empfehlungen zur Frischgassteuerung entnimmt.

Dabei wird der Bedienperson die Differenz angezeigt, die sich aus einer Sollposition des Kolbens und seiner tatsächlichen Position zum Beginn der jeweiligen Inspirationsphase ergibt.

Als Vorteil bei der flowgesteuerten, druckbegrenzten Kolbenrückfahrt der Atemgasfördereinheit 1 erweist sich unter anderem die Verringerung des exspiratorischen Widerstands, da bei der Kolbenrückfahrt der Widerstand vom Absorber 8, vom Rückschlagventil 7c im Exspirationszweig 12, von einem Ventil 17 zur Regulierung des minimalen endexspiratorischen Drucks p_MIN und von den dazwischenliegenden Leitungen im Exspirationszweig 12 kompensiert wird. Auf dieselbe Weise kann auch der inspiratorische Widerstand, beispielsweise bei der Spontanatmung, verringert werden, indem anhand einer Auswertung der Volumenstrommessungen des Volumenstromsensors 11 der Kolben der Atemgasfördereinheit 1 vorgefahren wird.

Der Kolben der Atemgasfördereinheit 1 wird dabei während der Inspirationsphase mit einer Geschwindigkeit vorgefahren, die abhängt vom Volumenstrom, der von dem Volumenstromsensor 11 im Inspirationszweig 10 gemessen wird, und vom Druck des Atemgases, der vom Drucksensor 16 gemessen wird, so dass inspiratorische Atemwegswiderstände kompensiert werden und gleichzeitig ein vorgegebener Maximaldruck p_MAX des Atemgases im Atemkreislauf 2 nicht überschritten wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgeräts mit einem Atemkreislauf, bestehend aus einem Inspirationszweig und einem Exspirationszweig, in welchem die für die Beatmung notwendigen Gaskomponenten über eine Frischgasdosierung zugeführt werden, wodurch zumindest die verbrauchte Menge an Atemgas wieder auffüllbar ist, mit einer Atemgasfördereinheit im Inspirationszweig und mit einem Volumenstromsensor im Exspirationszweig, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemgasfördereinheit (1) während der Exspirationsphase mit einer Geschwindigkeit zurückgefahren wird, die sich unmittelbar ergibt aus der Summe von dem Volumenstrom, der vom Volumenstromsensor (13) gemessen wird, und dem Volumenstrom, der über die Frischgasdosierung (20) zugeführt wird, so dass ein maximaler Anteil des über den Exspirationszweig (12) ausgeatmeten Atemgasvolumens zur Atemgasfördereinheit (1) gelangt und in der darauffolgenden Inspirationsphase in den Inspirationszweig (10) verschoben werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemgasfördereinheit (1) während der Exspirationsphase mit einer Geschwindigkeit zurückgefahren wird, die neben der Summe der Volumenströme vom Druck des Atemgases abhängt, der von einem Drucksensor (16) gemessen wird, so dass bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestdrucks p_MIN des Atemgases im Atemkreislauf (2) die Rückfahrt der Atemgasfördereinheit (1) gestoppt und erst wieder fortgesetzt wird, wenn der Mindestdruck p_MIN erreicht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Frischgasleitung (9) von der Frischgasdosierung (20) das Volumen an Frischgas zudosiert wird, das sich aus der Differenz einer Sollposition des Kolbens und seiner tatsächlichen Position zum Beginn der jeweiligen In­ spirationsphase ergibt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedienperson die Differenz angezeigt wird, die sich aus einer Sollposition des Kolbens und seiner tatsächlichen Position zum Beginn der jeweiligen Inspirationsphase ergibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemgasfördereinheit (1) während der Inspirationsphase mit einer Geschwindigkeit vorgefahren wird, die vom Volumenstrom abhängt, der von einem Volumenstromsensor (11) im Inspirationszweig (10) gemessen wird, und vom Druck des Atemgases, der vom Drucksensor (16) gemessen wird, so dass inspiratorische Atemwegswiderstände kompensiert werden und ein vorgegebener Maximaldruck p_MAX des Atemgases im Atemkreislauf (2) nicht überschritten wird.