DE10102526A1 - Inhalationsvorrichtung bei maschineller Beatmung und Spontanatmung - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur maschinellen Beatmung und Spontanatmung mit je einer Leitung für die Zuführung von Frischgas und die Abführung und/oder die Rückführung von Ausatemgas, einem Behälter für flüssige Arzneimittel und einer Vorrichtung zur Vernebelung der Arzneimittel wird vorgeschlagen, die Vorrichtung zur Vernebelung mit einem Ultraschallerzeuger auszustatten, das Arzneimittel dem Schallfeld des Ultraschallerzeugers auszusetzen und den Ultraschallerzeuger in der Leitung für die Zuführung von Frischgas oder der Leitung für die Rückführung von Ausatemgas oder einer Leitung, welche für die Zu- und Rückführung vorgesehen ist, oder einer zu diesen Leitungen geschalteten Bypass-Leitung vorzusehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Inhalationsvorrichtung bei maschineller Beatmung und Spontanatmung mit je einer Leitung für die Zuführung von Frischgas und die Abführung und/oder die Rückführung von Ausatemgas, einem Behälter für flüssige Arzneimittel, insbesondere Narkosemittel, und einer Vorrichtung zur Vernebelung der Arzneimittel.

Die Therapie mit Beatmungsgeräten hat sich in den letzten Jahren zu einer anerkannten und weit verbreiteten Behandlungsmethode in vielen Berei­ chen der Medizin entwickelt. Dieser Fortschritt wurde durch eine wesentli­ che Verbesserung der Respiratoren bei gleichzeitiger Vereinfachung von deren Bedienung ermöglicht.

Die Einsatzbereiche von Beatmungsgeräten umfassen die Intensivmedizin, Narkosemedizin und die ambulante medizinische Versorgung. Der maschi­ nellen Beatmung kommt dabei die Aufgabe zu, bei Ausfall der Atemme­ chanik des Patienten die Ventilation sicherzustellen, durch eine Langzeit­ beatmung therapeutische Ziele umzusetzen, langfristige Insuffizienz der Atmung zu überbrücken oder die Zufuhr von Arzneimitteln mit der Atemluft zu gewährleisten.

Je nach Ausbildung der Atemsysteme unterscheidet man offene und ge­ schlossen Systeme, wobei die geschlossenen Systeme prinzipielll, die offe­ nen Systeme nur optional mit einer Rückführung der Ausatemgase arbei­ ten. Offene Systeme werden überwiegend in der Intensivmedizin und der ambulanten medizinischen Versorgung eingesetzt, während in der Narko­ semedizin die Entwicklungen in Richtung geschlossener Systeme weisen.

Auch in der Narkosemedizin besteht mittlerweile der Anspruch während der Intubationsnarkose Medikamente in Aerosolform zu verabreichen. Die hierfür eingesetzten Beatmungsgeräte weisen dementsprechend neben dem eigentlichen Atemsystem auch eine Vorrichtung für die Narkosemittel­ dosierung auf. Bei den in diesem Bereich der Medizin eingesetzten offenen Systemen mit und ohne Rückführung wird Sauerstoff, Lachgas und Narko­ semittel dem Patienten im Überschuß angeboten. Der überschüssige, d. h. der vom Patienten nicht verbrauchte, Anteil dieser Gase wird in die Raum­ luft abgegeben. Bei Systemen ohne Rückführung atmet der Patient aus­ schließlich Frischgas ein, die gesamte Ausatemluft wird aus dem System abgeführt. Bei Systemen mit Rückführung wird das ausgeatmete Kohlendi­ oxid im CO₂-Absorber durch eine chemische Reaktion mit Atemkalk ge­ bunden und der verbleibenden Anteil der Ausatemgase in den offenen Sy­ stemen teilweise, in den geschlossenen Systemen vollständig wieder dem Patienten zugeführt.

Bei den offenen Systemen basieren die nach dem Stand der Technik be­ kannten Konzeptionen für Inhalationsvorrichtungen zur Medikamentenver­ neblung auf dem hohen Durchsatz an Gasen. Eine bekannte Vorrichtung dieser Art weist beispielsweise eine mit Medikamenten beschickte Venturi­ düse auf, über die ein Frischgasstrom hinweg geleitet wird. Dabei reißt der Gasstrom das Medikament mit sich und zerstäubt es zu einem feinen Ae­ rosol, das dem Patienten zugeführt wird. Die genannten Vorrichtungen sind als Düsenvergaser oder -vernebler oder Jetvernebler bekannt. Die Über­ schußversorgung bei offenen Geräten bringt jedoch den Nachteil eines hohen Medikamentenverbrauchs mit dementsprechend hohen Kosten und einer Belastung der Umwelt mit Narkosemitteln mit sich.

Bei den geschlossenen Systemen dagegen entspricht das Angebot an Sauerstoff, Lachgas und Narkosemitteln in jedem Augenblick dem Bedarf des Patienten, wobei das Ausatemgas nach Eliminierung des Kohlendi­ oxids wieder vollständig dem Patienten zugeführt wird. Auf Grund des ge­ schlossenen Kreislaufs sind die im System auftretenden Gasdurchsätze vergleichsweise gering. Diese Systeme zeichnen sich durch einen sparsamen Verbrauch an Narkosemitteln und eine Vermeidung von Umweltbela­ stung durch Narkosegase aus.

Die nach dem Stand der Technik zur Verfügung stehenden geschlossenen Beatmungssysteme bieten jedoch noch nicht die technischen Vorausset­ zungen für den Betrieb eines Jet oder Düsenverneblers.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Inhalationsvorrichtung bei maschineller Beatmung zu schaffen, welche auch bei niedrigen Gasdurchsätzen sowohl eine ausreichende Verne­ blungsleistung als auch eine exakte Einstellbarkeit der Verneblungsmenge gewährleistet und damit insbesondere eine exakte Medikamentendosierung in geschlossenen Systemen ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß

• - die Vorrichtung zur Vernebelung einen Ultraschallerzeuger aufweist,
• - das Arzneimittel dem Schallfeld des Ultraschallerzeugers ausgesetzt ist - und der Ultraschallerzeuger
• - in der Leitung für die Zuführung von Frischgas,
• - oder der Leitung für die Rückführung von Ausatemgas
• - oder einer Leitung, welche für die Zu- und Rückführung vorgesehen ist,
• - oder einer zu diesen Leitungen parallel geschalteten Bypass-Leitung angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Inhalationsvorrichtung bei maschineller Beatmung weist einen Ultraschallerzeuger auf, in dessen Schallfeld ein flüssiges Arz­ neimittel angeordnet ist. In der Regel wird das Arzneimittel in einem Be­ hälter aufbewahrt, der dem Schallfeld ausgesetzt ist. Die Ultraschallwellen durchdringen dann den Behälter und den Flüssigkeitskörper und erzeugen an der Oberfläche der Flüssigkeit Kapillarwellen. Bei ausreichender Schwingungsamplitude lösen sich von den Kapillarwellenbergen feinste Flüssigkeitströpfchen in der Größenordnung der Kapillarwellenlänge ab.

Dieses Aerosol aus dem zerstäubten Mittel wird dem Patienten mit der Atemluft zugeführt und in der Lunge praktisch unmittelbar an den Blut­ kreislauf abgegeben. Bei einer Ultraschallfrequenz von beispielsweise 20 kHz beträgt die mittlere Größe der Tröpfchen etwa 10 µm im Durchmesser. Durch Auswahl des geeigneten Ultraschallerzeugers, durch Vorgabe der geeigneten Frequenz und Amplitude der Wellen sind in weiten Grenzen Anpassungen der Tröpfchengröße und -menge an die jeweiligen Anforde­ rungen möglich. Für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung be­ währt haben sich Ultraschallwellen, deren Frequenzen zwischen 20 kHz und einem GHz liegen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Zerstäubung von Flüssigkeiten mit Hilfe von Ultraschall völlig unabhängig von Gasströmen arbeitet. Bei Anwendung von Ultraschallzerstäubern in Beatmungsgeräten erweist sich daher - einem Kerngedanken der Erfindung folgend - der Vor­ gang der Vernebelung von Arzneimitteln als völlig unabhängig von dem Vorgang der Gaszufuhr, beide Vorgänge können daher mit unabhängigen Mitteln gelöst, gesteuert und optimiert werden.

Die Unabhängigkeit beider Vorgänge eröffnet die Möglichkeit, einen Ultra­ schallzerstäuber auch in Gasleitungen mit extrem unterschiedlichem Durchsatz effektiv zu betreiben. Dabei ist es unerheblich, ob die Leitungen an sich einen hohen oder niedrigen Durchsatz aufweisen oder der Durch­ satz, etwa im Verlauf einer Narkose, starken Schwankungen unterliegt. Ohne Einbußen an Effektivität wird die Vernebelung von Arzneimitteln da­ her in der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung alternativ

• - in der Leitung für die Zuführung von Frischgas,
• - oder der Leitung für die Rückführung von Ausatemgas
• - oder einer Leitung, welche für die Zu- und Rückführung vorgesehen ist,
• - oder einer zu diesen Leitungen parallel geschalteten Bypass-Leitung

durchgeführt.

In der Praxis bedeutet dies, daß Ultraschallvernebler sowohl in offenen als auch in geschlossenen Atemsystemen effektiv einsetzbar sind. Insbeson­ dere ist eine exakte Medikamentendosierung auch in geschlossenen Sy­ stemen gewährleistet. Damit sind die technischen Voraussetzungen für einen risikofreien Einsatz dieser Systeme bei der Durchführung von Narko­ sen gegeben. Die bei geschlossenen Systemen vorhandenen Vorteile ste­ hen damit uneingeschränkt auch in der Narkosemedizin zur Verfügung.

Darüber hinaus liegt der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch in ihrer universellen Verwendbarkeit. Die gemäß vorliegender Erfindung ausgebildete Inhalationsvorrichtung bei maschineller Beatmung ist sowohl in geschlossenen als auch in offenen Systemen einsetzbar und findet damit gleichermaßen Anwendung in der Intensivmedizin, der ambulanten medizi­ nischen Versorgung bei Spontanatmung und insbesondere in der Narko­ semedizin. Als ein entscheidender Vorteil ist anzusehen, daß mit demsel­ ben Betreiberteil sowohl während der Phase der maschinellen Beatmung als auch nach erfolgter Extubation bei Spontanatmung die Medikamente ohne Dosierungsänderung verabreicht werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ist der Ultraschallerzeuger als piezoelektrisches Element, vorzugswei­ se als Schwingquarz, ausgebildet. Er ist so angeordnet, daß sein Schallfeld auf den mit Arzneimittel gefüllten Behälter übertragen wird. Während des Betriebes ist der Schwingquarz selbst den in ihm erzeugten Schwingungen ausgesetzt, die zu einer stetigen Erwärmung des Kristalls führen. Um eine Zerstörung des Kristalls bei längerem Betrieb zu vermeiden, ist es notwen­ dig diese Wärme abzuführen. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Schwingquarz daher wenigstens teilweise mit einer Kontaktflüssigkeit um­ geben, die zwischen Ultraschallerzeuger und Arzneimittel angeordnet ist. Als Kontaktflüssigkeit bewährt haben sich destilliertes Wasser, Kochsalzlö­ sung oder andere physiologisch verträgliche Flüssigkeiten. Aufgabe der Kontaktflüssigkeit ist primär eine Kühlung des Quarzes, aber darüber hinaus sorgt diese Flüssigkeit auch dafür, daß zwischen Schwingquarz und Arzneimittelbehälter ein guter schalltechnischer Kontakt hergestellt wird.

Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Ultraschallerzeuger als Ultraschall-Pfeiffe ausgebildet. Auch mit diesem relativ einfachen technischen Mittel lassen sich Aerosole mit kleinsten Tröpfchen herstellen, wobei diese Lösung in vorteilhafter Weise keinerlei elektronische Geräte zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer Schwin­ gungen erfordert. Die Pfeife wird bei vorliegender Anwendung mit Frisch­ gas oder rückgeführtem Ausatemgas betrieben. Dabei bildet sich um den Pfeifenkopf herum ein Feld von Ultraschallwellen aus, das ebenfalls von Frisch- oder Ausatemgas durchströmt wird. Das zu zerstäubende Medika­ ment wird in einem Behälter aufbewahrt, der mit Öffnungen oder Leitungen versehen ist, aus denen heraus ein oder mehrere Flüssigkeitsstrahlen aus­ treten und in den Bereich der Ultraschallwellen fallen. Beim Eintritt der Flüssigkeitsstrahlen in das Schallfeld erfolgt eine Aufspaltung des Strahls in feinste Tröpfchen, die durch den Gasstrom fortgetragen und dem Patienten zugeführt werden.

Nach einem Merkmal der Erfindung kommen in der vorgeschlagenen Vor­ richtung alternativ unterschiedliche Arzneimittel zum Einsatz, die sich in ihren physikalische Eigenschaften, insbesondere der Viskosität und/oder der Oberflächenspannung, unterscheiden. In Beatmungsgeräten nach dem Stand sind hierfür jeweils unterschiedliche Vorrichtungen zur Vernebelung der Arzneimittel erforderlich. Beispielsweise ist bei Düsenverneblern jeweils eine auf die Eigenschaften der zu vernebelnden Flüssigkeit abgestimmte Düse notwendig, wenn die Erzeugung der Aerosole optimal erfolgen soll.

Bei der Vorrichtung gemäß vorliegende Erfindung bereitet der Übergang von einem Arzneimittel zu einem anderen mit verschiedenen physikalische Eigenschaften dagegen keinerlei Probleme. Die erfindungsgemäße Vor­ richtung weist a priori Mittel auf, welche eine Anpassung an unterschiedli­ che Eigenschaften der Flüssigkeit erlauben. Diese Mittel bestehen in der Vorgabe der geeigneten Frequenz und der geeigneten Amplitude des Ul­ traschall-Erzeugers. Für den Fall, daß eine weitergehende Anpassung des Zerstäubers an die Eigenschaften der verwendeten Arzneiflüssigkeit erfor­ derlich ist, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit zu anderen Ul­ traschallerzeugern, beispielsweise solchen aus Keramik, überzugehen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Prallplatte vor­ gesehen, die in veränderbarem Abstand zur Oberfläche der zu vernebeln­ den Flüssigkeit angebracht ist, wobei zwischen Prallplatte und Flüssigkeit der Strom aus Frischgas oder rückgeführtem Gas entlang geleitet wird. Die Prallplatte ermöglicht es, die Tröpfchengröße der im Aerosol vertretenen Arzneipartikel zu kontrollieren. Ihre Wirkungsweise beruht auf folgenden Mechanismen:
Nach dem Loslösen der Tröpfchen von den Kapillarwellenbergen an der Oberfläche des Arzneimittels bewegen sich die Tröpfchen von der Oberflä­ che weg in den freien Raum hinein. Ihre Flugbahnen weisen dabei vor­ nehmlich in eine Richtung, die senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche steht. Während ihres Flugs sind die Tröpfchen jedoch den tangential zur Oberflä­ che der Flüssigkeit vorbeiziehenden Gase ausgesetzt. Hierdurch werden Kräfte auf die Tröpfchen ausgeübt, die quer zu deren Flugrichtung weisen. Diesen Querkräften folgen die kleineren und dementsprechend leichteren Tröpfchen sehr viel eher als große Tröpfchen. Während die großen Tröpf­ chen nahezu unter Beibehaltung ihrer Flugrichtung auf der Prallplatte auf­ treffen werden die kleinen Tröpfchen vom Luftstrom fortgetragen, ohne mit der Prallplatte zu kollidieren. Erst bei einer entsprechenden Vergrößerung des Abstandes zwischen Prallplatte und Flüssigkeitsoberfläche gelingt es auch den größeren Tröpfchen ohne Kollision mit der Prallplatte dem Gasstrom zu folgen. Die auf der Prallplatte angesammelte Tröpfchen for­ men sich im Laufe der Zeit zu großen Tropfen aus, die schließlich wieder in den unter der Prallplatte angeordneten Arzneimittelbehälter zurücktropfen. Die Prallplatte wirkt somit selektiv auf die Tröpfchengröße, wobei ein klei­ ner Abstand zur Entstehung von Aerosol mit einem hohen Anteil kleiner Tröpfchen führt, ein großer Abstand dementsprechend zu einem Aerosol mit großen Tröpfchen.

Aus Gründen der Hygiene müssen die wesentlichen Elemente der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zu gegebenen Zeiten gereinigt und desinfiziert werden. Die vorgeschlagene Inhalationsvorrichtung bei maschineller Beat­ mung ist daher so ausgebildet, daß diese Elemente, insbesondere der Ul­ traschallerzeuger, die Prallplatte und der Behälter für das Arzneimittel, aus der Vorrichtung entnehmbar sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Teil der Beschreibung entnehmen. In diesem Teil wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die Darstellung zeigt einen axialen Schnitt durch den Teil der Vorrichtung, welcher den Ultraschallvernebler enthält.

Der Darstellung liegt eine Ausführungsform zugrunde, die in der Narkose­ medizin eingesetzt wird. Unter dem Bezugszeichen 1 ist die Arzneiflüssig­ keit angedeutet, die in einem Behälter 2 aufbewahrt wird, der seinerseits in einen entsprechend geformten Sitz 3 der Vorrichtung eingepaßt ist. Unter­ halb des Behälters ist die Kontaktflüssigkeit 4 vorgesehen, die einerseits den Arzneimittelbehälter 2 und andererseits den Schwingquarz 5 umgibt.

Oberhalb des Arzneimittelbehälters 2 ist in definiertem Abstand zur Ober­ fläche 7 des Arzneimittels die Prallplatte 8 angeordnet. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist der Abstand dieser Platte von der Arzneimitte­ loberfläche einstellbar ausgebildet. Das Atemgases wird von links her durch die Leitung 9 zugeführt, durchströmt den Zwischenraum 10 zwischen Flüssigkeitsoberfläche 7 und Prallplatte 8 und verläßt die Vorrichtung auf der rechten Seite über die Leitung 11.

Bei einem Betrieb der Vorrichtung wird vom Schwingquarz ein Ultraschall­ feld erzeugt, welches über die Kontaktflüssigkeit 4 auf den Behälter 2 und das darin enthaltene Arzneimittel 1 übertragen wird. An der Oberfläche 7 des Arzneimittels werden hierdurch Kapillarwellen erregt, von dessen Ber­ gen sich bei ausreichender Schwingungsamplitude Flüssigkeitströpfchen in der Größenordnung der Kapillarwellenlänge ablösen. Diese Tröpfchen be­ wegen sich von der Oberfläche 7 der Flüssigkeit weg in den Zwischenraum 10 zwischen Flüssigkeit und Prallplatte hinein und werden hier von dem tangential zur Flüssigkeitsoberfläche fließenden Gasstrom 12 erfaßt. Hier­ bei werden insbesondere die kleineren Tröpfchen mit dem Gas mitgeris­ sen, währen die größeren Tröpfchen mit einiger Wahrscheinlichkeit mit der Prallplatte kollidieren und an ihr haften bleiben. Das mit Aerosol durch­ setzte Atemgas wird über die Leitung 11 dem Patienten zugeleitet.

Die Effektivität der Aerosolerzeugung ist dabei unabhängig von der Strö­ mungsgeschwindigkeit des Gasstroms. Dadurch ist es möglich, die erfin­ dungsgemäß ausgebildete Inhalationsvorrichtung bei maschineller Beat­ mung sowohl bei hohem als auch niedrigem Gasdurchsatz und dement­ sprechend sowohl in offenen als auch in geschlossenen Narkosesystemen einzusetzen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet bei gleichbleiben­ den Output und/oder Teilchengröße daher gleichermaßen Anwendung in der Intensivmedizin, der Narkosemedizin und der ambulanten medizini­ schen Versorgung. (Spontanatmung)

Claims (8)

1. Inhalationsvorrichtung bei maschineller Beatmung und Spontanatmung mit je einer Leitung für die Zuführung von Frischgas und die Abführung und/oder die Rückführung von Ausatemgas, einem Behälter für flüssige Arzneimittel, insbesondere Narkosemittel, und einer Vorrichtung zur Verne­ belung der Arzneimittel, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur Vernebelung einen Ultraschallerzeuger (5) aufweist,
das Arzneimittel (1) dem Schallfeld des Ultraschallerzeugers ausgesetzt ist
und der Ultraschallerzeuger
in der Leitung für die Zuführung von Frischgas,
oder der Leitung für die Rückführung von Ausatemgas
oder einer Leitung, welche für die Zu- und Rückführung vorgesehen ist,
oder einer zu diesen Leitungen parallel geschalteten By­ pass-Leitung
angeordnet ist.

2. Inhalationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallerzeuger ein piezoelektrisches Element, vorzugsweise aus Quarz oder Keramik, ist.

3. Inhalationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ultraschallerzeuger wenigstens teilweise von einer Kontakt­ flüssigkeit (4), vorzugsweise destilliertem Wasser, umgeben ist und die Kontaktflüssigkeit zwischen Ultraschallerzeuger (5) und Arzneimittel (1) angeordnet ist.

4. Inhalationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallerzeuger eine Ultraschall-Pfeiffe ist.

5. Inhalationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alternativ unterschiedliche Arzneimittel zum Einsatz kommen und diese Arzneimittel unterschiedliche physikalische Eigen­ schaften, insbesondere Viskosität und/oder Oberflächenspannung, aufwei­ sen.

6. Inhalationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Vernebelung eine Prallplatte (8) aufweist, die mit Abstand zur Oberfläche (7) der zu vernebelnden Flüssig­ keit (1) angebracht ist, wobei der Abstand veränderbar ist.

7. Inhalationsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die wesentlichen Elemente der Vorrichtung zur Vernebelung, insbesondere der Ultraschallerzeuger (5), die Prallplatte (8) und der Behälter (2) für das Arzneimittel, aus der Vorrichtung entnehm­ bar sind.

8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sie in der Intensivmedizin und/oder der Narkosemedizin und/oder in der ambulanten medizinischen Versorgung bei Spontanatmung eingesetzt wird.