DE10107917A1 - Low-loss gas dosing system for patient, includes chamber in breathing path which returns some dosed gas, back into lungs - Google Patents
Low-loss gas dosing system for patient, includes chamber in breathing path which returns some dosed gas, back into lungsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur verbrauchsarmen Applikation gasförmiger Stoffe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for the low-consumption application of gaseous substances, according to the preamble of claim 1.
Zur Applikation von gasförmigen und flüssigen Stoffen bei maschineller Beatmung werden bisher Verdampfer, Vernebler und Verdunster eingesetzt.So far, the application of gaseous and liquid substances in mechanical ventilation Evaporators, nebulizers and evaporators used.
Verdampfer, wie sie bei Anästhesiebeatmungsgeräten für die Inhalationsnarkose eingesetzt werden, dienen dazu, dem reinen Sauerstoff oder einem Gasgemisch, das den für die Atmung erforderlichen Sauerstoff enthält, ein Anästhetikum beizumischen. In einer Kammer des Ver dampfers bildet sich über dem in flüssiger Form eingefüllten Anästhetikum eine Gasphase, deren maximaler Partialdruck der Sättigung des Gasgemischs entspricht. Die Konzentration des Anästhetikums im Gasgemisch, das die Lungen des Patienten erreicht, wird durch eine verstellbare Aufteilung des Atemgasstroms gesteuert, so dass der applizierte Partialdruck deutlich unter dem der gesättigten Gasphase liegt.Vaporizer as used in anesthesia ventilators for inhalation anesthesia are used for pure oxygen or a gas mixture that is necessary for breathing contains necessary oxygen to add an anesthetic. In a chamber of the Ver a vapor phase forms over the anesthetic filled in liquid form, the maximum partial pressure corresponds to the saturation of the gas mixture. The concentration of the Anesthetic in the gas mixture that reaches the patient's lungs is caused by a adjustable distribution of the respiratory gas flow controlled so that the applied partial pressure clearly is below that of the saturated gas phase.
Vernebler, wie sie in der Intensivmedizin zur Verabreichung flüssiger Medikamente eingesetzt werden, dienen der Erzeugung eines Aerosols im Atemgasgemisch, das dann inhaliert wird.Nebulizers, such as those used in intensive care medicine for the administration of liquid medication are used to generate an aerosol in the breathing gas mixture, which is then inhaled.
Verdunster, wie sie in der Intensivmedizin zur Befeuchtung der Atemgase bei der maschinellen Beatmung eingesetzt werden, dienen der Anwärmung des inspiratorischen Gasgemischs und dessen Sättigung mit Wasserdampf. Zu diesem Zweck wird eine mit Wasser befüllte Kammer beheizt und das Atemgasgemisch bei der Inspiration über die Oberfläche des Wassers geleitet.Evaporators, such as those used in intensive care medicine to humidify the respiratory gases in mechanical Ventilation are used to warm up the inspiratory gas mixture and its saturation with water vapor. For this purpose, a chamber filled with water heated and the breathing gas mixture passed over the surface of the water during inspiration.
Bei der Applikation gasförmiger Stoffe ist deren Verbrauch vom Typ des Applikationssystems
und dessen Einstellung abhängig:
Halboffene Systeme kommen fast nur noch bei Intensivbeatmungsgeräten zum Einsatz. Bei einem
derartigen System wird das Gasgemisch, das während der Exspiration vom Patienten ausgeatmet
wird, über einen Schlauch und das Exspirationsventil abgeleitet und nicht wieder verwendet.
When applying gaseous substances, their consumption depends on the type of application system and its setting:
Half-open systems are almost only used in intensive care ventilators. In such a system, the gas mixture that is exhaled by the patient during expiration is discharged via a hose and the expiration valve and is not reused.
Halbgeschlossene und geschlossene Systeme werden demgegenüber bei Anästhesiebeatmungs geräten eingesetzt und stellen ein Kreissystem mit teilweiser bis vollständiger Wiederverwendung des ausgeatmeten Gasgemischs dar. Sie beruhen auf dem Prinzip, dass der Atemstrom während der Exspiration zusammen mit dem Frischgasstrom in einen Gummibeutel oder Gummibalg geleitet wird. Dieser flexible Hohlraum kann konstruktiv so angeordnet sein, dass er direkt bei der nachfolgenden Inspiration entleert wird oder die Funktion eines Pufferspeichers hat. Die bei der Wiederverwendung des Gasgemischs erforderliche Elimination des Kohlendioxids wird durch die chemische Reaktion zwischen Kohlendioxid und Kalk realisiert, die in einer mit "Atemkalk" gefüllten Kammer des Kreissystems beim Hindurchströmen des Gasgemischs abläuft.In contrast, semi-closed and closed systems are used in anesthesia ventilation used devices and provide a circular system with partial to complete reuse of the exhaled gas mixture. They are based on the principle that the breath flow during the expiration together with the fresh gas flow into a rubber bag or rubber bellows is directed. This flexible cavity can be structurally arranged so that it directly at the subsequent inspiration is emptied or has the function of a buffer memory. The at the Reuse of the gas mixture eliminates the need for carbon dioxide chemical reaction between carbon dioxide and lime realized in a with "soda lime" filled chamber of the circuit system when the gas mixture flows through.
Gegenüber halboffenen Systemen haben halbgeschlossene und geschlossene Systeme den Vorteil, dass der Verbrauch an Anästhetika aufgrund der Rückführung bzw. Wiederverwendung des ausgeatmeten Gasgemischs erheblich reduziert werden kann. Als Nachteil erweist sich, dass ein konstanter Frischgasstrom direkt oder gepuffert - in der Beatmungstechnik wird diese Form als entkoppelt bezeichnet - eingespeist wird und für die Beatmung ein zweiter unabhängiger Antrieb erforderlich ist.Compared to half-open systems, half-closed and closed systems have the advantage that the consumption of anesthetics due to the return or reuse of the exhaled gas mixture can be significantly reduced. The disadvantage is that a constant fresh gas flow directly or buffered - this form is used in ventilation technology as decoupled - feeds in and a second independent drive for ventilation is required.
Aus der Druckschrift DE 198 23 606 A1 ist die Anwendung von Perfluorhexan CF3(CF2)4CF3, einem linearen mit Fluoratomen gesättigten Molekül, als Bestandteil des Atemgasgemischs zur Therapie des Lungenversagens bekannt.From the publication DE 198 23 606 A1 the use of perfluorohexane CF 3 (CF 2 ) 4 CF 3 , a linear molecule saturated with fluorine atoms, is known as a component of the breathing gas mixture for the therapy of lung failure.
Über Perfluorcarbone ist bekannt, dass sie zu einer Stoffgruppe gehören, die mit den Kohlen wasserstoffen verwandt ist. Im Gegensatz zu diesen sind in den Molekülen, die Ketten-, Ring- oder komplexere Strukturen haben können, die Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt. Die physikalischen Eigenschaften variieren mit der Struktur der Moleküle, aber vor allem mit der Anzahl der Kohlenstoffatome.Perfluorocarbons are known to belong to a group of substances that are associated with the carbons is related to hydrogen. In contrast to these are in the molecules, the chain, ring or may have more complex structures that replace hydrogen atoms with fluorine atoms. The physical properties vary with the structure of the molecules, but especially with the Number of carbon atoms.
Über den maximalen Dampfdruck eines Stoffes über dessen flüssiger Phase bei einer Temperatur
unterhalb seines Siedepunkts ist bekannt, dass er temperaturabhängig ist und in guter Näherung mit
der Formel
P = 10A-(B/(T+C))
It is known about the maximum vapor pressure of a substance over its liquid phase at a temperature below its boiling point that it is temperature-dependent and in good approximation with the formula
P = 10 A- (B / (T + C))
[P = Dampfdruck (bar), T = Temperatur (K)]
berechnet werden kann. Die stoffspezifischen Parameter A, B und C stehen in der Literatur zur
Verfügung.[P = vapor pressure (bar), T = temperature (K)]
can be calculated. The substance-specific parameters A, B and C are available in the literature.
Die Applikation von Perfluorhexan mit Hilfe von Verdampfern an einem Anästhesiebeatmungs gerät (Druckschrift DE 198 23 606 A1 und Bleyl JU, Ragaller M, Tschö U et al.: Vaporised perfluorocarbon improves oxygenation and pulmonary function in an ovine model of acute respiratory distress syndrome. Anesthesiology 91(1999): 461-9) hat den Nachteil, dass der maximale Partialdruck von Perfluorhexan durch die Raumtemperatur bestimmt wird, da die Verdampfer und das Kreissystem nicht auf Körpertemperatur geheizt sind. Für eine Anwendung von Perfluorhexan bei der Beatmung von Intensivpatienten wäre außerdem der Einsatz von Intensivbeatmungsgeräten vorteilhaft.The application of perfluorohexane with the aid of evaporators to an anesthetic ventilator (publication DE 198 23 606 A1 and Bleyl JU, Ragaller M, Tschö U et al .: Vaporised perfluorocarbon improves oxygenation and pulmonary function in an ovine model of acute respiratory distress syndrome. Anesthesiology 91 ( 1999 ): 461-9) has the disadvantage that the maximum partial pressure of perfluorohexane is determined by the room temperature, since the evaporators and the circuit system are not heated to body temperature. The use of intensive care ventilators would also be advantageous for the use of perfluorohexane in the ventilation of intensive care patients.
Die Aufgabe der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung besteht darin, die Applikation gasförmiger Stoffe so zu verbessern, dass für den zu applizierenden Stoff der Verbrauch minimiert wird, ein Partialdruck erreicht werden kann, der dem bei Körpertemperatur maximalen Partialdruck des gesättigten Gasgemischs entspricht, die Konzentration möglichst einfach steuerbar ist und die Verwendung von Intensivbeatmungsgeräten ermöglicht wird. Außerdem soll ein einfaches Applikationssystem zur Verfügung stehen, dass zur Sicherung des Lebens des Patienten keine zusätzlichen aktiven Komponenten erfordert.The object of the invention specified in claim 1 is the application to improve gaseous substances so that consumption is minimized for the substance to be applied a partial pressure can be reached which is the maximum at body temperature Partial pressure of the saturated gas mixture corresponds, the concentration as simple as possible is controllable and the use of intensive care ventilators is made possible. In addition, should a simple application system is available to secure the life of the Patients do not require any additional active components.
Die Aufgabe wird durch die in Verbindung mit den im Oberbegriff des Patentanspruch 1 genannten Merkmale dadurch gelöst, dass die Elimination des applizierten Stoffes durch ein zwischen Patient und Beatmungsgerät befindliches Applikationssystem, dessen Volumen sich nicht ändert, reduziert wird, indem das Gasgemisch bei der Ausatmung durch einen Hohlraum geleitet wird, worin der applizierte Stoff in einer Menge, die vom Verhältnis zwischen Hohlraumvolumen und Atemzugvolumen abhängt, verbleibt und bei der nachfolgenden Einatmung aufgrund der umgekehrten Strömungsrichtung wieder in die Lungen des Patienten gelangt.The object is achieved by the in conjunction with the in the preamble of claim 1 mentioned features solved in that the elimination of the applied substance by a application system located between the patient and the ventilator, the volume of which is does not change, is reduced by the gas mixture when exhaling through a cavity is conducted, in which the applied substance in an amount that depends on the ratio between Cavity volume and tidal volume depends, remains and with the following Inhalation back into the patient's lungs due to the reverse flow direction arrives.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Further developments and refinements of the arrangement are the subject of dependent claims.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch das im Patentanspruch 2 angegebene Verhältnis VH < VT zwischen dem Hohlraumvolumen VH und dem Atemzugvolumen VT erreicht, da der Verbrauch der applizierten Substanz unter dieser Bedingung auf ein Minimum reduziert werden kann.An advantageous embodiment of the invention is achieved by the ratio V H <V T between the cavity volume V H and the tidal volume V T specified in claim 2, since the consumption of the applied substance can be reduced to a minimum under this condition.
Die im Patentanspruch 3 angegebene Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass die Elimination des applizierten Stoffes mit einem möglichst kleinen Hohlraumvolumen nahezu auf null reduziert wird.The embodiment of the invention specified in claim 3 has the advantage that the Elimination of the applied substance with the smallest possible void volume almost is reduced to zero.
Die im Patentanspruch 4 angegebene Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass der Verbrauch von Substanzen reduziert werden kann, die bei Raumtemperatur in flüssiger Form existieren. Diese lassen sich innerhalb des Applikationssystems verdunsten, da sich über der flüssigen Phase eine Gasphase als Bestandteil des Gasgemischs bildet, das appliziert werden soll, ohne dass es bei der nächsten Ausatmung verloren geht. Besonders vorteilhaft ist dies bei den im Patentanspruch 5 genannten Substanzen.The embodiment of the invention specified in claim 4 has the advantage that the Consumption of substances can be reduced at room temperature in liquid form exist. These can evaporate within the application system because the liquid phase forms a gas phase as part of the gas mixture to be applied, without being lost on the next exhalation. This is particularly advantageous in the Claim 5 substances mentioned.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Sie ermöglicht eine einfache Steuerung der Konzentration der zu applizierenden Substanz, durch eine Regelung der Temperatur bei der Verdunstung innerhalb des Applikationssystems.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 6. she enables a simple control of the concentration of the substance to be administered by a Control of the temperature during evaporation within the application system.
Die im Patentanspruch 7 angegebene Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass der Verbrauch von Substanzen reduziert werden kann, die bei Raumtemperatur im gasförmigen Zustand existieren. Dazu werden diese dem Applikationssystems nicht über das Inspirationsventil des Beatmungsgeräts sondern direkt zugeführt. Auf diese Weise wird innerhalb des Applikationssystems eine höhere Konzentration als am Inspirationsventil erreicht und der Verlust über das Exspirationsventil des Beatmungsgeräts minimiert. Besonders vorteilhaft ist dies bei den im Patentanspruch 8 genannten Substanzen.The embodiment of the invention specified in claim 7 has the advantage that the Consumption of substances can be reduced at room temperature in the gaseous Condition exist. To do this, they are not sent to the application system via the inspiration valve of the ventilator but fed directly. This way, within the Application system reaches a higher concentration than at the inspiration valve and the loss minimized via the ventilator's expiratory valve. This is particularly advantageous with the substances mentioned in claim 8.
Die insgesamt mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine ver brauchsarme Applikation gasförmiger Stoffe mit intensivmedizinischen Beatmungsgeräten möglich ist. Gegenüber den bisher bekannten Applikationsformen ergeben sich aus der Reduktion des Verbrauchs ökonomische und ökologische Vorteile, deren Bedeutung vor allem von der applizierten Substanz abhängt. The overall advantages achieved with the invention are that a ver low-consumption application of gaseous substances with intensive care ventilators is possible. Compared to the previously known forms of application, the reduction results of consumption economic and ecological advantages, the importance of which mainly from the applied substance depends.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Fig. 1 dargestellt. Das Beatmungsgerät 1 ist durch zwei Schläuche, die der Zuführung 2 und der Ableitung 3 der Atemgasgemischs dienen, mit einem Hohlraum 4, dessen Volumen sich nicht ändert, verbunden, der vom Atemgasgemisch bei der Inspiration und bei der Exspiration in jeweils entgegengesetzter Richtung durchströmt wird und beispielsweise die Form eines Rohres oder Schlauches haben kann.An embodiment of the invention is shown in the single Fig. 1. The ventilator 1 is connected by two hoses, which serve the supply 2 and the discharge 3 of the breathing gas mixture, to a cavity 4 , the volume of which does not change, through which the breathing gas mixture flows in the opposite direction during inspiration and expiration, and for example in the form of a tube or hose.
Ist das Hohlraumvolumen VH größer als das Atemzugvolumen VT, so wird es während der Exspiration mit dem vom Patienten 12 über den exspiratorischen Schenkel 10 des Applika tionssystems mit Ventil 5 zum Hohlraum 4 gelangenden Gasgemisch gefüllt, ohne dass ein wesentlicher Teil dieses Gasgemischs über den Exspirationsschenkel 3 des Beatmungsgeräts 1 verloren geht. Bei der nachfolgenden Inspiration wird das im Hohlraum 4 befindliche Gasgemisch durch das vom Beatmungsgerät 1 über den Inspirationsschenkel 2 kommende verdrängt, so dass es über den inspiratorischen Schenkel 9 des Applikationssystems mit Ventil 6 durch den CO2- Absorber 7 und den Verdunster oder Injektor 8 wieder zum Patienten 12 gelangt.If the void volume V H is greater than the tidal volume V T , it is filled during the expiration with the gas mixture reaching the cavity 4 from the patient 12 via the expiratory leg 10 of the application system with valve 5 , without a substantial part of this gas mixture passing through the Expiratory limb 3 of the ventilator 1 is lost. In the subsequent inspiration, the gas mixture located in the cavity 4 is displaced by that coming from the ventilator 1 via the inspiration leg 2 , so that it is again via the inspiratory leg 9 of the application system with valve 6 by the CO 2 absorber 7 and the evaporator or injector 8 reaches patient 12 .
Der CO2-Absorber 7 besteht aus einer mit Atemkalk gefüllten Kammer, in der das CO2 durch eine chemische Reaktion an den Kalk gebunden wird.The CO 2 absorber 7 consists of a chamber filled with soda lime, in which the CO 2 is bound to the lime by a chemical reaction.
Der zu applizierende Stoff wird durch einen Verdunster oder einen Injektor 8 in das Gasgemisch innerhalb des Applikationssystems eingebracht. Der wesentliche Unterschied besteht im Aggregatzustand des Stoffes bei Zimmertemperatur: für flüssige Stoffe ist ein Verdunster und für gasförmige ein Injektor erforderlich. Außerdem läßt sich bei flüssigen Stoffen durch eine Temperaturregelung im Verdunster 8 die Konzentration bzw. der Partialdruck des zu applizierenden Stoffes steuern. Übersteigt der Partialdruck den, der in einem bei Raumtemperatur gesättigten Gasgemisch vorliegt, so muß das Applikationssystem 13 zur Vermeidung der Kondensation und des damit verbundenen Partialdruckabfalls auf eine Temperatur, die oberhalb des Taupunkts liegt, geheizt werden.The substance to be applied is introduced into the gas mixture within the application system by an evaporator or an injector 8 . The main difference is in the physical state of the substance at room temperature: an evaporator is required for liquid substances and an injector for gaseous ones. In the case of liquid substances, temperature control in the evaporator 8 can also be used to control the concentration or the partial pressure of the substance to be applied. If the partial pressure exceeds that which is present in a gas mixture saturated at room temperature, the application system 13 must be heated to a temperature which is above the dew point in order to avoid condensation and the associated drop in partial pressure.
Bei Spontanatmung kann sowohl die in Bild 1 dargestellte Anordnung verwendet werden, wobei am Beatmungsgerät 1 ein Beatmungsmuster für Spontanatmung eingestellt sein muss, als auch eine vereinfachte Anordnung ohne Beatmungsgerät 1, sowie ohne Inspirations- 2 und Exspirationsschlauch 3. Der Hohlraum 4 ist in diesem Fall durch eine Öffnung mit der Atmosphäre verbunden.In the case of spontaneous breathing, the arrangement shown in Figure 1 can be used, whereby a ventilation pattern for spontaneous breathing must be set on the ventilator 1 , as well as a simplified arrangement without the ventilator 1 and without the inspiration hose 2 and expiratory hose 3 . The cavity 4 is in this case connected to the atmosphere through an opening.
Die patientennahe Messung 11 einzelner oder aller Bestandteile des Gasgemischs dient der Überwachung und der Erhöhung der Sicherheit bei der Applikation der gasförmigen Stoffe. The patient-close measurement 11 of individual or all components of the gas mixture is used to monitor and increase safety when applying the gaseous substances.
11
Beatmungsgerät
ventilator
22
Zuführung
feed
33
Ableitung
derivation
44
Hohlraum
cavity
55
Ventil
Valve
66
Ventil
Valve
77
CO2 CO 2
-Absorber
-Absorber
88th
Verdunster oder Injektor
Evaporator or injector
99
inspiratorischer Schenkel
inspiratory thigh
1010
exspiratorischer Schenkel
expiratory thigh
1111
patientennahe Messung
measurement close to the patient
1212
Patient
patient
1313
Applikationssystem
application system
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