DE10118968A1 - Verfahren zum Steuern des Solldrucks eines Geräts zur Druchführung der CPAP-Therapie sowie ein Gerät zur Durchführung der CPAP-Therapie - Google Patents
Verfahren zum Steuern des Solldrucks eines Geräts zur Druchführung der CPAP-Therapie sowie ein Gerät zur Durchführung der CPAP-TherapieInfo
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Abstract
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Solldrucks eines Geräts zur Durchführung der CPAP-Therapie sowie ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren umfaßt den Schritt: Wiederholtes Messen eines Atemluftflusses während des Betriebs des Geräts zur Durchführung der CPAP-Therapie, wobei aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf des Atemluftflusses bei konstantem Solldruck mindestens ein Kriterium abgeleitet wird, aufgrund dessen der Solldruck erhöht oder erniedrigt wird.
Description
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Solldrucks eines Geräts zur
Druchführung der CPAP-Therapie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie
ein Gerät zur Druchführung der CPAP-Therapie zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1.
Bekannt sind Geräte zur Durchführung der CPAP (continuous positive airway pressure)-
Therapie. Die CPAP-Therapie wird in Chest. Volume No. 110, Seiten 1077-1088,
Oktober 1996 und Sleep, Volume No. 19, Seiten 184-188 beschrieben. Ein CPAP-Gerät
appliziert mittels eines Kompressors, vorzugsweise über einen Luftbefeuchter, über
einen Schlauch und eine Nasenmaske einen positiven Überdruck bis zu etwa 30 mbar in
den Atemwegen des Patienten. Dieser Überdruck soll gewährleisten, dass die oberen
Atemwege während der gesamten Nacht vollständig geöffnet bleiben und somit keine
obstruktiven Atmungsstörungen (Apnoen) auftreten (DE 198 49 571 A1).
Fig. 1 zeigt CPAP-Gerät 1 und einen Patienten 19. Das CPAP-Gerät wiederum umfasst
einen Kompressor 4, einen Beatmungsschlauch 9, eine Beatmungsmaske 18, einen
Drucksensor 11 sowie einen Flusssensor 16. Zur Erzeugung eines Überdrucks enthält
der Kompressor eine Turbine 8. Bei dem dargestellten CPAP-Gerät ist der Drucksensor
11, der sich im Kompressorgehäuse befindet, über einen Druckmessschlauch 10 mit der
Beatmungsmaske 18 verbunden, um den Istdruck in der Beatmungsmaske zu messen.
Der Drucksensor kann sich aber auch in der Beatmungsmaske befinden und mit dem
Kompressorgehäuse über elektrische Leitungen verbunden sein. In oder nahe bei der
Maske sind ein oder mehrere kleine Löcher 2 angebracht, so daß im zeitlichen Mittel ein
Luftstrom vom Kompressor zu den Löchern entsteht. Dies verhindert die Anreicherung
von CO2 in Beatmungsschlauch 19 und ermöglicht dem Patienten das Atmen. Die
Drehzahl der Turbine 8 wird so geregelt, dass der Istdruck mit einem vorgegebenen
Solldruck übereinstimmt. Der Solldruck wird herkömmlicherweise unter Aufsicht eines
Arztes voreingestellt und als Titrationsdruck bezeichnet. Der Flusssensor kann z. B. ein
Sensor mit Heizdraht 17 sein, der sein Messsignal über Messleitung 15 an einen
Controller im Kompressorgehäuse liefert. Bei einer anderen Bauform des CPAP-Geräts
kann für die Atemflussmessung eine Verengung im Beatmungsschlauch vorgesehen
sein, wobei der Differenzdruck über die Verengung gemessen wird. Die Drucksensoren
können direkt im Beatmungsschlauch angeordnet sein oder mit diesem über weitere
Druckmessschläuche verbunden werden. Der Controller kann auch die Druckregelung
übernehmen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Patienten den vom CPAP-Gerät erzeugten
Überdruck als unangenehmen Widerstand empfanden, gegen den sie ausatmen
mussten. Es wurden deshalb Steuerverfahren für CPAP-Geräte entwickelt, die den
Solldruck so weit wie möglich absenken. Eine solche Steuerung ist aus der WO 00/24446
bekannt. Dieser Steuerung liegt ein Algorithmus zugrunde bei dem während eines
"AutoSet"-Betriebs nacheinander mindestens drei Druckwerte eingestellt werden. Ist das
Atemzugvolumen unabhängig von den eingestellten Drücken, so waren die Drücke zu
hoch. Steigt das Atemzugvolumen mit den eingestellten Drücken an, so waren die
Drücke zu niedrig. Nach dieser Schrift ergibt sich der optimale Druck aus dem
Schnittpunkt der Geraden durch Punkte in einem Bereich, in dem das Atemzugvolumen
linear mit dem Druck ansteigt sowie einer Parallelen zur Druckachse durch Punkte, bei
denen das Atemzugvolumen unabhängig vom Druck ist.
Um den als unangenehm empfundenen Überdruck zu reduzieren wurden ferner BiPAP-
Geräte und Multilevel-Geräte entwickelt. Diese Geräte haben die Eigenschaft, den
Patienten beim Atmen dadurch zu unterstützen, dass beim Ausatmen der Druck
abgesenkt und beim Einatmen der Druck wieder erhöht wird. Diese Geräte arbeiten also
mit mindestens zwei Druckniveaux.
Im Stand der Technik ist ferner die Fuzzy-Logik bekannt. Gemäß der herkömmlichen
Logik können logische Variablen lediglich die Zustände 0 oder 1 - auch als "falsch" bzw.
"wahr" bezeichnet - annehmen. In der Fuzzy-Logik können Fuzzy-Variablen jeden
beliebigen Wert zwischen 0 und 1 einschließlich von 0 und 1 annehmen. Die Fuzzy-
Logik wird vor allem bei Steuerungen eingesetzt, die die Erfahrung von Fachleuten
berücksichtigen sollen.
Gemäß der Fuzzy-Logik geben Fuzzy-Variablen die Zugehörigkeit zu einer Menge an.
Bei einer Fuzzy-Steuerung entspricht die Menge einem bestimmten Betriebszustand des
zu steuernden Geräts. Mit dem Hilfsmittel der Fuzzy-Logik ist es möglich, eine Steuerung
unter Berücksichtigung einer begrenzten Zahl von typischen Betriebszuständen zu
entwerfen. Die Fuzzy-Logik liefert einen Formalismus zur Interpolation zwischen den
berücksichtigten Zuständen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern des Solldrucks eines CPAP-
Geräts und ein CPAP-Gerät zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die es
erlauben, anhand des aufgenommenen Atemflussverlaufs eines Patienten automatisch
einen für einen Patienten optimalen CPAP-Solldruck einzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 20 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der
beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Gerät zur Durchführung der CPAP-Therapie,
Fig. 2 oben 50 Sekunden der Atemflusskurve eines Patienten im Schlafstadium NREM 2,
unten die geschätzte erste Ableitung der Atemflusskurve nach der Zeit und in der Mitte
die automatisch detektierten Übergänge zwischen Inspiration und Expiration, markiert
durch vertikale Linien,
Fig. 3 oben eine Atemflusskurve eines Patienten im Schlafstadium NREM 2, in der Mitte
den letzten Atemzyklus aus der oberen Atemflusskurve, unten die Korrelation zwischen
dem Ausschnitt oben und dem Atemzyklus in der Mitte,
Fig. 4 oben die Atemflusskurve eines Patienten im Schlafstadium NREM 2, unten die
mittlere Abweichung der Korrelationsmaxima von Eins,
Fig. 5 oben die Atemflusskurve eines Patienten im Schlafstadium REM, unten die
mittlere Abweichung der Korrelationsmaxima von Eins,
Fig. 6 oben eine Atemflusskurve eines Patienten, in der Mitte die zugehörige CPAP-
Druckkurve, unten die Varianz des CPAP-Istdrucks pro Atemzug,
Fig. 7 eine Atemflusskurve mit den automatisch detektierten Übergängen zwischen
Inspiration und Expiration, die durch senkrechte Linien markiert sind, das
Inspirationsvolumen IV und die Expirationszeit EL.
Das erfindungsgemäße Steuerverfahren berechnet zunächst aus einer gemessenen
Atemflusskurve und einer gemessenen Istdruckkurve eines CPAP-Geräts Merkmale, die
unter Abschnitt 1 "Merkmale" beschrieben werden. Spezielle Kombinationen der
Merkmale werden zu Detektoren zusammengefasst, auf die unter Abschnitt 2
"Detektoren" eingegangen wird. In den Detektoren werden Flags gesetzt, wenn sie ein
Ereignis detektieren. Das Steuerverfahren verändert dann anhand der Ereignis-Flags der
Detektoren den Solldruck, was in Abschnitt 3 "Steuerverfahren" erläutert wird. Das
Steuerverfahren hat drei verschiedene Zustände, nämlich einen Normalzustand, einen
sensitiven Zustand und einen Leck-Zustand, zwischen denen hin und her gewechselt
werden kann. Manche Detektoren arbeiten im sensitiven Zustand mit vom
Normalzustand abweichenden Parametern. In den sensitiven Zustand wechselt das
Steuerverfahren, wenn das Steuerverfahren im Normalzustand Druck absenkt. Durch die
Wahl der Parameter für den sensitiven Zustand reagiert das Steuerverfahren schneller,
falls der CPAP-Istdruck zu niedrig ist. Bei Leck wird in den Leck-Zustand gewechselt.
Die Grundlage für die Analyse des Atemflusses ist die robuste Detektion von einzelnen
Atemzügen. Diese wird anhand von Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 sind oben 50 Sekunden der
Atemflusskurve eines Patienten im Schlafstadium NREM 2 (NREM: non rapid eye
movement) dargestellt. Die verschiedenen Schlafstadien sind in "A manual of
standardized terminology, techniques and scoring systems for sleep stages of human
subjects" von Rechtschaffen, A., Kales, A. (eds.), NIH publ NO. 204, US Government
Printing Office, Washington D. C., 1968 beschrieben. In den oberen Graphen in Fig.
2 bis 6 und beim Graphen in Fig. 7 deutet ein hoher Fluss (oben) Inspiration und ein
geringer Fluss (weiter unten) Expiration an. Beim Übergang von Inspiration zu Expiration
ist im Atemfluss eine ausgeprägte Flanke zu erkennen, welche zur Detektion einzelner
Atemzüge verwendet wird.
Zur Detektion der Flanken wird die erste und zweite Ableitung der Atemflusskurve
geschätzt. Die erste Ableitung wird in Fig. 2 unten dargestellt ist. Auf Grund von
Rauschen in der Atemflusskurve wird die Atemflusskurve nicht lediglich abgeleitet,
sondern zusätzlich tiefpassgefiltert. Die Ableitung und Tiefpassfilterung erfolgt in einem
Filterschritt durch geeignete Wahl der Koeffizienten eines digitalen Filters.
Die lokalen Maximas der ersten Ableitung entsprechen der maximalen Steigung des
Atemflusses beim Übergang zwischen Inspiration und Expiration. Vom Ende der
Inspiration aus wird der Anfang der Inspiration gesucht, indem nach dem ersten lokalen
Minimum in der geschätzten Ableitung gesucht wird.
Die mittlere Kurve in Fig. 2 zeigt die automatisch detektierten Zeitpunkte, die durch
vertikale Linien markiert sind.
Die Expirationszeit ergibt sich als Zeitdifferenz zwischen einem Minimum der
geschätzten Ableitung und dem davor liegenden Maximum der geschätzten Ableitung.
Eine Expirationszeit ist auch mit dem Bezugszeichen EL in der Fig. 7 eingetragen.
In Fig. 3 ist oben exemplarisch ein 50 Sekunden langer Ausschnitt aus einer
Atemflusskurve eines Patienten im Schlafstadium NREM 2 zu sehen. In der Mitte ist der
jüngste ausgewählte Atemzug abgebildet. In der unteren Kurve ist die
Kreuzkorrelationsfunktion zwischen der Datenreihe oben und dem einzelnen
Atemmuster gezeigt. Die Korrelationskurve hat Werte zwischen Eins und minus Eins,
wobei die Korrelation gleich Eins wird, wenn die beiden Atemzüge genau aufeinander
passen und gleich minus Eins wird, wenn die Kurven negativ miteinander korreliert sind,
d. h. wenn eine Spitze im Atemmuster genau mit einem Tal im betrachteten Datenstück
übereinstimmt.
In einer anderen Ausführungsform kann anstelle der Korrelation auch ein anderes
Abhängigkeitsmaß wie z. B. mutual information verwendet werden.
Anhand der Korrelationskurve erkennt man, ob die Atmung regelmäßig ist und ob
Atemzüge ganz fehlen. Wenn die aufeinanderfolgenden Atemmuster ähnlich sind, dann
hat die Korrelationskurve einen periodischen Verlauf mit lokalen Maxima nahe bei Eins
und lokalen Minima nahe bei minus Eins.
Als Rückwärtskorrelation wird der Mittelwert über eine bestimmte Anzahl lokaler Maxima
der Korrelationskurve vor dem aktuellen Zeitpunkt bezeichnet. Die Rückwärtskorrelation
stellt ein Maß dafür dar, wie gut der jüngste Atemzyklus mit den vorangehenden
Atemzyklen übereinstimmt. Die Rückwärtskorrelation liegt zwischen 0 und 1.
Der obere Bereich von Fig. 4 zeigt die Atemflusskurve eines Patienten im Stadium
NREM 2. Im unteren Bereich von Fig. 4 ist die Differenz zwischen Eins und den lokalen
Maxima einer Korrelationskurve dargestellt, die aus der oben in Fig. 4 gezeigten
Atemflusskurve berechnet wurde. Je höher also der Wert der unteren Kurve in Fig. 4
wird, desto stärker weicht der aktuelle Atemzyklus von dem entsprechenden
vergangenen Atemzyklus ab.
Fig. 5 entspricht Fig. 4, jedoch stammt die Atemflusskurve jetzt aus dem REM
Schlafstadium (REM: rapid eye movement). Der Vergleich der mittleren
Korrelationsmaxima von Fig. 4 und Fig. 5 zeigt, dass die mittlere Differenz der
Korrelationsmaxima zu Eins im REM-Schlafstadium deutlich größer ist.
Das Inspirationsvolumen ist in Fig. 7 als Fläche IV schraffiert in eine Atemflusskurve
eingezeichnet. Die kurzen senkrechten Linien markieren in Fig. 7 die
Inspirationsanfänge, die langen senkrechten Linien Inspirationsenden. Das
Inspirationsvolumen kann auf die Länge der Inspiration normiert werden.
Als Merkmal für die Atemflusslimitation wird die mittlere Krümmung des Atemflusses
während der Inspiration berechnet. Hierzu wird die erste Ableitung des Atemflusses
während der Inspiration geschätzt, also zusätzlich einer Tiefpassfilterung unterworfen.
Anschließend wird an die geschätzte erste Ableitung eine Gerade angepasst. Die
Steigung dieser angepassten Geraden ergibt die mittlere Krümmung der Inspiration.
Schnarchen entsteht durch Vibration der Wände der oberen Atemwege. Es hat sich
gezeigt, dass die Anzahl der Nulldurchgänge im Wechselanteil des CPAP-Istdrucks ein
zuverlässiges Merkmal für das Schnarchen ist.
Wie oben beschrieben, weist ein typisches CPAP-Gerät 1 eine Druckregelschleife auf,
bei der die Turbinendrehzahl so geregelt wird, dass der Druck in der Atemmaske 18
weitgehend einem vorgegebenen Solldruck entspricht. Manche CPAP-Geräte weisen
eine schnellere Druckregelung auf, die in der Lage ist, die durch die Atmung des
Patienten hervorgerufenen Druckunterschiede auszuregeln. Bei anderen CPAP-Geräten
schwankt der Istdruck mit der Atmung des Patienten. Die Druckregelung eines typischen
CPAP-Geräts ist jedoch nicht so schnell, dass sie in der Lage wäre, auch
Schnarchgeräusche auszuregeln.
Dies verdeutlicht Fig. 6. In Fig. 6 oben ist ein Ausschnitt aus einem Atemflusssignal
dargestellt, darunter ist der zugehörige CPAP-Istdruck abgebildet. In der Kurve unten ist
die Varianz des CPAP-Istdrucks pro Atemzug zu sehen. Die Varianz steigt deutlich an,
wenn der CPAP-Istdruck durch das Schnarchen des Patienten im Bereich von 30 bis 40
Sekunden verändert wird. In einer Ausführungsform wird deshalb die Varianz
herangezogen, um Schnarchen zu detektieren. Bei dieser Ausführungsform kann das
Istdrucksignal vor Berechnung der Varianz hochpassgefiltert werden, um durch die
Atmung hervorgerufene Druckschwankungen zu eliminieren. In der bevorzugten
Ausführungsform wird jedoch die Anzahl der Nulldurchgänge im Wechselanteil des
CPAP-Istdrucks verwendet. Sie ist bei Verwendung von CPAP-Geräten mit einer
langsameren Druckregelung das robustere Merkmal.
Die Nulldurchgänge werden nur während der Inspirationsphase gezählt, damit die
Steuerung bei inspiratorischem Schnarchen reagiert. Das Schnarchmerkmal wird indirekt
in der Steuerung verwendet, d. h. wenn Schnarchen vorhanden ist, werden die
Atemflusslimitation und die Hypopnoen stärker berücksichtigt, indem man zu den
jeweiligen Merkmalen einen Schnarch-Bonus addiert.
Aus speziellen Kombinationen der Merkmale werden Detektoren. In den Detektoren
werden Flags gesetzt, wenn sie ein Ereignis detektieren. Durch das Steuerverfahren wird
dann anhand der Ereignis-Flags der Detektoren der Druck verändert.
Ein langer Atemstillstand liegt vor, falls mehr als max_no_breath_time Datenpunkte
analysiert werden, ohne einen Atemzug zu detektieren. Wenn die Anzahl langer
Atemstillstand = max_number_of_no_breath_times ist, bricht die automatische
Druckregelung ab.
Der max_no_breath_time-Wert entspricht bei der hier verwendeten Sampling-Rate von
100 Hz einer Zeit von 2 Minuten.
Für die Apnoe-Erkennung wird die Expirationszeit verwendet. Der Apnoe-Detektor führt
folgende Schritte aus:
- 1. Detektion von Atemstillständen: Ein Atemstillstand liegt vor, wenn die Expirationszeit größer als exp_schwelle_in_sec.
- 2. Suche nach aufeinanderfolgenden Atemstillständen. Ein Apnoe-Ereignis liegt vor,
falls:
- a) entweder bei 2 aufeinanderfolgenden Atemstillständen einer der Atemstillstände länger als long_apnoe_time_in_sec dauert.
- b) oder bei mehr als 3 aufeinanderfolgenden Atemstillständen. Atemstillstände sind aufeinanderfolgend, falls die Dauer des dazwischenliegenden Hyperventilationsblocks und Atmungszeitraums < search_schwelle_in_sec_ist.
- 3. Apnoen können den Anfangszeitpunkt der Detektion von stabiler Atmung ändern. Nach n_reset_apnoen Apnoen fängt die Erkennung von stabiler Atmung durch den Normal-Detektor neu an.
Für die Hypopnoe-Erkennung wird das nicht-normierte mittlere Inspirationsvolumen, die
Rückwärtskorrelation und das Schnarch-Merkmal verwendet.
- 1. In den letzten n_insp_vol_breaths Atemzügen wird die Veränderung der Inspirationsvolumina der ersten Hälfte der n_insp_vol_breaths Atemzüge gegenüber der zweite Hälfte der n_insp_vol_breaths Atemzüge berechnet.
- 2. Wenn in der ersten Hälfte der n insp vol breaths Atemzüge zusätzlich Schnarchen detektiert wird, dann wird zu der Veränderung der Inspirationsvolumina der schnarch_volumen_bonus addiert.
- 3. Wenn die Veränderung der Inspirationsvolumina < inspiration_volume_change_schwelle ist, liegt eine Hypopnoe vor. In den n_insp_vol_breaths Atemzügen liegt eine stabile Hypopnoe vor, wenn die Volumenänderung <= normal_breath_inspiration_volume_change_schwelle ist.
- 4. Ein Hypopnoe-Ereignis liegt vor, falls in den letzten n_breaths Atemzügen min_jumps Hypopnoen gefunden werden.
- 5. Ein stabiles Hypopnoe-Ereignis liegt vor, wenn in n_breaths-Atemzügen min_jumps stabile Hypopnoen gefunden werden und die Rückwärtskorrelation in den n_breaths-Atemzügen <= hypopnoe_detection_normal_correlation_schwelle ist.
- 6. Hypopnoen können den Anfangszeitpunkt der Detektion stabiler Atmung ändern. Nach n_hypopnoen_reset_normal Hypopnoen fängt die Erkennung von stabiler Atmung durch den Normal-Detektor neu an.
Für die Erkennung von Atemflusslimitation wird das Schnarch-Merkmal, die mittlere
Krümmung und die Rückwärtskorrelation verwendet.
- 1. Innerhalb der letzten curvatureShort_schwelle Atemzüge wird kontrolliert, ob das Schnarch-Merkmal über der Schwelle schnarch min schwelle liegt. Wenn das der Fall ist, wird zu dem Krümmungsmerkmal der curvatureShort_snoring_bonus addiert.
- 2. Es wird innerhalb der letzten curvatureShort_schwelle Atemzüge gezählt, wie oft sowohl das Krümmungsmerkmal die Schwelle von curvatureShort_mean_schwelle als auch die Rückwärtskorrelation die Schwelle curvatureShort_correlation_schwelle überschreiten.
- 3. Ist der Anteil an Atemzügen des obigen Kriteriums erfüllt <= curvatureShort_min_above_schwelle, so liegt ein Atemflusslimitations-Ereignis vor.
- 1. Es wird innerhalb der letzten curvatureLong_schwelle Atemzüge kontrolliert, ob das Schnarch-Merkmal über der Schwelle schnarch_min_schwelle liegt. Wenn das der Fall ist, wird zu dem Krümmungsmerkmal der curvatureLong_snoring_bonus addiert.
- 2. Es wird innerhalb der letzten curvatureLong_schwelle Atemzüge gezählt, wie oft das Krümmungsmerkmal die Schwelle von curvatureLong_mean_schwelle überschreitet. Die Schwelle kann im Normalzustand gleich curvatureLong_medium_mean_schwelle oder gleich curvatureLong_high_mean_schwelle gesetzt werden. Dies wird weiter unten im Abschnitt 3.1.2 genauer erläutert.
- 3. Ist der Anteil an Atemzügen, der obiges Kriterium erfüllt <= curvatureLong_min_above_schwelle, so liegt ein Atemflusslimitations-Ereignis vor.
Für die Detektion des Anstiegs des Atemflusslimitationsmerkmals, wird der Wilcoxon -
Rangsummentest verwendet. Der Curvature-After-Pressure-Down-Detektor wird nur im
sensitiven Zustand verwendet. Der Wilcoxon - Rangsummentest ist in Hartung: Statistik,
Lehr- und Handwerksbuch der angewandten Statistik, Oldenburg-Verlag, München 1999
und in D. R. Cox, C. V. Hinkley: Theoretical Statistics, Chapman & Hall 1974,
beschrieben.
- 1. Für die letzten n_curv_breaths Atemzüge wird der Rang der Krümmungsmerkmale bestimmt.
- 2. Die n_curv breaths Ränge werden in zwei Teile eingeteilt, wobei der zweite Teil die Ränge von n_curv_breaths - n_big_curv_breaths + 1 bis n_curv_breaths enthält. Für den zweiten Teil wird die Summe der Ränge berechnet, und diese Summe auf die maximal mögliche Summe der Ränge normiert.
- 3. Wenn dieser normierte Wert über 0.99 liegt, nimmt die Atemflusslimitation zu und wenn der Krümmungswert mit dem höchsten Rang im zweiten Teil über der Schwelle curvatureDown_min_above_schwelle liegt, dann liegt ein Ereignis für den Anstieg des Atemflusslimitationsmerkmals vor.
Für die Erkennung stabiler Atmung wird das Korrelationsmerkmal verwendet. Der
Normal-Detektor führt die folgenden Schritte aus:
- 1. Mittelung des Korrelationsmerkmals über alle Atemzüge innerhalb der letzten normal_schwelle_in_sec Sekunden. Der Parameter normal_schwelle_in_sec wird über die Steuerung (siehe Abschnitt 3) angepasst.
- 2. Ein stabiles Atmungs-Ereignis liegt vor, falls die berechnete mittlere Korrelation, also die Rückwärtskorrelation <= normal_correlation_schwelle ist.
Es werden sowohl im Normalzustand als auch im sensitiven Zustand die gleichen
Parameter für den Normaldetektor verwendet.
Ein Leck kann beispielsweise schon dadurch entstehen, dass die Maske gegenüber dem
Gesicht des Patienten verrutscht.
- 1. Für die Leck-Erkennung wird der Mittelwert des Atemflusses und des CPAP- Istdrucks in einem Datenfenster der Breite leakage_mean_flow_time berechnet.
- 2. Wenn der berechnete mittlere Fluss größer als die Schwelle v_leakage wird oder wenn die Differenz zwischen dem mittleren CPAP-Istdruck und dem vorgegebenen CPAP-Solldruck über der Schwelle pressure_diff liegt, dann liegt ein Leck-Ereignis vor.
- 3. Wird der berechnete mittlere Fluss kleiner als die Schwelle v_leakage und ist die Differenz zwischen dem mittleren CPAP-Istdruck und dem vorgegebenen CPAP- Solldruck kleiner als pressure_diff, dann ist die Leckage vorbei.
- 4. Das Daten-Fenster für die Leck-Erkennung, wird mit einer Schrittweite von step_size vorgeschoben.
Die Parameter sind unabhängig vom Zustand der Steuerung.
Das Steuerverfahren hat drei verschiedene Zustände, nämlich einen Normalzustand,
einen sensitiven Zustand und einen Leck-Zustand, zwischen denen hin und her
gewechselt werden kann. Manche Detektoren arbeiten im sensitiven Zustand mit vom
Normalzustand abweichenden Parametern. In den sensitiven Zustand der Steuerung,
wird gewechselt, wenn im Normalzustand die Steuerung den Druck absenkt. Durch die
Wahl der Parameter für den sensitiven Zustand reagiert die Steuerung schneller, falls
der CPAP-Druck zu niedrig ist. Bei Detektion eines Lecks wechselt die Steuerung in den
Leck-Zustand.
Die Steuerung verändert den Druck innerhalb der Grenzen von lower_pressure_limit und
upper_pressure_limit. Die Druckempfehlung wird durch titration_pressure festgelegt. Die
Steuerung verwendet zwei unterschiedliche Druckschritte für die Druckerhöhung:
big_pressure_step und small_pressure_step. Für die Druckerniedrigung wird
pressure_down_step verwendet.
Im normalen Zustand sind folgende Detektoren aktiv:
- - Atemstillstands-Detektor
- - Apnoe-Detektor
- - Hypopnoe-Detektor
- - Curvature-Long-Detektor
- - Curvature-Short-Detektor
- - Normal-Detektor
- - Leck-Detektor
Die Ereignisse der Detektoren werden für die Druckänderung verwendet.
Wird länger als max_no_breath_time kein Atemzug
detektiert; so wird der Druck um big_pressure_step erhöht.
Wird ein Apnoe-Ereignis ermittelt, wird der Druck um
big_pressure step erhöht, falls der derzeitige Druck kleiner gleich
titration_pressure plus small_pressure_step ist.
Wird ein Hypopnoe-Ereignis ermittelt, wird der Druck um
small_pressure_step erhöht.
Erkennt der Curvature-Long-Detektor oder der Curvature-Short-
Detektor eine Atemflusslimitierung, wird der Druck um small_pressure_step erhöht.
Der Curvature-After-Pressure-Down-Detektor ist im Normalzustand nicht aktiv.
Wenn der Apnoe- oder der Hypopnoe-Detektor den Startzeitpunkt
der Normalatmung nicht neu setzt, dann wird bei stabiler Atmung der Druck um
pressure_down_step vermindert.
Ein Apnoe-Ereignis führt nur dann zu einer Druckerhöhung, falls der derzeitige Druck <=
titration_pressure + small_pressure_step ist. Der Grund dafür ist, dass es zwei Arten von
Apnoen gibt. Die eine Art wird durch einen Verschluss durch die oberen Atemwege
hervorgerufen. Sie kann durch einen höheren CPAP-Druck therapiert werden. Die
andere Art beruht auf einer Anweisung des Gehirns, die Atmung vorübergehend
einzustellen. Sie kann nicht durch die CPAP-Therapie behoben werden. Deshalb wird
der Parameter titration_pressure so hoch gewählt, dass erfahrungsgemäß keine Apnoen
durch den Verschluss der oberen Atemwege mehr auftreten.
Bei einer Druckerhöhung wird der Parameter normal_schwelle_in_sec zur Erkennung
von stabiler Atmung mit dem Faktor normal_scale_schwelle multipliziert, wenn der Druck
<= titration_pressure + small_pressure_step ist.
Wenn
- a) der Curvature-Long-Detektor den Druck maxNumberOfCurvatureEvents mal hintereinander erhöht und
- b) der Druck < titration_pressure und <= titration_pressure + big_pressure_step ist,
dann wird curvatureLong_mean_schwelle = curvatureLong_medium_mean_schwelle
gesetzt.
gesetzt.
Wenn
- a) der Curvature-Long-Detektor den Druck maxNumberOfCurvatureEvents mal hintereinander erhöht und
- b) der Druck < titration_pressure + big_pressure_step ist
dann wird curvatureLong_mean_schwelle = curvatureLong_high_mean_schwelle
gesetzt.
gesetzt.
Dies soll verhindern, dass der Druck ständig erhöht wird, wenn trotz der Druckerhöhung
die Atemflusslimitation nicht verschwindet.
Vom Normalzustand wird in den sensitiven Zustand bei einer Druckabsenkung und in
den Leck-Zustand bei Auftreten eines Lecks gewechselt.
Wenn vom sensitiven Zustand in den Normalzustand gewechselt wird, dann wird nur der
Parameter normal schwelle in sec mit dem Faktor normal_scale_schwelle multipliziert.
Wenn nach einer Druckerhöhung oder aus dem Leck-Zustand in den Normalzustand
gewechselt wird, werden alle im Normalzustand verwendeten Detektoren auf die
Startzeit des Normalzustands gesetzt und der Parameter normal_schwelle_in_sec mit
dem Faktor normal_scale_schwelle multipliziert.
Im sensitiven Zustand werden folgende Detektoren verwendet:
- - Atemstillstands-Detektor
- - Apnoe-Detektor
- - Hypopnoe-Detektor
- - Curvature-Long-Detektor
- - Curvature-Short-Detektor
- - Curvature-After-Pressure-Down-Detektor
- - Normal-Detektor
- - Leck-Detektor
Zusätzlich zum Normalzustand ist im sensitiven Zustand der Curvature-After-Pressure-
Down-Detektor aktiv.
Die Ereignisse der Detektoren werden für die Druckänderung verwendet.
Atemstillstands-Ereignis: Wird länger als max_no_breath_time kein Atemzug
detektiert, so wird der Druck um big_pressure_step erhöht.
Apnoe-Ereignis: Wird ein Apnoe-Ereignis ermittelt, wird der Druck um
big_pressure step erhöht, falls der derzeitige Druck <= titration_pressure +
small_pressure_step ist.
Hypopnoe-Ereignis: Wird ein Hypopnoe-Ereignis ermittelt, wird der Druck um
small_pressure_step erhöht.
Atemflusslimitierung: Erkennt der Curvature-Long-Detektor, der Curvature-Short-
Detektor oder der Curvature-After-Pressure-Down-Detektor eine
Atemflusslimitierung, wird der Druck wird um small_pressure_step erhöht.
Normal-Ereignis: Wenn der Apnoe- oder der Hypopnoe-Detektor den Startzeitpunkt
der Normalatmung nicht neu setzt, dann wird bei stabiler Atmung der Druck um
pressure_down_step vermindert.
Es wird wieder in den sensitiven Zustand gewechselt, wenn
- a) der Druck erniedrigt wird, oder
- b) der Druck erhöht wird und wenn der Druck kleiner ist als der Druck vor der letzten Druckabsenkung und wenn die Anzahl der Atemzüge seit der letzten Druckerniedrigung < n_breaths_for_restart_APDC_at_pressure_up ist.
Es wird in den Normalzustand gewechselt, wenn
- a) der Druck aus den vorherigen Gründen nicht abgesenkt wird und der Druck erhöht wird, oder
- b) die Anzahl der Atemzüge seit der letzten Druckerniedrigung < max_events_after_pressure_down ist.
Wenn während des sensitiven Zustands der CPAP-Druck erhöht wird und nicht in den
Normalzustand umgeschaltet wird, dann wird der Parameter normal schwelle in sec für
den Normal-Detektor mit normal scale schwelle multipliziert.
Alle Detektoren werden auf die Startzeit der sensitiven Steuerung gesetzt.
- 1. Wenn während dem Normalzustand oder dem sensitiven Zustand ein Leck erkannt wird, dann wird in den Leck-Zustand umgeschaltet. Während dem Leck-Zustand ist nur der Leck-Detektor aktiv, die restlichen Detektoren arbeiten weiter, können aber keine Druckveränderung vornehmen.
- 2. Wenn das Leckage zu Ende ist, wird wieder in den Normalzustand umgeschaltet. Wenn die Leck-Dauer länger als leakage_reset_pressure_time ist, dann wird der CPAP- Solldruck um leakage_pressure_down_step erniedrigt und in den Normalzustand umgeschaltet.
- 3. Wenn die Leck vorbei ist und wieder in den Normalzustand gewechselt wurde, dann wartet der Leck-Detektor für leakage restart flow time Sekunden, bis er mit der Leck- Erkennung wieder startet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die von den Detektoren
ermittelten Ereignisse als Fuzzy-Variablen behandelt. Vorteilhaft an dieser
Ausführungsform ist, dass die Steuerung kontinuierlicher arbeitet. Vorzugsweise erfolgt
der Übergang von "kein Ereignis" zu "Ereignis eingetreten", also der Bereich, in dem die
Fuzzy-Varable von 0 auf 1 ansteigt, so, dass die entsprechende Fuzzy-Variable beim
oben angegebenen Grenzwert den Wert 0,5 erreicht. Man kann unter Berücksichtigung
des graduellen Übergangs von 0 zu 1 von Fuzzy-Variablen also formulieren, dass
beispielsweise ein Normalereignis umso mehr detektiert wird, je deutlicher die
Rückwärtskorrelation einen Schwellenwert überschreitet (siehe Abschnitte 2.5).
Die Breite des gewählten Übergangsbereichs und der Verlauf der Übergangsfunktion ist
für die Qualität des Steuerverfahrens von untergeordneter Bedeutung. So kann die
Normal-Fuzzy-Variable beispielsweise den Wert Null annehmen, wenn die
Rückwärtskorrelation kleiner als 0,82 ist, linear von 0 auf 1 ansteigen, wenn die
Rückwärtskorrelation im Bereich zwischen 0,82 und 0,9 fällt und 1 betragen, wenn die
Rückwerätskorrelation den Wert von 0,9 überschreitet. Zur Ausgestaltung des
Übergangsbereichs können jedoch auch andere Funktionen, wie beispielsweise eine
geeignet skalierte Arctan-Funktion oder ein Wahrscheinlichkeitsintegral 4(x) verwendet
werden:
Die Druckveränderung wird bei Verwendung von Fuzzy-Varisablen aus der Summe der
von den einzelnen Detektoren gelieferten und vorzugsweise mit Koeffizienten
gewichteten Fuzzy-Variablen bestimmt. Bei den Koeffizienten wird berücksichtigt, dass
beispielsweise bei Detektion eines Atemstillstands der Druck schnell erhöht wird,
während bei Atemflusslimitierung der Solldruck des CPAP-Geräts langsamer erhöht
wird. Folglich wird beispielsweise der Koeffizient für die Atemstillstands-Fuzzy-Variable
größer sein als der für die Atemflusslimitierungs-Fuzzy-Variable.
Auch der Normalzustand und der sensitive Zustand des Steuerverfahrens können als
Fuzzy-Variablen angesehen werden. In einer solchen Ausführungsform geht das in
Abschnitt 2.4.3 berechnete Atemflusslimitationsmerkmal multipliziert mit der Fuzzy-
Variablen für die sensitive Steuerung in die Druckregelung ein.
In einer weiteren Ausführungsform kann auch lediglich ein Teil der Detektoren als
Ergebnisse Fuzzy-Variablen liefern. Beim Hypopnoe-Detektor, dem Curvature-Long-
Detektor, dem Curvature-Short-Detektor sowie dem Curvature-After-Pressure-Down-
Detektor wird die Verwendung von Fuzzy-Variablen besonders bevorzugt.
Beim Leck-Zustand erscheint die Verwendung von Fuzzy-Variablen wenig sinnvoll, da es
sich beim Leck-Zustand nicht um einen ordentlichen Betrieb des CPAP-Geräts, sondern
um einen außergewöhnlichen Zustand handelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden auch Zwischenergebnisse, die
bei der Ermittlung von Ereignissen in den Detektoren auftreten, als Fuzzy-Variablen
implementiert. Dies gilt insbesondere für die Entscheidung, ob einer von zwei
Atemstillständen länger als long_apnoe_time_in_sec dauert, ob drei Atemstillstände
aufeinanderfolgend sind (Abschnitt 2.2), ob das Schnarchmerkmal erfüllt ist, ob sowohl
das Krümmungsmerkmal als auch das Korrelationsmerkmal eine entsprechende
Schwelle überschreiten (Abschnitt 2.4.1) und ob das Krümmungsmerkmal
CurvatureLong_mean_schwelle überschreitet (Abschnitt 2.4.2).
Die oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Solldrucksteuerverfahren können auch bei
BiPAP-Geräten und bei Multilevel-Geräten eingesetzt werden. Dabei kann der nach dem
Steuerverfahren ermittelte Solldruck als der höhere Druck bei BiPAP-Geräten oder der
höchste Druck bei Multilevel-Geräten verwendet werden. In einer anderen
Ausführungsform gibt der nach einem erfindungsgemäßen Steuerverfahren ermittelte
Druck den zeitlichen Mittelwert der von einem BiPAP- oder Multilevel-Gerät erzeugen
Drücke an.
1
CPAP-Gerät
2
Loch
4
Kompressor
8
Turbine
9
Beatmungsschlauch
10
Druckmessschlauch
11
Drucksensor
15
elektrische Messleitung
16
Flusssensor
17
Heizdraht
18
Beatmungsmaske
19
Schlafender
IV Inspirationsvolumen
EL Expirationszeit
IV Inspirationsvolumen
EL Expirationszeit
Claims (24)
1. Verfahren zum Steuern des Solldrucks eines Geräts zum Durchführen der
CPAP-Therapie mit den Schritten:
Wiederholtes Messen eines Atemluftflusses während des Betriebs des Geräts, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf des Atemluftflusses bei konstantem Solldruck mindestens ein Kriterium abgeleitet wird, aufgrund dessen der Solldruck erhöht oder erniedrigt wird.
Wiederholtes Messen eines Atemluftflusses während des Betriebs des Geräts, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf des Atemluftflusses bei konstantem Solldruck mindestens ein Kriterium abgeleitet wird, aufgrund dessen der Solldruck erhöht oder erniedrigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch
Analysieren der fallenden oder steigenden Flanken des zeitlichen Verlaufs des
Atemluftflusses einzelne Atemzüge unterschieden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Rückwärtskorrelation von Atemzügen während einer vorbestimmten Zeit vor
dem aktuellen Atemzug bestimmt wird und wobei umso mehr ein
Normalatmungs-Ereignis erkannt wird, je deutlicher die Rückwärtskorrelation
einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Solldruck um
eine erste vorbestimmte Druckdifferenz erniedrigt wird, wenn ein
Normalatmungsereignis erkannt wird.
5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Übergänge zwischen Inspiration und Expiration aus dem gemessenen
Atemluftflussverlauf durch Analyse von steigenden und fallenden Flanken
bestimmt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den
Übergängen Expirationszeiten für mehrere aufeinanderfolgende Atemzüge
bestimmt werden und umso mehr ein Apnoe-Ereignis erkannt wird, je
deutlicher die Expirationszeit von zwei aufeinanderfolgenden Atemzügen
länger als eine erste Expirationsschwellenzeit überschreiten oder je deutlicher
die Expirationszeiten von drei aufeinanderfolgenden Atemzügen eine zweite
Expirationsschwellenzeit überschreiten.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Solldruck um
eine zweite vorbestimmte Druckdifferenz erhöht wird, wenn ein Apnoe-Ereignis
erkannt wird und der Solldruck vor der Erhöhung unter einem Titrationsdruck
liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Solldruck um eine dritte vorbestimmte Druckdifferenz erhöht wird, wenn
innerhalb einer vorbestimmten Zeit von vorzugsweise zwei Minuten kein
Atemzug detektiert wird, der Solldruck aber nicht mehr verändert wird, wenn
der Solldruck aufgrund dieses Kriteriums eine vorbestimmte Anzahl von Malen
erhöht wurde.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, soweit sich Anspruch 8 auf
Anspruch 5 rückbezieht, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten
vorbestimmten Zahl von Atemzügen die Veränderung der Inspirationsvolumina
der ersten Hälfte dieser Atemzüge gegenüber der zweiten Hälfte berechnet
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenn in der
ersten Hälfte der Atemzüge Schnarchen detektiert wird, die Veränderung der
Inspirationsvolumina um einen Schnarchbonus erhöht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass umso
mehr eine Hypopnoe vorliegt, je deutlicher die Veränderung der
Inspirationsvolumina über einem Veränderungsschwellenwert liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass umso eher ein
Hypopnoe-Ereignis bestimmt wird, je deutlicher die Anzahl von Hypopnoen
eine vorbestimmte Anzahl von Hypopnoen in einer zweiten vorbestimmten Zahl
von Atemzügen übersteigt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Solldruck
um eine vierte vorbestimmte Druckdifferenz erhöht wird, wenn ein Hypopnoe-
Ereignis bestimmt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, soweit er sich mittelbar oder unmittelbar
auf Anspruch 3 rückbezieht, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten
eines Hypopnoe-Ereignisses die vorbestimmte Zeit, während der die
Rückwärtskorrelation berechnet wird, ab dem Hypopnoe-Ereignis von neuem
zu laufen beginnt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb einer dritten vorbestimmten Anzahl von Atemzügen der Anteil
der Atemzüge bestimmt wird, während der sowohl ein Krümmungsmerkmal
einen ersten Krümmungsmerkmalschwellenwert als auch eine
Rückwärtskorrelation einen ersten Korrelationsschwellenwert überschreitet,
und dass umso mehr ein Atemflusslimitationsereignis detektiert wird, je
deutlicher der Anteil der Atemzüge einen ersten Anteilschwellenwert
überschreitet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das
Krümmungsmerkmal um einen ersten Schnarchbonus erhöht wird, bevor es mit
dem Krümmungsmerkmalschwellenwert verglichen wird, wenn während der
dritten vorbestimmten Anzahl von Atemzügen Schnarchen detektiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb einer vierten vorbestimmten Anzahl von Atemzügen für jeden
Atemzug ein Krümmungsmerkmal bestimmt wird, wobei der Anteil der
Atemzüge bestimmt wird, während der das Krümmungsmerkmal einen zweiten
Krümmungsmerkmalschwellenwert überschreitet und dass umso mehr ein
Atemflusslimitationsereignis vorliegt, je deutlicher der Anteil der Atemzüge
einen zweiten Anteilschwellenwert überschreitet.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das
Krümmungsmerkmal um einen zweiten Schnarchbonus erhöht wird, bevor es
mit dem zweiten Krümmungsmerkmalschwellenwert verglichen wird, wenn
während der vierten vorbestimmen Anzahl von Atemzügen Schnarchen
detektiert wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
dass für eine fünfte vorbestimmte Zahl von Atemzügen umso eher ein
Atemflusslimitationsereignis detektiert wird, je signifikanter der Anstieg eines
Krümmungsmerkmals ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass, der signifikante
Anstieg des Krümmungsmerkmals mit dem Wilcoxon-Rangsummentest
bestimmt wird, wobei die Ränge in zwei Gruppen eingeteilt werden, wobei für
die höhere Gruppe die Summe der Ränge berechnet und auf die maximal
mögliche Summe normiert wird und wobei umso eher ein
Atemflusslimitationsereignis detektiert wird, je deutlicher der normierte Wert
über einem Normalschwellenwert liegt und je deutlicher der Krümmungswert
mit dem höchsten Rang in der zweiten Gruppe über einem dritten
Krümmungsmerkmalsschwellenwert liegt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
dass der Solldruck um eine fünfte vorbestimmte Druckdifferenz erhöht wird,
wenn ein Atemflusslimitationsereignis detektiert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4, 6, 7, 11, 12 sowie 15, 17, 19, 20,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen ersten und einen zweiten
Zustand aufweist, wobei ein Teil der vorbestimmten Schwellenwerte in beiden
Zuständen unterschiedliche Werte aufweist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 6, 11, 12 sowie 15 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, dass die Druckveränderung als Summe von mit Koeffizienten
gewichteter Fuzzy-Variablen berechnet wird, wobei die Fuzzy-Variablen
angeben, inwieweit das Normalatmungsereignis, das Apnoe-Ereignis, die
Hypopnoe, das Hypopnoe-Ereignis und/oder das
Atemflusslimitationsatmungsereignis vorliegen.
24. Gerät zur Druchführung der CPAP-Therapie mit einem Befehlsspeicher und
einer zentralen Verarbeitungseinheit, die in dem Befehlsspeicher abgelegte
Befehle abarbeitet, so dass das Gerät zur Druchführung der CPAP-Therapie
ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 durchführt.
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