DE10164446A1

DE10164446A1 - Verfahren zur Bereitstellung von Atemgas auf im wesentlichen atmungssynchron alternierenden Druckpegeln sowie Anordnung hierzu

Info

Publication number: DE10164446A1
Application number: DE10164446A
Authority: DE
Inventors: Richard Brandmeier
Original assignee: MAP Medizin Technologie GmbH
Current assignee: MAP Medizin Technologie GmbH
Priority date: 2001-12-29
Filing date: 2001-12-29
Publication date: 2003-07-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Atemgas auf im Wesentlichen atmungssynchron alternierenden Druckpegeln sowie eine Anordnung hierzu. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bereitstellung von Atemgas auf im Wesentlichen atmungssynchron alternierenden Druckpegeln bereitzustellen, so dass eine zuverlässige Synchronisation der geräteseitig vorgenommenen Atemgasdruckeinstellung mit der Atmungstätigkeit der atmenden Person gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Bereitstellung von Atemgas auf im Wesentlichen atmungssynchron alternierenden Druckpegeln, die eine Regeleinrichtung aufweist, welche für Inspirationsphasen und Expirationsphasen unterschiedliche Atemgasdruckpegel auf Grundlage eines, mit dem momentanen Atemgasfluss korrelierenden Messsignals veranlasst und die weiterhin eine Erfassungseinrichtung aufweist zur Erfassung eines hinsichtlich einer Inspirations- und/oder Expirationsanstrengung indikativen und im Thoraxbereich des Patienten abgegriffenen Anstrengungssignals, wobei die Regeleinrichtung auf Grundlage des Anstrengungssignals adaptiv konfigurierbar ist. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die Regeleinrichtung derart zu konfigurieren, dass die geräteseitig eingestellten Druckänderungen mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Atmungstätigkeit des Patienten Rechnung tragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Atemgas auf im wesentlichen atmungssynchron alternierenden Druckpegeln sowie eine Anordnung hierzu.

Im Rahmen postoperativer Rekonvaleszensphasen sowie auch allgemein bei der Therapie schlafbezogener Atmungsstörung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein atembares Gas, insbesondere gefilterte oder auch mit Sauerstoff zusätzlich angereicherte Umgebungsluft, einem Patienten auf einem Druckniveau zuzuführen das zumindest während einer Inspirationsphase über dem Umgebungsdruck liegt. Der Atemgasdruck wird bei derartigen Geräten üblicherweise durch Ventilanordnungen oder durch hinsichtlich ihrer Förderleistung gesteuerte Fördereinrichtungen, beispielsweise drehzahlgesteuerte Gebläseeinrichtungen aufgebaut. Die Synchronisierung der sukzessive abfolgenden Phasen hoher bzw. niedriger Atemgasdruckpegel mit der Atmungstätigkeit einer entsprechend behandelten Person erfolgt üblicherweise durch Erfassung des Atemgasstromes durch einen v-Sensor in Verbindung mit einer patientnahen Erfassung des Atemgasdruckes.

Die Differenz zwischen den für die Expirationsphasen eingestellten Atemgasdrücken und den für Inspirationsphasen eingestellten, höheren Atemgasdrücken liegt üblicherweise im Bereich von 0,5 bis 4 mbar. Insbesondere bei vergleichsweise großen Differenzen zwischen den für die jeweiligen Atemphasen eingestellten Atemgasdruckpegeln können Probleme bei der Synchronisierung der wechselnden Atemgasdruckniveaus mit der Atmung des Patienten auftreten.

Unter dem Eindruck dieses Problems liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Anordnung und ein Verfahren zur Bereitstellung von Atemgas auf im wesentlichen atmungssynchron alternierenden Druckpegeln bereitzustellen die bzw. das eine zuverlässige Synchronisation der geräteseitig vorgenommenen Atemgasdruckeinstellung mit der Atmungstätigkeit der atmenden Person gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Bereitstellung von Atemgas auf im wesentlichen atmungssynchron alternierenden Druckpegeln die eine Regeleinrichtung aufweist welche für Inspirationsphasen und Expirationsphasen unterschiedliche Atemgasdruckpegel auf Grundlage eines, mit dem momentanen Atemgasfluss korrelierenden Messsignals veranlasst und die weiterhin eine Erfassungseinrichtung aufweist, zur Erfassung eines hinsichtlich einer Inspirations- und/oder Expirationanstrengung indikativen und im Thoraxbereich des Patienten abgegriffenen Anstrengungssignales, wobei die Regeleinrichtung auf Grundlage des Anstrengungssignales adaptiv konfigurierbar ist.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die Regeleinrichtung derart zu konfigurieren, dass die geräteseitig eingestellten Druckänderungen mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Atmungstätigkeit des Patienten Rechnung tragen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Elektrodeneinrichtung vorgesehen, zur Generierung des Anstrengungssignales auf Grundlage am Patienten abgegriffener elektrischer Potentiale. Anhand dieser elektrischen Potentiale kann im wesentlichen verzögerungsfrei die Aktivität der Atmungsmuskulatur erfasst werden, wobei aus den diesbezüglich generierten Signalen präzise der Übergang aus einer Atemphase in die folgende Atemphase extrahierbar ist.

In vorteilhafter Weise umfasst die Regeleinrichtung einen Rechner, wobei der Rechner wenigstens eine Berechnungsprozedur bereitstellt die hinsichtlich der Berechnung eines Umschaltzeitpunktsignales adaptiv konfigurierbar ist. Die Konfiguration kann durch Anpassung ausgewählter Parameter der Berechnungsprozedur oder auch durch Anpassung von Bezugskennfeldern erfolgen.

Insbesondere in Kombination mit der vorangehend angegebenen Massnahme ist der Rechner vorzugsweise derart ausgebildet insbesondere programmiert, dass dieser mehrere Berechnungsprozeduren bereitstellt und die Ergebnisse der Berechnungsprozeduren adaptiv gewichtet berücksichtigt werden. Die Gewichtungsparamenter oder Verknüpfungsbedingen der Berechnungsergebnisse können auf Grundlage des Anstrengungssignales abgestimmt werden.

Die eingangs angegebene Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Abstimmung einer Regeleinrichtung welche die Einstellung des Druckes eines Atemgases für Inspirationsphasen und Expirationsphasen auf Grundlage eines, mit dem momentanen Atemgasfluss korrelierenden Messsignales veranlasst, bei welchem im Thoraxbereich und/oder Abdomenbereich eines Patienten ein hinsichtlich eines Inspirations- und/oder Expirationsbestrebens indikatives Signal abgegriffen wird und das Übertragungsverhalten der Regeleinrichtung auf Grundlage dieses Signales adaptiv konfiguriert wird.

Der Abgriff des hinsichtlich des Inspirations- und/oder Expirationsbestrebens indikativen Signales kann auf einen vergleichsweise kurzen, begrenzten Konfigurationszeitraum beispielweise eine Titrationsnacht oder auch kürzer z. B. eine ausgewählte Schlafperiode insbes. Tiefschlafperiode beschränkt werden. Nach Konfiguration der Regeleinrichtung kann durch diese die Steuerung des Atemgasdruckes ohne weiteren Rückgriff auf das genannte, hinsichtlich des Inspirations- und/oder Expirationsbestreben indikative Signal z. B. lediglich auf Grundlage von hinsichtlich des Atemgasstomes indikativen Messsignalen, veranlasst werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das hinsichtlich des Inspirations- und/oder Expirationsbestreben indikative Anstrengungssignal als EMG-Signal abgegriffen. In vorteilhafter Weise wird hierzu eine Elektrodeneinrichtung im Toraxbereich des Patienten appliziert. Aus dem derart abgegriffenen Signal kann der Zeitpunkt eines Atemphasenwechsels ermittelt und hierauf basierend ein Triggersignal generiert werden.

Auf Grundlage des Triggersignales kann im Zusammenspiel mit dem hinsichtlich des Atemgasstromes indikativen Signalen ein Triggerkonfigurationssatz für den Atemphasenwechsel generiert werden der die Atemgasdrucksteuerung an den patientenspezifischen Atmungscharakter anpasst, so dass die Drucksteuerung in erhöhtem Masse den individuellen physiologischen Bedingungen des Patienten Rechnung trägt.

In vorteilhafter Weise werden zur Ermittlung des Umschaltzeitpunktes mehrere Berechnungssysteme herangezogen und die durch diese Berechnungssysteme generierten Ergebnisse gewichtet berücksichtigt. Die Gewichtung wird in vorteilhafter Weise adaptiv festgelegt.

Anstelle der Bereitstellung mehrerer Berechnungssysteme oder auch bei der Verwendung mehrerer Berechnungssysteme, ist es möglich, wenigstens ein Berechnungssystem adaptiv anzupassen und zwar derart, dass der durch dieses Berechnungssystem ermittelte Umschaltzeitpunkt mit statistisch hoher Wahrscheinlichkeit dem aus dem Anstrengungssignal ermittelten Umschaltzeitpunkt entspricht.

Weiterhin ist es möglich, den Charakter der Druckänderung durch Auswertung eines den zeitlichen Verlauf des Atemgasstromes repräsentierenden Signales in Verbindung mit dem Anstrengungs- insbesondere EMG-Signal festzulegen.

Aus einer zusammenschauenden Betrachtung des hinsichtlich des Atemgasstromes indikativen Signales sowie des hinsichtlich der Atmungsanstrengung indikativen, im Thoraxbereich abgegriffenen Signales, ist es möglich, Angaben zur Typisierung des physiologischen Zustands bzw. der physiologischen Bedürfnisse des Patienten zu generieren. Es ist möglich, eine Typisierung des physiologischen Zustands des Patienten auf Grundlage der zur Konfiguration der Atemgasdrucksteuerung ermittelten Konfigurationsparameter unter Verwendung einer Auswertungsprozedur vorzunehmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es möglich, durch kombinierte Betrachtung des hinsichtlich des Atemgasflusses indikativen Signales und des hinsichtlich der Aktivierung der Atmungsmuskulatur indikativen EMG-Signales eine Bewertung der Qualität der Atemgasdrucksteuerung vorzunehmen.

Unter Verwendung eines in eine Atemgasleitung eines Bilevel-Gerätes eingestezten Pneumotachographen in Verbindung mit EMG-Elektroden zur Erfassung hinsichtlich der Aktivierung der Atmungsmuskulatur indikativer Signale wird es damit möglich, durch eine mit hoher Wiederholgenauigkeit ausführbare Beurteilungsprozedur Angaben bezüglich einer Therapiequalität z. B. in der Art eines Bilevel-Kompliance Indexes zu generieren.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm das den zeitlichen Verlauf des Atemgasstromes in zeitlicher Korrelation mit einem hinsichtlich einer Atmungsanstrengung indikativen EMG-Signal sowie einem hinsichtlich des Atemgasdruckes indikativem Druck-Signal zeigt.
Fig. 2 zwei Skizzen zur Erläuterung bevorzugter Applikationspositionen der EMG-Elektroden.
Der in Fig. 1 dargestellte Graph 1 beschreibt den zeitlichen Verlauf des Atemgasstromes über einen vollständigen Atemzug hinweg. Der Atemzug umfasst eine Inspirationsphase I und eine Expirationsphase E. Der Übergang von der Inspirationsphase in die Expirationsphase erfogt zu einem Zeitpunkt T_I/E. Dieser Zeitpunkt T_I/E sowie der Zeitpunkt T_E/I des Wechsles von der Expirationsphase E in die Inspirationsphase I wird auf Grundlage der den momentanen Atemgasstrom beschreibenden Messsignale durch Heranziehung mehrerer Berechnungsmodelle ermittelt.
Diese Berechnungsmodelle werden unter Berücksichtigung eines hier durch den Graphen 2 angedeuteten, im Toraxbereich eines Patienten abgegriffenen und hinsichtlich einer Atmungsanstrengung indikativen EMG-Signales, adaptiv konfiguriert. Für die zwischen den Atemphasen-Wechselzeitpunkten liegenden Atemphasen können wie durch den in Graphen 3 angedeutet unterschiedliche Atemgasdrücke eingestellt werden. Bei dem hier dargestellten Beispiel liegt der für die Inspirationsphase I eingestellte Atemgasdruck um 2 mbar über dem während der Expirationsphase herrschenden Atemgasdruck.
Die zur Ermittlung der Umschaltzeitpunkte herangezogenen Berechnungsmodelle bzw. die diese Berechnungsmodelle berücksichtigenden Berechnungsprozeduren können eine Vielzahl an Kurvendiskussionsmodellen enthalten.
Beispielhaft werden nachfolgend zwei einfach nachvollziehbare Berechnungsmodelle beschrieben die in Verbindung mit dem hinsichtlich des Atmungsbestrebens indikativen Anstrengungssignale (Graph 2) adaptiv konfigurierbar sind.
Bei dem ersten Berechnungsmodell wird eine mittlere Inspirationssteigung m_I der hier dargestellten Geraden g_I ermittelt. Die Ermittlung der Steigung der Geraden g_I erfolgt derart, dass die Summe der Fehlerquadrate der Abweichungen zum Verlauf des Graphen 1 in einem ausgewählten Zeitintervall einen minimalen Wert annimmt. Aus dem weiteren Verlauf des hinsichtlich des Atemgasstromes indikativen Signales (Graph 1) wird weiterhin ein maximaler Atemgasstrom Vmax ermittelt. Vom zurückliegenden Umschaltzeitpunkt T_E/I(n) ausgehend kann anhand der Steigung der Geraden g_I in Verbindung mit dem mit ausgewählter Filterung ermittelten Maximalwert des Atemgasstromes Vmax eine Zeitperiode a1 ermittelt werden. Auf Grundlage dieser Zeitperiode a1 kann der Umschaltzeitpunkt T_I/E(n+i) auf Grundlage des Ansatzes T_I/E(n+i) = T_E/I(n)+ k.a₁, wobei der Faktor k in Verbindung mit dem hinsichtlich der Atmungsanstrengung indikativen Signal (Graph 2) festgelegt wird.
Entsprechend dem zweiten Berechnungsmodell ist es möglich, den Übergang von der Inspirationsphase in die Expirationsphase unter zusätzlicher Heranziehung der mittleren Steigung des Graphen 1 beim Übergang von der Inspirationsphase in die Expirationsphase erfolgen. Diese mittlere Steigung entspricht der Steigung der in der Zeichnung angedeuteten Geraden g_E. Diese Steigung kann ebenfalls vorgegebenen Näherungsbedingungen ermittelt werden. Auf Grundlage des durchschnittlichen Atemzugsvolumen das sich durch Integration des Graphen 1 ermitteln lässt kann der Schnittpunkt S der Geraden g_I und g_E ermittelt und der Atemphasenwechselzeitpunkt T_I/E(n+i) berechnet werden. Die Berechnungsparameter zur Ermittlung des mittleren Atemzugsvolumens können unter Heranziehung des hinsichtlich der Atmungsanstrengung indikativen Anstrengungssignals (Graph 2) adaptiv optimiert werden.
Durch Heranziehung weiterer Rechenmodelle können weitere Abschnitte, insbesondere die Abschnitte a₂, a₃ und a₄ der Inspirationsphase des Atemzuges ermittelt und bei der Bestimmung der Dauer des Atemzuges berücksichtigt werden.
Ähnliche Rechenmodelle können auch bei der Ermittlung der einzelnen Abschnitte a₁', a₂', a₃', a₄' der Expirationsphase des Atemzuges herangezogen werden. Die zur Berechnung der Dauer der jeweiligen Atemphase bzw. zur Ermittlung des voraussichtlichen Atemphasenumschaltzeitpunktes verwendeten Modelle werden auf Grundlage des hinsichtlich der Atmungsanstrengung indikativen Signales (Graph 2) adaptiv optimiert. Das Grundprinzip besteht darin, dass die Berechnungsmodelle und/oder die durch diese berücksichtigten Parameter durch eine zusammenfassende Betrachtung des hinsichtlich des Atemgasstromes indikativen Signales und des hinsichtlich des Atmungsbestrebens indikativen EMG-Signales adaptiert oder konfiguriert werden.
Nach Optimierung der zur Berechnung der Umschaltzeitpunkte herangezogenen Modellgesetzte kann im weiteren auf die Erfassung des Anstrengungssignales (Graph 2) verzichtet werden.
Aus den Konfigurationsparametern können Rückschlüsse auf die physiologischen Bedürfnisse des Patienten gezogen werden. Die Rückschlussbildung kann durch zusätzliche Auswertungsprozeduren unterstützt werden. Durch die erfindungsgemäß unter Heranziehung eines zumindest initial die Atmungsanstrengung des Patienten wiedergebenden Signales durchgeführte Konfiguration der Druckregelungseinrichtungen, wird es möglich, das Übertragungsverhalten der Druckregelung derart abzustimmen, dass eine zuverlässige Ermittlung der Umschaltzeitpunkte lediglich auf Grundlage eines hinsichtlich des Atemgasstromes indikativen Signales erfolgen kann. Weiterhin wird es möglich, objektiv die Abstimmung eines Beatmungsgerätes auf die physiologischen Bedürfnisse des Patienten zu beurteilen.
In Fig. 2 sind bevorzugte Applikationspositionen der EMG-Elektroden dargestellt. Die linke Darstellung zeigt eine Frontalansicht, dir rechte Darstellung zeigt eine Rückenansicht. Die erfassten EMG-Signale können zusammengefasst und durch logische Operationen verknüpft ausgewertet werden. Die Elektroden können als Einfach- und/oder als Doppelelektroden ausgeführt sein.

Claims

1. Anordnung zur Bereitstellung von Atemgas auf verschiedenen, im wesentlichen atmungssynchron alternierenden Atemgasdruckpegeln mit einer Regeleinrichtung die eine Einstellung des Atemgasdruckes auf Grundlage eines mit dem momentanen Atemgasfluss korrelierenden Messsignales veranlasst und einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines hinsichtlich einer Inspirationsanstrengung und/oder Expirationsanstrengung indikativen und vom Thorax- und/oder Abdomenbereich ein Patienten abgegriffenen Anstrengungssignales, wobei die Regeleinrichtung unter Heranziehung des Anstrengungssignales adaptiv konfigurierbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodeneinrichtung vorgesehen ist, zur Generierung des Anstregungssignales anhand am Patienten abgegriffener elektrischer Potentiale.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung einen Rechner umfasst und dass der Rechner wenigstens eine Berechnungsprozedur bereitstellt die hinsichtlich der Berechung eines Umschaltzeitpunktsignales adaptiv konfigurierbar ist.

4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner mehrere Berechnungsprozeduren bereitstellt und die Ergebnisse der Berechnungsprozeduren adaptiv gewichtet berücksichtigt werden.

5. Verfahren zur Abstimmung einer Regeleinrichtung die eine hinsichtlich des Druckpegels alternierende Einstellung des Druckes eines Atemgases für Inspirationsphasen und Expirationsphasen auf Grundlage eines mit dem momentanen Atemgasfluss korrelierenden Messsignales veranlasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Thorax- und/oder Abdomenbereich eines Patienten ein hinsichtlich eines Inspirations- und/oder Expirationsbestrebens indikatives Anstrengungsignal abgegriffen wird und das Übertragungsverhalten der Regeleinrichung auf Grundlage des hinsichtlich des Inspirations- oder Expirationsbestrebens indikativen Anstrengungssignales adaptiv konfiguriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anstrengungssignal aus am Körper des Patienten abgegriffenen elektrischen Potentialen generiert wird.

7. Verfähren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgriff der elektrischen Potentiale, Elektrodeneinrichtungen am Thoraxbereich des Patienten appliziert werden.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Anstrengungssignal ein Umschaltzeitpunkt- Triggersignal generiert wird.

9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des Triggersignales und dem hinsichtlich des Atemgasstromes indikativen Signal ein Parametersatz zur Triggerkonfiguration generiert wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der Triggerkonfiguration eine Typisierung des physiologischen Zustands des Patienten erfolgt.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Umschaltzeitpunktes mehrere Berechnungssysteme herangezogen werden und dass die Gewichtung der Ergebnisse der Berechnungssysteme adaptiv festgelegt wird.

12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Berechnungssysteme adaptiv angepasst wird, derart, dass der errechnete Umschaltzeitpunkt dem seitens des Anstrengungssignales ermittelten Umschaltzeitpunkt entspricht.

13. Verfahren zur Konfiguration eines Regelsystems zur hinsichtlich des Druckpegels alternierende Einstellung des Druckes eines Atemgases für Inspirationsphasen und Expirationsphasen auf Grundlage eines mit dem momentanen Atemgasfluss korrelierenden Messsignales veranlasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Thorax- und/oder Abdomenbereich eines Patienten ein hinsichtlich eines Inspirations- und/oder Expirationsbestrebens indikatives Anstrengungsignal abgegriffen wird und zur Einstellung des Übertragungsverhalten der Regeleinrichung auf Grundlage des hinsichtlich des Inspirations- oder Expirationsbestrebens indikativen Anstrengungssignales ein Konfigurationsdatensatz generiert wird.