DE102005022896B3

DE102005022896B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes

Info

Publication number: DE102005022896B3
Application number: DE102005022896A
Authority: DE
Inventors: Yvo Dr. Gärber; Hans Matthiessen; Dieter Dr. Weismann; Eckhard Teschner
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: US20060260611A1; FR2885814A1; GB2426342B; GB0608616D0; FR2885814B1; US7584752B2; GB2426342A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, um auf einfache Weise die Änderung der funktionellen Residualkapazität (FRC) zu ermitteln. Hierzu wird, ausgehend von einer ersten Beatmungsphase für maschinelle Beatmung, während einer zweiten Beatmungsphase ein Recruitment-Manöver durchgeführt und während einer dritten Beatmungsphase auf die maschinelle Beatmung zurückgeschaltet. Während der ersten Beatmungsphase und der dritten Beatmungsphase werden Referenzwert U_ref/1, U_ref/3 aus den end-exspiratorischen Werten der Impedanz-Messsignale U gebildet, wobei die Differenz ΔU (ΔFRC) zwischen dem Referenzwert U_ref/3 der dritten Beatmungsphase und dem Referenzwert U_ref/1 der ersten Beatmungsphase ein Maß für die Änderung der funktionellen Residualkapazität der Lunge des Probanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes.
Die Elektroimpedanztomographie (EIT) ist ein Verfahren, bei dem ein geringer elektrischer Wechselstrom in den menschlichen Körper eingespeist wird, um die Oberflächenpotentiale an verschiedenen Stellen des Körpers zu messen. Durch Rotation der Strom-Einspeiseorte um den Körper herum bei gleichzeitiger Messung der Oberflächenpotentiale lässt sich über geeignete mathematische Rekonstruktions-Algorithmen ein zweidimensionales Schnittbild der elektrischen Impedanzverteilung im betrachteten Körper ermitteln. In der Medizin ist ein Schnittbild der Impedanzverteilung des menschlichen Körpers deswegen von Interesse, da sich die elektrische Impedanz sowohl mit dem Gehalt an Luft als auch mit dem Gehalt an extrazellulärer Flüssigkeit im Gewebe verändert. Es lassen sich so die Ventilation der Lunge als auch die Blut- und Serumverschiebungen regional aufgelöst darstellen und überwachen.
Um eine den Patienten schonende Beatmung durchführen zu können, ist es notwendig, die funktionelle Residualkapazität (FRC) der Lunge des Probanden zu kennen. Unter der funktionellen Residualkapazität wird dasjenige Gasvolumen verstanden, dass am Ende der Exspiration in der Lunge verbleibt. Sind beispielsweise eine Vielzahl von Alveolen zusammengefallen, so ist die FRC kleiner als wenn die Alveolen geöffnet sind. Eine häufig angewendte Methode zur Messung der FRC nach dem sogenannten Einwasch- bzw. Auswaschverfahren geht beispielhaft der der EP 791 327 A1 hervor. Diese Messung kann während einer maschinellen Beatmung durchgeführt werden.
Die Kombination eines Beatmungssystems mit einem Messsystem für die elektrische Impedanztomographie ist in der DE 103 01 202 B3 beschrieben. Durch den bidirektionalen Datenaustausch zwischen dem Beatmungssystem und dem Messsystem für die elektrischen Impedanztomographie können die Messungen am Probanden zu genau definierten Zeitpunkten und abhängig vom Beatmungsverlauf erfolgen.
Leitet man beispielsweise bei einem Patienten ein Beatmungsmanöver in Form einer kurzzeitigen Druckerhöhung (Recruitment-Manöver) als ein mögliches Verfahren zur Verbesserung der Ventilation ein, so sollten sich im erfolgreichen Fall mehrere Grössen ändern. So wird mittels des Recruitment-Manövers versucht, zusammengefallene Lungenareale wieder zu entfalten, so dass diese Gebiete wieder an der Ventialtion teilhaben und somit der Gasaustausch verbessert wird. Bei einem erfolgreichen Recruitment-Manöver sollten sich sowohl die Ventilation als auch die FRC verbessern, ohne dass bereits ventilierte Gebiete durch die kurzzeitige Druckerhöhung in Mitleidenschaft gezogen werden. Jedoch liegen Informationen über die FRC und die Änderung der FRC meist gar nicht vor. Es nützt auch wenig, wenn ein Großteil der FRC-Erhöhung und/oder Ventilationsverbesserung in bereits vor dem Recruitment-Manöver gut belüfteten Gebieten zunimmt und die eigentlich zusammengefallenen Zielgebiete kaum oder nur wenig von der Entfaltung profitieren. Für den Anwender besteht also ein grundlegendes Interesse daran zu wissen, welche Lungenregion zur Änderung der Ventilation und der FRC beigetragen hat. Die Aufschlüsselung der FRC bzw. die FRC-Änderung und Ventilation bzw. Ventilationsänderung nach lokalen Beiträgen verschiedener Lungenareale wird in diesem Zusammenhang als regionale- oder auch lokale FRC bzw. FRC-Änderung und regionale- oder lokale Ventilation bzw. Ventilationsänderung bezeichnet. Dies ist im Sinne von charakteristischen Werten innerhalb von ROI's (Region of Interest) zu verstehen. Die Bestimmbarkeit der regionalen Ventilation bzw. Ventilationsänderung mittels der Elektroimpedanztomographie wird als voraussetzbar angenommen. Eine lokale FRC-Bestimmung bzw. FRC-Änderung lässt sich bisher nur mit Computertomographie und zum Teil auch mit Röntgen abschätzen mit den bekannten nachteiligen Auswirkungen dieser Verfahren auf den Patienten. Neben dem Recruitment Manöver kann sich eine FRC-Änderung auch aus einer Medikamentengabe oder einer Erholung der Lunge ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde,
eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, um auf einfache Weise die Änderung der funktionellen Residualkapazität (FRC) zu ermitteln.
Die Lösung für das Verfahren erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Lösung für die Vorrichtung ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass während einer ersten Beatmungsphase für maschinelle Beatmung aus end-exspiratorischen Werten der Impedanz Messsignale ein erster Referenzwert gebildet wird. Während einer späteren Beatmungsphase wird bei maschineller Beatmung aus den end-exspiratorischen Werten der Impedanz-Messsignale ein zweiter Referenzwert errechnet. Durch Vergleich der Referenzwerte aus den untersuchten Beatmungsphasen wird die Änderung der funktionellen Residualkapazität (FRC) der Probandenlunge bestimmt. Mit der Elektroimpedanztomographie steht ein nichtinvasives, den Probanden nicht belastendes Messverfahren zur Verfügung, mit dem die lokale Änderung des Lungenvolumens ermittelt werden kann.
Bei der Impedanztomographie wird die relative Impedanzänderung ΔZ/Z_ref aus den relativen Spannungsänderungen ΔU/U_ref an der Körperoberfläche des Probanden gewonnen, die bei den verschiedenen Stromeinspeisungen entstehen.
Bei der maschinellen Beatmung tritt ein Wechsel von Einatmung und Ausatmung auf, und die Impedanzänderung ΔZ schwankt daher zwischen einem end-inspiratorischen und einem end-exspiratorischen Wert. Der Zusammenhang zwischen ΔZ und ΔU ist bei linearer Näherung gegeben durch
wobei μ = 1..M die Messindices darstellen, die die Stromeinspeise- bzw. Spannungsmesspositionen charakterisieren, U_ref die end-exspiratorische Referenzspannung und ΔU die Differenz zwischen end-inspiratorischer Spannung und end-exspiratorischer Referenzspannung bezeichnen (für alle μ). Die b_iμ sind die Koeffizienten der Rekonstruktionsmatrix (z.B. gefilterte Rückprojektion).
Weiter wird angenommen, dass die relative Impendanzänderung ΔZ/Z_ref proportional zum Tidalvolumen V_T ist.
wobei die Summe über alle N Pixel des Bildes läuft, Z_ref hier die end-exspiratorische Referenzimpedanzverteilung (im Sinne der N Bildpixel) und ΔZ die Differenz zwischen end-inspiratorischer und end-exspiratorischer Impedanzverteilung bedeuten und c_V der Proportionalitätsfaktor zwischen relativer Impedanzänderung und dem Tidalvolumen darstellt, der hier als Volumenfaktor bezeichnet wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
1 den Verlauf von Elektroimpedanz-Messsignalen bei unterschiedlichen Beatmungsphasen,
2 die Aufteilung einer Computerauswertung von Elektroimpedanz-Messsignalen in ROI's,
3 die Kombination eines Beatmungsgerätes mit einem Elektroimpedanz-messgerät zur Ermittelung von Elektroimpedanz-Messsignalen.
1 veranschaulicht schematisch den Verlauf von Impedanz-Messsignalen U beim Wechsel von maschineller Beatmung, Beatmungsphase 1, zu einem Recruitment-Manöver, Beatmungsphase 2 und zurück zur maschinellen Beatmung, Beatmungsphase 3.
Während der Beatmungsphase 1 wird in möglichst gleichmäßiger Beatmung eine Elektroimpedanz-Messung durchgeführt. Da das Tidalvolumen V_T vom Beatmungsgerät her bekannt ist, kann dieses zur Bestimmung des Volumenfaktors c_V bei der Beatmungsphase 1 verwendet werden. Nach Beendigung des Recruitment-Manövers in Beatmungsphase 2 wird in Beatmungsphase 3 mit der Elektroimpedanz-Messung fortgefahren, um eventuelle Unterschiede in der lokalen Ventilation im Vergleich zur Beatmungsphase 1 zu finden.
Bei der Elektroimpedanz-Messung werden mindestens zwei Bereiche markiert, innerhalb derer mindestens zwei end-exspiratorische Referenzspannungen U_ref ermittelt und zur Bestimmung der lokalen FRC-Änderung verwendet werden. Einer der Bereiche liegt in der Beatmungsphase 1, der andere in der Beatmungsphase 3.
Die Referenzspannungen U_ref können z.B. so bestimmt werden, dass innerhalb der fixierten Bereiche für jeden Atemzug die minimalen Spannungen von jeden Messpositionen μ bestimmt werden. Hierzu wird durch Kopplung des Elektroimpedanz-Messsystems mit dem Beatmungsgerät das Elektroimpedanz-Messgerät zur Messung von end-exspiratorischen Referenzspannungen getriggert. Die so ermittelten end-exspiratorischen Referenzspannungen U_ref können innerhalb der Bereiche gemittelt werden, so das für jeden Bereich ein Datensatz von end-exspiratorischen Referenzspannungen U_ref1, U_ref3 erhalten wird. In der 1 sind als interessierende Bereiche die Beatmungsphase 1 und Beatmungsphase 3 gewählt, um die lokale FRC-Änderung zu bestimmen. Aus der relativen Differenz der end-exspiratorischen Referenzspannungen U_ref1 der Beatmungsphase 1 und U_ref3 der Beatmungsphase 3 wird die entsprechende relative Impedanzänderung gemäß
ermittelt.
Es wird davon ausgegangen, dass die Veränderung der Referenzspannungen U_ref3 Minus U_ref1 von Phase 1 zu Phase 3 nach Anwendung des Recruitment-Manövers in Phase 2 durch Veränderung der Leitfähigkeitsverteilung auf Grund der FRC-Änderung hervorgerufen wird. Da die relative Änderung der Leitfähigkeit von Beatmungsphase 1 zu Beatmungsphase 3 aus den entsprechenden relativen Spannungsunterschieden lokal rekonstruiert werden kann, erhält man einen Zugang zur Verteilung der FRC-Änderung innerhalb der Lungenregionen. Auf Grund der vorausgesetzten Proportionalität zwischen relativer Impedanzänderung und Luftmengen-Änderung in der Lunge kann der aus Beatmungsphase 1 bezüglich der Referenzleitfähigkeitsverteilung Z_ref1 ermittelte Volumenfaktor c_V der lokalen Ventilation verwendet werden, um eine Abschätzung der lokalen FRC-Änderung (Pixelnummer i) für die Zielvorgabe zu erhalten. Die Änderung der FRC, Δ FRC, ergibt sich zu:
Die lokale FRC-Änderung wird bildlich oder numerisch aufsummiert und innerhalb der ROI's dargestellt. Eine derartige Aufteilung einer Computerauswertung in ROI's ist beispielhaft in der 2 veranschaulicht und geht aus der US-Z: Victorino, J.A. et al., Imbalances in Regional Lung Ventilation, Am J Respir Crit Care Med, Vol. 169 pp 791-800, 2004 hervor.
Es wird der Gesamtbereich in einen rechten – und einen linken Bereich, entsprechend 2a, aufgeteilt oder es wird eine Aufteilung in vier Quadranten, entsprechen 2b vorgenommen. Der Gesamtbereich kann auch in zwei oder vier waagerechte Segmente, entsprechend 2c oder 2d, zerlegt werden.
3 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines an ein Beatmungsgerät 1 angeschlossenen Elektroimpedanz-Messgerätes 2 zur Bestimmung der Änderung der funktionellen Residualkapazität (FRC) der Lunge eines Probanden (3). Das Beatmungsgerät 1 ist über eine Einatemleitung 4 und eine Ausatemleitung 5 sowie einen Tubus 6 mit der Lunge des Probanden 3 verbunden. Von einer Steuer- und Messelektronik 7 aus werden verschiedene Beatmungsphasen eingestellt. Hierzu ist die Steuer- und Messelektronik 7 über eine bidirektionale Datenleitung 8 mit dem Beatmungsgerät 1 verbunden. Ein Durchflusssensor 9 ist an den Tubus 6 angeschlossen und liefert während der Atemphasen Durchfluss-Messwerte an die Steuer- und Messelektronik 7. Das Elektroimpedanz-Messgerät 2 ist über eine Datenleitung 10 an einen um den Oberkörper des Probanden 3 gelegten Elektrodengürtel 11 angeschlossen. Elektroden 12 des Elektrodengürtels 11 liefern Impedanz-Messsignale U. Eine Auswerteeinheit 13 errechnet aus den Impedanz-Messsignalen Datensätze die über einen Bildschirm 14 ausgegeben werden. Über eine Triggerleitung 15 erhält das Elektroimpedanz-Messgerät 2 Umschaltsignale zwischen Einatemphase und Ausatemphase des Beatmungsgerätes 1. Diese Umschaltsignale werden als Triggersignale dazu benötigt, relative Minima bzw. relative Maxima der Impedanz-Messsignale U zu bestimmen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes (1) in Kombination mit einem Elektroimpedanz-Messgerät (2), welches über eine am Oberkörper eines Probanden (3) angeordnete Elektrodenapplikation (11) Impedanz-Messsignale U erhält, mit den Schritten, während einer ersten Beatmungsphase am Beatmungsgerät (1) eine Betriebsart zur druck- oder volumengesteuerten, maschinellen Beatmung einzustellen, aus den sich ergebenden, mit dem Beatmungszyklus korrelierenden end-exspiratorischen Werten von Impedanz-Messsignalen U einen ersten Referenzwert U_ref1 zu berechnen, während einer weiteren Beatmungsphase bei maschineller Beatmung aus den end-exspiratorischen Werten von Impedanz-Messsignalen U einen zweiten Referenzwert U_ref3 zu bilden und eine Differenz aus dem zweiten Referenzwert U_ref3 und dem ersten Referenzwert U_ref1 zu bilden und als Maß für die Änderung der funktionellen Residualkapazität (FRC) der Lunge des Probanden (3) zu nehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste – und der zweite Referenzwert als Mittelwert aus den end-exspiratorischen Werten der Impedanz-Messsignale U gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die end-exspiratorischen Werte durch ein vom Beatmungsgerät (1) geliefertes Triggersignal bestimmt werden.
Beatmungsvorrichtung in Kombination mit einem Elektroimpedanz-Messgerät mit einer am Oberkörper eines Probanden (3) angeordneten Elektrodenapplikation (11), welche Impedanz-Messsignale U erfasst, einer Steuerelektronik (7) am Beatmungsgerät (1) zur Einstellung von Beatmungsphasen zur druck- oder volumengesteuerten maschinellen Beatmung, einer Auswerteeinheit (13), welche aus den end-exspiratorischen Werten der Impedanz-Messsignale U während einer ersten Beatmungsphase einen ersten Referenzwert U_ref1 errechnet und während einer weiteren Beatmungsphase bei maschineller Beatmung aus den end-exspiratorischen Werten der Impedanz-Messsignale U einen zweiten Referenzwert U_ref3 bildet, wobei die Differenz aus dem zweiten Referenzwert U_ref3 und den ersten Refererenzwert U_ref1 ein Maß für die Änderung der funktionellen Residualkapazität (FRC) der Lunge des Probanden (3) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Beatmungsgerät 1 und dem Elektroimpedanz-Messgerät (2) eine Triggerleitung (15) zur Übertragung von mit dem Beatmungszyklus korrelierenden Triggersignalen vorgesehen ist.