DE102005040442A1

DE102005040442A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von modulierten Druckverläufen

Info

Publication number: DE102005040442A1
Application number: DE102005040442A
Authority: DE
Inventors: Diana Plattner; Karl Andreas Dr. Feldhahn; Björn Tiemann; Bernd Schöller; Wolfgang Wedler; Frank Dr. Herrmann; Matthias Schwaibold; Christoph Dr. Göbel; Thomas Dr. Marx
Original assignee: Loewenstein Medical Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Loewenstein Medical Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-03-01
Also published as: FR2890194A1

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung eines modulierten Druckverlaufes innerhalb einer Gasversorgungseinrichtung. Einem Basisdruck wird hierbei mindestens ein variierender Druck überlagert. Der variierende Druck oszilliert mindestens zeitweilig mit einer konstanten Frequenz. Einer Auswerteeinheit wird sowohl mindestens ein zum variierenden Druck korrespondierender Parameter als auch mindestens ein im Bereich der Gasversorgungseinrichtung meßtechnisch erfaßter vom modulierten Druckverlauf abhängiger Antwortparameter zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines modulierten Druckverlaufes innerhalb einer Gasversorgungseinrichtung, bei dem einem Basisdruck mindestens ein variierender Druck überlagert wird.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Erzeugung eines modulierten Druckes innerhalb einer Gasversorgungseinrichtung, die eine Gasquelle zur Bereitstellung des Druckes sowie mindestens einen Aktor zur Generierung eines variierenden Druckes aufweist und bei der eine Überlagerung des Basisdruckes und des variierenden Druckes vorgesehen ist.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden beispielsweise verwendet, um im Bereich von Beatmungseinrichtungen eine Optimierung der Drucksteuerung durchzuführen. Die Optimierung der Drucksteuerung erfolgt hier unter Berücksichtigung von meßtechnisch erfaßten variierenden Strömungswiderständen im Bereich der Strömungswege.
Eine Anwendung bei medizintechnischen Geräten erfolgt im zusammenhang mit Atemluftversorgungen, die im Rahmen einer CPAP-Therapie (Continious-Positive-Airway-Pressure) eingesetzt werden. Ebenfalls sind Anwendungen bei sogenannten Bilevel-, APAP-Beatmungen und Heimbeatmungen möglich. Ebenfalls werden solche Anwendungen in der Klinik bei der Intensivbeatmung und Notfallbeatmung durchgeführt. Zur Vermeidung eines Austrocknens der Atemwege erweist es sich insbesondere bei längeren Beatmungsphasen als zweckmäßig, eine Befeuchtung der Atemluft durchzuführen. Derartige Befeuchtungen der Atemluft können auch bei anderen Anwendungen realisiert werden.
Es können aber auch diverse Anwendungen außerhalb des Gebietes der Medizintechnik erfolgen. Beispielsweise kann bei Beatmungsgeräten für Taucher oder Feuerwehrleute das Problem auftreten, daß verwendete Schläuche der Beatmungsgeräte abknicken oder zusammengedrückt werden. Das gleiche Problem kann auch im industriellen Bereich bei Tätigkeiten auftreten, die die Verwendung von Beatmungsgeräten zum Schutz der betreffenden Person vor der Einwirkung von Umweltgasen erforderlich machen und bei denen die betreffenden Personen durch die vorgesehenen Tätigkeiten die Hände nicht frei haben, um selbst auf die verwendeten Beatmungsgeräte einwirken zu können. Schließlich sind auch Anwendungen im Bereich von Beatmungsgeräten denkbar, die von Astronauten oder Piloten verwendet werden.
Bei allen Anwendungen ermöglichen es das erfindungsgemäße verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung, durch die entsprechende Drucksteuerung ausreichend freie Strömungswege zur Verfügung zu stellen, die eine störungsfreie oder zumindest eine störungsarme Beatmung ermöglichen.

Zur Ermittlung des Strömungswiderstandes der Luftwege ist im medizinischen Bereich beispielsweise die Verwendung sogenannter ODS-Signale bekannt, bei dem einem Grunddruck ein oszillierendes Drucksignal überlagert wird und aus einem entsprechenden Antwortsignal Rückschlüsse auf einen vorliegenden Strömungswiderstand gewonnen werden. Eine entsprechende medizintechnische Anwendung wird beispielsweise in der EP-OS 0 705 615 beschrieben. Hier erfolgt die Bereitstellung des Drucksignals durch einen mit einer Frequenz von etwa 20 Hz oszillierenden Kolben, der mit einem Kolbenhub von etwa 1 cm³ eine oszillierende Volumenströmung und als Folge hiervon einen oszillierenden Druck generiert.

Aufgrund der Vielzahl der denkbaren Anwendungsgebiete sowie der ständig steigenden Anforderungen an die Qualität der Steuerung der Beatmungseinrichtungen sowie an den von einem Benutzer empfundenen Benutzungskomfort sind die bislang bekannten Verfahren und Vorrichtungen noch nicht in ausreichender Weise dazu in der Lage, der Vielzahl der gleichzeitig vorliegenden Anforderungen in optimaler weise gerecht zu werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß eine optimierte Gerätesteuerung unterstützt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der variierende Druck mindestens zeitweilig mit einer konstanten Frequenz oszilliert und daß einer Auswertungseinheit sowohl mindestens ein zum variierenden Druck korrespondierender Parameter als auch mindestens ein im Bereich der Gasversorgungseinrichtung meßtechnisch erfaßter vom modulierten Druckverlauf abhängiger Antwortparameter zugeführt wird.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß ein verbesserter Benutzungskomfort bei hoher Betriebssicherheit unterstützt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Auswertungseinheit zur Verknüpfung mindestens eines zum variierenden Druck korrespondierenden Parameters mit mindestens einem vom modulierten Druckverlauf abhängigen Antwortparameter ausgebildet ist und daß im Bereich der Gasversorgungseinrichtung mindestens ein Sensor zur meßtechnischen Erfassung des Antwortparameters angeordnet ist.

Durch die Verwendung einer Auswertungseinheit zur Verknüpfung des zum variierenden Druck korrespondierenden Druckparameters mit dem vom modulierten Druckverlauf beeinflußten Antwortparameter ist es möglich, kurzfristig und mit hoher Genauigkeit Rückschlüsse auf den jeweils vorliegenden Strömungswiderstand zu gewinnen. Die meßtechnische Erfassung des Antwortparameters im Bereich der Gasversorgungseinrichtung ermöglicht die meßtechnische Erfassung mit geringem örtlichen Abstand zum zu überwachenden Bereich und somit mit geringen zeitlichen Verzögerungen und hoher Meßgenauigkeit bei gleichzeitiger Minimierung eventueller Störeinflüsse.

Eine Ausführungsvariante besteht darin, daß eine periodische Signalauswertung durchgeführt wird.

Darüber hinaus ist auch daran gedacht, daß eine aperiodische Signalauswertung durchgeführt wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß eine Modulation des Volumenstromes durchgeführt wird.

Gemäß einer Ausführungsvariante ist auch daran gedacht, daß eine Subtraktion eines Volumenteiles durchgeführt wird.

Ebenfalls ist es möglich, daß eine Addition eines Volumenteiles durchgeführt wird.

Eine technische Realisierung kann dadurch erfolgen, daß der Aktor als eine Linearpumpe ausgebildet ist.

Eine weitere Ausführungsvariante besteht darin, daß der Aktor als eine rotierende Scheibe ausgebildet ist.

Weiterhin ist es möglich, daß der Aktor als ein freischwingender Kolben ausgebildet ist.

Eine andere Ausführungsform wird dadurch definiert, daß der Aktor als ein rotierender Schrittmotor ausgebildet ist.

Eine besonders robuste Ausführungsform wird dadurch bereitgestellt, daß der Aktor als eine s-förmige Drehscheibe ausgebildet ist.

Eine berührungslose Bauteilekopplung kann dadurch erfolgen, daß der Aktor als ein Wirbelstromgenerator ausgebildet ist.

Als energetisch erweist es sich besonders vorteilhaft, daß der Aktor als ein bistabiler Hubmagnet ausgebildet ist.

Über die Auswertung von modulierten Drucksignalen kann die Impedanz bestimmt werden. Aus der Kenntnis der Impedanz zu verschiedenen Zeitpunkten des Atmungszyklus kann die Atemarbeit eines Patienten abgeleitet werden und es kann eine Beurteilung der Atemanstrengungen erfolgen. Diese Informationen können dann als Steuerparameter für das Beatmungsgerät verwendet werden.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Beatmungseinrichtung mit einem Aktor zur Volumenmodulation,
2 ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform zur Realisierung eines Subtraktionsprinzips,
3 eine nochmals abgewandelte Ausführungsform zur Realisierung eines Additionsprinzips,
4 eine schematische Darstellung eines Modulators, der eine rotierende Scheibe aufweist,
5 eine schematische Darstellung eines Modulators mit beweglichem Kolben,
6 eine Ausführungsform mit rotierendem Schrittmotor,
7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Druckabhängigkeit eines Modulationssignals,
8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform zur Erzeugung einer oszillatorischen Leckageströmung unter Verwendung einer rotierenden Scheibe,
9 ein Blockschaltbild zur Zusammenfassung diverser Konstruktionsvarianten unter Verwendung von rotierenden Scheiben,
10 eine Ausführungsform unter Verwendung eines positionierbaren Schiebers,
11 eine Ausführungsform unter Verwendung einer Spule und eines Magneten,
12 eine Ausführungsform unter Verwendung einer profilierten Scheibe,
13 eine vergrößerte teilweise Darstellung der bei der Ausführungsform gemäß 12 verwendeten profilierten Scheibe,
14 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Druckverlaufes bei Verwendung der Konstruktion gemäß 12 und 13 bei einem Grunddruck von 4 mbar,
15 ein Diagramm entsprechend 14 bei Verwendung eines Grunddruckes von 18 mbar,
16 eine Ausführungsform bei Anwendung eines Wirbelstromprinzips,
17 eine technische Ausführungsform zur Anwendung des Wirbelstromprinzips gemäß 16,
18 eine weitere Ausführungsform zur Anwendung des Wirbelstromprinzips, speziell unter Verwendung einer Wirbelstrombremse,
19 eine technische Ausführungsform zur Anwendung des Wirbelstrombremsprinzips gemäß 18,
20 eine technische Anwendung zum Einsatz eines bistabilen Hubmagnetes im Gebläseraum der Gasversorgung und
21 ein schematisches Diagramm der wesentlichen Komponenten der Vorrichtung gemäß 20.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines modulierten Druckes im Bereich einer Gasversorgungseinrichtung (1). Die Erzeugung modulierter Drucksignale umfaßt hierbei sowohl die direkte Erzeugung eines Modulationsdruckes als auch die indirekte Erzeugung eines Modulationsdruckes, bei der beispielsweise ein modulierter Volumenstrom generiert wird und sich das modulierte Drucksignal aufgrund des Zusammenwirkens des modulierten Volumenflusses und des vorliegenden Strömungswiderstandes ergibt.
Die direkt oder indirekt modulierten Drucksignale können periodisch oder aperiodisch verlaufen. Die Drucksignale können hierbei kontinuierlich oder diskontinuierlich vorliegen. Generiert werden können beispielsweise periodische oder aperiodische Schwingungen, darüber hinaus ist aber auch an Drucksprünge oder Impulssprünge gedacht. Ein oszil latorisches Drucksignal ist somit als spezielle Ausführung eines modulierten Drucksignales zu verstehen.
Das modulierte Meßsignal wird an einer geeigneten Stelle in die Gasversorgungseinrichtung (1) eingeleitet. Die Gasversorgungseinrichtung (1) umfaßt hierbei sowohl eine Atemgasquelle (2) als auch Strömungswege (3), einen Modulator (4) sowie ein Versorgungsziel (5). Bei Anwendungen im medizintechnischen Bereich stellt der betreffende Patient das Versorgungsziel (5) dar.
Ein aufgrund des modulierten Drucksignales hervorgerufenes Antwortsignal kann an einer beliebigen geeigneten Stelle des gesamten Systems erfaßt werden. Außer einer direkten Messung innerhalb der Strömungswege (3) ist insbesondere auch an die Anordnung von Sensoren in einem sonstigen Bereich des Versorgungszieles (5) gedacht. Bei medizintechnischen Anwendungen können dies beispielsweise kardiologische Werte oder im Bereich der Hautoberfläche zu erfassende Meßwerte sein.
Die Generierung des modulierten Drucksignales und/oder die Erfassung des Antwortsignales können kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Bei einer diskontinuierlichen Generierung und/oder Erfassung und/oder Verarbeitung sind die im Gesamtsystem auftretenden Zeitkonstanten und Verzögerungszeiten zu berücksichtigen.
Als Sensoren zur Erfassung des Antwortsignals können Drucksensoren, optische Sensoren, Schallsensoren, mechanische Sensoren, elektrische Sensoren oder pneumatische Sensoren zum Einsatz kommen. Die Erfassung des Antwortsignals im Bereich der Gasversorgungseinrichtung (1) umfaßt hierbei sowohl eine unmittelbare Anordnung des Sensors im Bereich der Gasversorgungseinrichtung (1) als auch eine zur Gasversorgungseinrichtung (1) beabstandete Anordnung mit entsprechender Wirkverbindung, beispielsweise unter Verwendung einer Meßleitung oder eines Meßschlauches.
Bei den in 1 dargestellten Ausführungsformen erfolgt eine Neutralstrommodulation. Dies bedeutet, daß bei einer konstanten Strömungsmenge das zugeordnete Volumen schwankt. Es erfolgt somit direkt eine Volumenmodulation. Die zur Aufbringung der Modulation erforderliche Energie kann beispielsweise elektrisch, magnetisch, mechanisch oder pneumatisch eingebracht werden. Als gerätetechnische Hilfsmittel zur Durchführung der Modulation können Kolbenpumpen, Hubpumpen, Rotationspumpen oder Membranpumpen zum Einsatz kommen. Ebenfalls ist an die Verwendung von Lautsprechermembranen oder Membranen in anderweitiger Ausführungsform gedacht.
Darüber hinaus ist bei Verwendung eines Gebläses oder einer anderen Fördereinrichtung die Erzeugung der Modulation durch eine direkte Steuerung der Fördereinrichtung möglich, beispielsweise durch eine Variation der Drehzahl. Eine weitere Variante zur Durchführung der Modulation besteht in einer temporären Abkühlung und Erwärmung des geförderten Gases. Bei gleicher Anzahl je Zeiteinheit geförderter Gasmoleküle ergeben sich hierdurch unterschiedliche Volumina. Die entsprechende Abkühlung und/oder Erwärmung kann beispielsweise unter Verwendung von Peltier-Elementen oder Gasbrennern erfolgen.
Eine weitere Variante besteht in der Verwendung eines schwenkbaren Lüfterrades oder eines schwenkbaren Gebläses mit einem Vorraum zwischen dem Gebläse und einem zugeordneten Anfang der Strömungsführung. Eine mechanische oder elektrische Steuerung kann hierbei ähnlich wie bei schwenkbaren Raumluftventilatoren erfolgen.
Ebenfalls ist an die Verwendung sogenannter Wobbler im Luftstrom gedacht, die in Abhängigkeit von der vorliegenden Strömung mit einer bestimmten Frequenz eine Bewegung durchführen.
Eine weitere Variante zur Durchführung der Modulation besteht darin, einen Anteil des Hauptstromes der Gasströmung abzuzweigen, diesen zu modulieren und anschließend dem Hauptstrom zuzuführen. Darüber hinaus ist es auch möglich, unterschiedliche Weglängen für die Strömung in Form eines Bypasses bereitzustellen, insbesondere einen langen Weg und einen hierzu kürzeren Weg, und über ein Ventil eine Umschaltung zwischen diesen beiden Strömungswegen vorzunehmen.
Die Modulation kann darüber hinaus durch Volumenveränderungen in einem Hauptstrom oder einem Nebenstrom durchgeführt werden, darüber hinaus ist auch an die Verengung von bereitgestellten Querschnittflächen des Strömungsweges gedacht.
Gemäß einer weiteren Variante können Volumenänderungen durch Veränderungen der Länge oder des Querschnittes von Strömungswegen, beispielsweise eines Beatmungsschlauches oder eines Faltenschlauches erfolgen.
Eine weitere Variante besteht darin, der Grundströmung an Atemgas mindestens entsprechend der Modulation gesteuert ein weiteres Gas zuzusetzen oder nacheinander zwei unterschiedliche Gase zuzuführen.
Varianten zur Vorgabe der Modulation unter Verwendung der Luftfördereinrichtung bestehen in einer Veränderung der Drehzahl, einer Veränderung einer Spaltbreite zwischen einem bewegten Teil und einem feststehenden Teil, einer entlang eines Umfanges eines Fördertellers asymmetrisch angeordneter Förderelemente bzw. verstellbarer Förderelemente, der Verwendung einer definierten Unwucht, einer Möglichkeit zum Vor- und Zurückfahren der Fördereinrichtung relativ zum Förderweg, der mechanischen Anordnung der Fördereinrichtung derart, daß die Fördereinrichtung Eigenschwingungen durchführt, insbesondere gesteuert durch die Luftströmung, des weiteren durch die Anwendung eines Feder-Masse-Prinzips.
2 zeigt eine Ausführungsform zur Realisierung der Modulation unter Verwendung eines Subtraktionsstromes. Kennzeichnend ist hierbei, daß der Flow und das Volumen schwanken und dabei kleiner werden. Dem aktuellen Flow wird periodisch ein vorgegebenes Volumen entnommen. Dies kann beispielsweise unter Verwendung eines Bypasses erfolgen, insbesondere ist daran gedacht, im Gebläseausgang zum Lufteingang eine Blende im Bypaß anzuordnen. Ebenfalls kann eine Stufigkeit oder eine Proportionalität des Leckageflows durch zwei Blenden vorgegeben werden. Eine weitere Variante besteht in der Verwendung einer Blende, die im Flow gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt insbesondere druckunabhängig.
Bei Verwendung einer Rotationsblende ist es möglich, alternierend ein Leck zu öffnen und zu schließen. Eine weitere Variante besteht darin, eine Blende an einer Feder im Flow anzuordnen und hierdurch ein Schwinger-Masse-System bereitzustellen. Die entsprechende Anordnung schwingt im Resonanzbereich und stellt ein sogenanntes Flatterventil bereit. Eine weitere Ausführungsvariante besteht in der Rea lisierung eines Drehscheibenprinzips unter Verwendung einer rotierenden Scheibe. Der in 2 dargestellte Modulator (4) besitzt über einen Nebenanschluß (6) eine Verbindung mit der Umgebung bzw. zum Lufteingang und stellt hierdurch den Bypaß bereit.
3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, um eine Additions-Strom-Modulation bereitzustellen. Flow und Volumen schwanken hierbei und werden größer. Einem aktuellen Flow wird dabei ein zusätzlicher Flow hinzugefügt. Dies kann beispielsweise durch periodisches Zuschalten eines zweiten Gebläses erfolgen. Ebenfalls ist es möglich, eine temporäre Volumenblase zu erzeugen, beispielsweise durch eine Knallgasreaktion, insbesondere als Folge einer zusätzlichen Anfeuchtung. Ebenfalls ist es möglich, explosionsartig Wasser verdampfen zu lassen, beispielsweise durch einen Piezo-Effekt, Lasereinwirkung oder die Verwendung einer Heizspirale. Eine Wasserverdampfung kann generell erfolgen durch Aufheizen, Verwendung von Ultraschall, Laser, Mikrowellen, elektromagnetischen Wellen oder energiereichen Wellen.
Als Atemgasquellen (2) können unterschiedliche Varianten verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, zwei Bälge mit unterschiedlichen Volumina einzusetzen, die alternierend den Pumpvorgang durchführen. Hierdurch wird eine Volumenschwankung generiert.
Weitere Ausführungsformen bestehen in der Verwendung einer peristaltischen Pumpe am Schlauch, der Verwendung eines maskennahen Ballons, Konstruktionsvarianten im Bereich der Maske oder der Verwendung der Maske als passives Element. Es können auch schwingende Ausatemsysteme oder Gasbrenner zum Einsatz kommen. Eine weitere nicht in den Figuren dargestellte Ausführungsform zur Erzeugung eines modulierten Signales besteht in der Verwendung von zwei elektromagnetisch angetriebenen Linearpumpen. Die Pumpen können beispielsweise als Membranpumpen mit verschlossenem Ventil ausgebildet sein. Die Ansteuerung der Linearpumpen erfolgt vorzugsweise unter Verwendung eines Mikrocontrollers. Dieser liefert der Pumpe eine Rechteckspannung und mit einer implementierten Software kann die Linearpumpe auf die gewünschte Frequenz und die Einschaltdauer der Rechteckspannung eingestellt werden. Zur Reduzierung der Schallemissionen ist es möglich, die Ansteuerung unter Verwendung einer Sinusspannung vorzunehmen.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der das modulierte Signal unter Verwendung einer rotierenden Scheibe in einem oberen Strömungslabyrinth generiert wird. Die vorzugsweise als Gebläse ausgebildete Atemgasquelle (2) ist hierbei mit einem Ausgangsschalldämpfer (7) versehen, der ein oberes Labyrinth (8) aufweist. Im Bereich des Ausgangsschalldämpfers (7) ist eine rotierende Scheibe (9) angeordnet, die von einem Schrittmotor (10) angetrieben ist. Die Scheibe (9) kann beispielsweise als Plexiglasscheibe ausgeführt sein. Als Schrittmotor (10) kann ein Synchronmotor zum Einsatz kommen. Die Scheibe (9) wird vorzugsweise in einem Totraum (11) des Ausgangsschalldämpfers (7) positioniert, da hierdurch keine Erhöhung des Strömungswiderstandes hervorgerufen wird.
Typischerweise rotiert die Scheibe (9) mit einer Frequenz von etwa 20 Hz. Bei einem Druck von etwa 19 mbar ist die entsprechende Modulation meßtechnisch deutlich zu erfassen. Die modulierte Gasströmung wird im Bereich eines Auslasses (12) aus dem Schalldämpfer (7) herausgeleitet und typischerweise zu einem Benutzerinterface, beispielsweise einer Beatmungsmaske, geleitet.
5 zeigt eine Ausführungsform, bei der zur Generierung des Modulationssignals ein Kolben (13) frei in einem Zylinder (14) schwingt. Der Zylinder (14) zapft den Hauptflow im oberen Labyrinth (8) an. Der Kolben (12) ist über eine Kolbenstange (15) mit einem Linearantrieb (16) verbunden. Die Kolbenstange (15) erstreckt sich entlang einer Kolbenführung (17).
Zwischen dem Kolben (13) und dem Zylinder (14) ist ein kleiner Luftspalt vorgesehen, so daß die Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder (14) gering gehalten wird. Hierdurch entsteht eine Leckage zum Gebläseraum. Die Leckage ermöglicht eine geringe Antriebsleistung des Linearantriebes (16), da die Luft seitlich am Kolben (13) vorbeiströmen kann.
Das erzeugte Modulationssignal ist abhängig vom Druck im System. Die Abhängigkeit kann durch den Linearantrieb (16) kompensiert werden, da dieser den Hub und somit auch die Amplitude verändert. Eine Steuerung der Veränderung des Hubes kann von einem Drucksensor gesteuert werden. Als Ansteuersignal für den Schrittmotor kann die Ausgangsspannung eines Analog-Digital-Wandlers verwendet werden.
6 zeigt eine Ausführungsform zur Verwendung eines rotierenden Schrittmotors (18). Der Schrittmotor (18) treibt über eine Motorwelle (19) ein Kurbelgestänge (20) an, das den Kolben (13) innerhalb des Zylinders (14) positioniert.
7 zeigt für die Generierung des modulierten Signales unter Verwendung eines rotierenden Schrittmotors (18) die Druckabhängigkeit des modulierten Signals. Es liegt somit eine ähnliche Abhängigkeit wie bei Verwendung eines Linearantriebes (16) vor.
8 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Leckageflow unter Verwendung einer rotierenden Scheibe (9) generiert wird. Die Atemgasquelle (2), beispielsweise ein Gebläse, stellt hier im Bereich des oberen Labyrinthes (8) einen Basisdruck bereit, von dem über die rotierende Scheibe (9) oszillatorisch ein Druckanteil abgelassen wird. Die Scheibe (9) ist innerhalb einer Röhre (21) angeordnet, die eine Verbindung zwischen dem oberen Labyrinth (8) und einem Gebläseraum bereitstellt. In Folge einer Rotation der Scheibe (9) wird die Röhre (21) zyklisch geöffnet und verschlossen. Die hierdurch hervorgerufene Volumenströmung erzeugt ein moduliertes Drucksignal im Atemsystem. Ein Antrieb der rotierenden Scheibe (9) erfolgt vorzugsweise unter Verwendung eines rotierenden Schrittmotors (18).
Vorzugsweise erfolgte eine Ansteuerung derart, daß Abhängigkeiten des modulierten Drucksignales vom Solldruck und vom Flow minimiert werden.
9 zeigt eine Übersicht zu möglichen Modulationsverfahren unter Verwendung einer rotierenden Scheibe. Gemäß einer ersten Hauptvariante erfolgt die Reduzierung einer Amplitude des Modulationssignals durch mechanische Auslaßumschaltung. Dies kann beispielsweise unter Verwendung einer Spule mit Ferritkern und Dauermagnet realisiert werden. Alternativ zur Verwendung der Spule mit Ferritkern und Dauermagnet kann auch ein Wirbelstromprinzip oder ein bistabiler Hubmagnet zum Einsatz kommen.
Gemäß einer zweiten Hauptvariante erfolgt die Anpassung der Amplitude des Modulationssignals an den Druck, nachdem zu vor eine Umwandlung des Meßsignals in ein elektrisches Signal erfolgt ist. Dies kann beispielsweise über eine Verstärkerstufe realisiert werden, die spannungsabhängig über ein Digitalpotentiometer verstellt wird.
Eine dritte Hauptvariante besteht darin, eine Anpassung der Druckamplitude des modulierten Signals an den Solldruck vorzunehmen. Hier kann eine Realisierung beispielsweise durch Auslenkung der Scheibe unter Verwendung eines Schrittmotors, durch Verstellung eines Schiebers durch Druckeinwirkung oder durch Verstellung einer Blende durch einen Stellmotor erfolgen.
Eine Anpassung der Amplitude des modulierten Drucksignales an den Beatmungsdruck kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das Anwachsen der Druckamplitude des modulierten Signals mit zunehmendem Solldruck durch eine Steuerung oder Regelung eines Leckagequerschnittes kompensiert wird. Eine Ausführungsvariante hierzu ist in 10 dargestellt. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 8 erfolgt an das obere Labyrinth (8) ein Anschluß einer Röhre (21), in der eine Scheibe (9) angeordnet ist. Die Scheibe (9) kann durch nicht dargestellte Antriebsmittel in eine Rotation versetzt werden. Zusätzlich ragt in die Röhre (21) ein Schieber (22) hinein, der von einem Kolben (23) betätigt wird. Der Kolben (23) ist in einem Zylinder (24) geführt, der über eine Steuerleitung (25) an das obere Labyrinth (8) angeschlossen ist. Der Kolben (23) stützt sich über eine Feder (26) an der Röhre (21) ab.
Gemäß der Ausführungsform in 10 ist der Schieber (22) als Kolbenstange ausgebildet. Bei einer Druckbeaufschlagung wird der Kolben (23) entgegen der Kraft der Feder (26) positioniert und bewegt den Schieber (22) in die Röhre (21) hinein. In Abhängigkeit von einer Positionierung des Schiebers (22) wird ein wirksamer Querschnitt der Leckage verändert. Alternativ zu einem Kolben (23) kann auch eine Membran verwendet werden. Mit zunehmender Verengung des Querschnittes der Röhre (21) durch den Schieber (22) wird der wirksame Querschnitt vermindert und hierdurch die abgelassene Volumenmenge verringert. Dies führt zu einer Reduktion der Amplitude des modulierten Drucksignals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Verstellung des Schiebers (22) oder einer Blende unter Verwendung eines Stellmotors. Alternativ zur Verwendung eines Schiebers (22) könnte auch eine zweite Scheibe in die Röhre (22) eingesetzt werden und über einen Stellmotor druckabhängig positioniert werden.
Gemäß einer ebenfalls realisierbaren Ausführungsform erfolgt eine Auslenkung einer Scheibe (9) unter Verwendung eines Schrittmotors. Es wird somit keine rotierende Scheibe (9) verwendet, sondern die Scheibe (9) ist lediglich positionierbar. Die Positionierung erfolgt mit einer vorgebbaren Frequenz. In Abhängigkeit vom Druck wird hierbei von der Schrittmotorsteuerung eine dem Druck entsprechende Schrittzahl für den Schrittmotor vorgegeben, um die Auslenkung zu variieren. Typischerweise wird der Auslenkwinkel kleiner mit größer werdendem Solldruck. Durch eine Anpassung des Auslenkwinkels der Scheibe an den Druck kann dabei eine Reduzierung der Amplitude bei einer Drucksteigerung erreicht werden.
Eine weitere Variante besteht in einer Bereichsunterteilung, bei der die Scheibe in einem unteren Druckbereich rotierend betrieben und im oberen Druckbereich ausgelenkt wird. Bei einer Auslenkung der Scheibe erfolgt vorzugsweise die jeweilige Auslenkung um eine Nullstellung herum. In der Nullstellung verschließt die Scheibe die Leckage. Eine Positionserfassung kann beispielsweise unter Verwendung einer Lichtschranke oder eines Hallsensors erfolgen.
Gemäß einer zusätzlichen Erfindungsvariante ist daran gedacht, im Bereich der Leckage einen veränderlichen Querschnitt vorzusehen, der durch Umschaltung mindestens zwei voneinander unterschiedliche Querschnittwerte einnehmen kann. Die Umschaltung der Querschnittfläche wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einer meßtechnisch erfaßten Druckschwelle vorgenommen.
11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Umschaltung der wirksamen Querschnittfläche unter Verwendung einer Spule (27) erfolgt, die um einen u-förmigen Ferritkern (28) gewickelt ist. Dem Ferritkern (28) gegenüber ist ein Dauermagnet (29) angeordnet, der drehbar gelagert und mit einer kleinen Scheibe (30) verbunden ist. Die Scheibe (30) ist im Bereich einer Leitung (31) für den Leckageflow angeordnet.
Bei einer Beaufschlagung der Spule (27) mit einem Gleichstrom wird vom Magnetfeld der Spule (27) im Ferritkern (28) ein Magnetfeld induziert. Es kommt hierdurch zu einer Ausbildung von zwei magnetischen Spulen im u-förmigen Ferritkern (28). Die Pole bewirken eine entsprechende Ausrichtung des Dauermagneten (29). sei einer Umkehrung der Polarität des Stromes ändert sich auch die Richtung der Feldlinien und der Dauermagnet (29) wird hierdurch in die entgegengesetzte Richtung gedreht. Durch diese Drehbewegung des Dauermagneten (29) erfolgt gleichzeitig eine Drehung der in der Leitung (31) befindlichen Scheibe (30). In Abhängigkeit von der jeweiligen Positionierung der Scheibe (30) wird der wirksame Querschnitt im Bereich der Leitung (31) vorgegeben.
Gemäß der Ausführungsform in 12 und 13 wird die rotierende Scheibe (30) mit einer s-Form versehen. Bezüglich eines Auslasses (32) ergibt sich hierdurch eine Förderrichtung (33) und eine Gegenrichtung (34). 12 veranschaulicht die Anordnung eines Antriebes (35) zur Vorgabe einer Rotationsbewegung der s-förmigen Scheibe (30).
14 zeigt für die Anordnung gemäß 12 und 13 bei einem Grunddruck von 4 mbar den mit "+" gekennzeichneten Druckverlauf in Förderrichtung (33) und den mit "–" gekennzeichneten Druckverlauf in der Gegenrichtung (34).
15 zeigt die entsprechenden Druckverläufe für einen Grunddruck von 18 mbar. Eine Umkehrung der Laufrichtung der rotierenden s-förmigen Scheibe (30), die beispielsweise als ein Schaufelrad ausgebildet sein kann, hat keine oder nur eine geringe Auswirkung auf das resultierende Drucksignal.
Gemäß der Ausführungsform in 16 erfolgt zur Vorgabe des modulierten Drucksignales die Anwendung einer Wirbelstrominduktion. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird hierbei neben einem Hufeisenmagneten (36) eine Aluminiumscheibe (37) angeordnet. Der Hufeisenmagnet (36) ist mit einem Rotationsantrieb (38) gekoppelt. Die beiden Pole der Schenkel des Hufeisenmagnetes (36) sind der Aluminiumscheibe (37) gegenüberliegend angeordnet, beim Ausführungsbeispiel gemäß 16 unterhalb der Aluminiumscheibe (37). Die Aluminiumscheibe (37) ist rotationsfähig gelagert. Aufgrund der Wirbelstrominduktion in der Aluminiumscheibe (37) erfolgt eine Mitnahme der Aluminiumscheibe (37) in der Rotationsrichtung des Hufeisenmagneten (36).
Für die Rotationsbewegung der Aluminiumscheibe (37) ist ein Anschlag vorgesehen. Bei einer Umkehrung der Rotationsrichtung des Hufeisenmagneten (36) wird die Aluminiumscheibe (37) gegen einen weiteren Anschlag geführt. Der Bewegungsbereich der Aluminiumscheibe (37) ist somit von zwei Anschlägen begrenzt. Die Kombination der beiden Rotationsrichtungen des Hufeisenmagneten und der beiden Anschläge bewirkt eine Umschaltbarkeit der Positionierung der Aluminiumscheibe (37). Den unterschiedlichen Positionierungen der Aluminiumscheibe (37) ist durch eine entsprechende Formgebung ein unterschiedlicher Strömungswiderstand zugeordnet.
17 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Rotationsantrieb (38) die Aluminiumscheibe (37) in eine Rotationsbewegung versetzt und der Hufeisenmagnet (36) drehbeweglich gelagert ist, wobei hier die Drehbewegung des Hufeisenmagneten (36) von zwei Anschlägen begrenzt ist. Es liegt somit das umgekehrte Wirkprinzip zur Ausführungsform gemäß 16 vor.
18 zeigt eine weitere Ausführungsform nach dem Funktionsprinzip einer Wirbelstrombremse. Die Aluminiumscheibe ist hierbei zwischen die beiden Schenkel (39, 40) des Hufeisenmagneten (36) geführt. Die Aluminiumscheibe ist mit dem Rotationsantrieb (38) verbunden. Die Feldlinien des Hufeisenmagneten (36) laufen im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Aluminiumscheibe (37). Die Rotationsbewegung der Aluminiumscheibe (37) wird hierdurch gebremst, da die induzierten Ströme zu magnetischen Kräften führen, die der Bewegungsrichtung entgegengesetzt sind. Aufgrund der drehbaren Anordnung des Hufeisenmagneten (36) wird dieser von der Drehbewegung der Aluminiumscheibe (37) mitgenommen und wiederum gegen einen Anschlag geführt. Bei einer Änderung der Rotationsrichtung der Aluminiumscheibe (37) wird der Hufeisenmagnet (36) gegen einen weiteren Anschlag geführt. Hierdurch werden wieder zwei Endpositionierungen bereitgestellt. Die beiden Endpositionierungen des Hufeisenmagneten (36) sind wiederum unterschiedlichen Strömungswiderständen eines Strömungsweges, beispielsweise durch Einstellung von Drosselelementen, zugeordnet.
19 zeigt eine gerätetechnische Ausführung des Wirbelstromprinzips nach 18. Der Rotationsantrieb (38) ist hierbei unterhalb einer Trägerplatte (41) angeordnet, die auch das Rotationslager und die Anschläge für die Drehbewegung des Hufeisenmagneten (36) haltert.
20 zeigt eine technische Ausführungsform eines Ausführungsbeispiels zur Verwendung eines bistabilen Hubmagnetes (42). In einer Schalldämmbox (43) ist hierbei die Gasversorgungseinrichtung (1) angeordnet und leitet das Atemgas durch labyrinthartige Strömungswege (44). Im Strömungsweg ist eine von einem Antrieb (35) in Rotation versetzte Scheibe (30) angeordnet. Im Auslaß (32) der Leitung für einen Leckageflow (31) ist ein Verschluß (45) positionierbar angeordnet, der vom Hubmagneten (42) positioniert wird. Der Hubmagnet gibt insbesondere eine geschlossene und eine geöffnete Positionierung der Leitung (31) vor.
Das Grundprinzip der Ausführungsform gemäß 20 ist in 21 nochmals vereinfacht dargestellt. Der konstruktive Aufbau läßt sich unter Verwendung eines einfachen Hubmagneten realisieren, vorteilhaft ist jedoch die Verwendung eines bistabilen Hubmagneten, da hierdurch eine kontinuierliche Leistungsaufnahme einer Steuerspule des Hubmagneten (42) vermieden wird und Energie lediglich für eine Positi onsveränderung erforderlich ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 21 ist die Leitung (31) für den Leckageflow mit zwei Auslässen versehen, von denen lediglich der größere Auslaß (32) vom Verschluß (35) vorgebbar verschließbar ist. Der zweite Auslaß ist permanent geöffnet.
Generell können zum Antrieb der rotierenden Scheiben (30) oder anderer rotierender Elemente zur Generierung eines modulierten Drucksignales Synchronmotoren, Schrittmotoren oder als Schrittmotor betriebene Synchronmotoren verwendet werden.
Alternativ oder ergänzend zu den vorstehend erläuterten Anwendungsbeispielen für modulierte Drucksignalen werden nachfolgend kurz weitere Anwendungsfelder erläutert. Generell ist es möglich, entsprechende druckmodulierte Signale an diversen Stellen in den Körper einzuleiten. Die Einleitung in den Bereich der Atemwege stellt lediglich eine bevorzugte Anwendung dar. Ein Antwortsignal auf die Anregung des Körpers durch das druckmodulierte Signal kann an einer Vielzahl von Erfassungsstellen registriert werden. Beispielsweise können die Pulsfrequenz, die Pulsamplitude oder Hautreaktionen erfaßt werden. Eine bevorzugte Anwendung ist die Registrierung eines Antwortsignals nach einem Ausgang aus den Atemwegen. Auch bei den allgemeinen Anwendungen können kontinuierliche oder nicht kontinuierliche Anregungen und/oder Erfassungen von Antwortsignalen erfolgen. Oszillierende Drucksignale stellen lediglich eine bevorzugte Anwendung der modulierten Drucksignale dar.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für modulierte Drucksignale besteht in einer Erkennung von Mundleckagen bei der Durchführung von Beatmungen. Mundleckagen bedeuten für die beatmete Person eine erhöhte Austrocknung der Atemwege und so mit einen erhöhten apparativen Bedarf für eine Anfeuchtung des Atemgases. Bei einem Erkennen von Mundleckagen erweist es sich in der Regel als zweckmäßig, für die Durchführung von Beatmungen eine Vollgesichtsmaske zu verwenden.
Weitere Anwendungsgebiete für modulierte Drucksignale sind die Artefakterkennung sowie die Erkennung von Schluck- oder Sprechvorgängen.
Gemäß einer weiteren Variante zur Bereitstellung von modulierten Drucksignalen erfolgt die Modulation nicht durch externe Signale, sondern in Abhängigkeit von meßtechnisch erfaßten Körpersignalen der beatmeten Person. Dies können beispielsweise Herzschlag oder Atmung sein.
Bei einer Anwendung von druckmodulierten Signalen bei sogenannten Bilevel-Beatmungen erfolgt bei einem Auftreten einer obstruktiven Apnoe eine Druckanhebung. Hierdurch erhöht sich der Differenzdruck zwischen dem angehobenen Druck und dem nicht veränderten zweiten Druck. Bei einem Auftreten einer zentralen Apnoe werden vorteilhafterweise beide Druckniveaus angehoben.
Unter Verwendung von modulierten Drucksignalen ist es möglich, die Impedanz der Atemwege zu ermitteln. Dies erfolgt über die Auswertung von Amplitude und Phasenwinkel der Signale.
Bei der Durchführung von invasiven Beatmungen können über die Auswertung von modulierten Drucksignalen das Vorliegen von Leckagen erkannt und entsprechende Alarme ausgelöst werden. Derartige Anwendungen sind auch bei der Durchführung von nicht invasiven Beatmungen denkbar.
Die meßtechnische Erfassung von modulierten Drucksignalen sowie des Flows kann über unterschiedliche Sensoren durchgeführt werden. Beispielhaft werden Piezosensoren, Thermosensoren, optische Sensoren sowie akustische Sensoren genannt. Weitere Anwendungen für modulierte Drucksignale bestehen in der meßtechnischen Erfassung der Resistance der Lunge sowie der Erkennung von Atemtätigkeiten und Atemphasen. Bei einer meßtechnischen Erfassung der Compliance können aus den modulierten Drucksignalen Differenzen zwischen einem oberen und einem unteren Druck erfaßt werden.
Schließlich ist es möglich, modulierte Drucksignale zur Stimulation von Rezeptoren zu verwenden. Insbesondere hinsichtlich der Sensibilität des Pharynx und des Auslösens eines Reflexbogens. Es erfolgt hierdurch eine refektorische muskuläre Schienung der Atemwege. Bei einer Messung der Impedanz der Lunge ist es möglich, aus den Drucksignalen die Atemarbeit zu bestimmen und hierdurch Atemanstrengungen und eine Bestimmung des Atemantriebes durchzuführen.
Der Begriff der Gasversorgungseinrichtung umfaßt bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen den gesamten Bereich der Atemgasbereitstellung, Atemgasweiterleitung, Atemgasapplikation, Atemgasleitung sowie sämtliche Strömungswege des Atemgases im Bereich der beatmeten Person.

Claims

verfahren zur Erzeugung eines modulierten Druckverlaufes innerhalb einer Gasversorgungseinrichtung, bei dem einem Basisdruck mindestens ein variierender Druck überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der variierende Druck mindestens zeitweilig mit einer konstanten Frequenz oszilliert und daß einer Auswertungseinheit sowohl mindestens ein zum variierenden Druck korrespondierender Parameter als auch mindestens ein im Bereich der Gasversorgungseinrichtung meßtechnisch erfaßter vom modulierten Druckverlauf abhängiger Antwortparameter zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine periodische Signalauswertung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aperiodische Signalauswertung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulation des Volumenstromes durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Subtraktion eines Volumenteiles durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Addition eines Volumenteiles durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine rechnerische Verknüpfung mindestens zweier Parameter die Impedanz mindestens eines Atemgasströmungsweges bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine rechnerische Verknüpfung mindestens zweier Parameter die Impedanz mindestens eines Atemgasströmungsweges bestimmt und aus der Impedanz eine Atemarbeit bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auswertung von modulierten Drucksignalen Steuerparameter für ein Beatmungsgerät generiert werden und daß eine optimierte Drucksteuerung in Abhängigkeit von den ermittelten Parametern durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auswertung von modulierten Drucksignalen Steuerparameter für ein Beatmungsgerät generiert werden und daß unter Berücksichtigung der Steuerparameter die Gerätesteuerung zur Verminderung einer Atemarbeit durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung eines modulierten Druckes innerhalb einer Gasversorgungseinrichtung, die eine Gasquelle zur Bereitstellung eines Basisdruckes sowie mindestens einen Aktor zur Generierung eines variablen Druckes aufweist und bei der eine Überlagerung des Basisdruckes und des variierenden Druckes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertungseinheit zur Verknüpfung mindestens eines zum variierenden Druck korrespondierenden Parameters mit mindestens einem vom modulierten Druckverlauf abhängigen Antwortparameters ausgebildet ist und daß im Bereich der Gasversorgungseinrichtung (1) mindestens ein Sensor zur meßtechnischen Erfassung des Antwortparameters angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als eine Linearpumpe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als eine rotierende Scheibe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als ein freischwingender Kolben ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als ein rotierender Schrittmotor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als eine s-förmige Drehscheibe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als ein Wirbelstromgenerator ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als ein bistabiler Hubmagnet ausgebildet ist.