DE102005054094A1

DE102005054094A1 - Vorrichtung zur Beatmung

Info

Publication number: DE102005054094A1
Application number: DE102005054094A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Heinrich
Original assignee: Loewenstein Medical Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Loewenstein Medical Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2004-12-04
Filing date: 2005-11-12
Publication date: 2006-06-08

Abstract

Die Vorrichtung zur Beatmung weist eine mit einer Beatmungsmaske verbindbare Druckgasquelle sowie eine Steuerung für die Druckgasquelle auf. Die Druckgasquelle ist mit einem an die Steuerung angeschlossenen und elektrisch gespeisten Motor versehen. Der Motor weist eine Mehrzahl von Wicklungen auf. An die Wicklungen ist eine Auswerteeinheit angeschlossen, die eine generatorisch erzeugte Spannung der Wicklungen meßtechnisch erfaßt und in mindestens ein Positionssignal konvertiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beatmung, die eine mit einer Beatmungsmaske verbindbare Druckgasquelle sowie eine Steuerung für die Druckgasquelle aufweist und bei der die Druckgasquelle einen an die Steuerung angeschlossenen und elektrisch gespeisten Motor aufweist, der mit einer Mehrzahl von Wicklungen versehen ist.

Als elektrisch gespeiste Motoren für Druckgasquellen im Bereich von Beatmungsgeräten werden häufig gleichstromgespeiste Drehfeldmotoren verwendet. Die Wicklungen des Drehfeldmotors werden hierbei in geeigneter Taktung in Umdrehungsrichtung umlaufend mit Gleichströmen gespeist. Es wird hierdurch ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, so daß eine Rotation des Motors ähnlich wie bei drehstromgespeisten Motoren erreicht wird.

Bei der Verwendung von elektrisch gespeisten Motoren für Beatmungsgeräte liegt ein besonderes Problem darin, daß ein geringes Baugewicht bei gleichzeitig geringer Geräuschentwicklung und hoher Zuverlässigkeit erreicht werden soll. Darüber hinaus wird angestrebt, die Herstellungskosten möglichst zu minimieren. Die bislang bekannt gewordenen elektrisch gespeisten Motoren für Beatmungsgeräte sind noch nicht in der Lage, alle vorstehend aufgeführten Anforderungen in optimaler kombinatorischer Art und weise zu erfüllen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß mit geringen Herstellungskosten ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die Wicklungen eine Auswertungseinheit angeschlossen ist, die eine generatorisch erzeugte Spannung der Wicklungen meßtechnisch erfaßt und in mindestens ein Positionssignal konvertiert.

Durch die meßtechnische Erfassung der generatorisch erzeugten Spannungen der Wicklungen ist es möglich, aus der Relation der von den einzelnen Wicklungen erzeugten Spannungen relativ zueinander ein sehr genaues Positionssignal hinsichtlich des Rotors des Motors bereitzustellen. Es wird deshalb die Verwendung von Positionssensoren und die Umwandlung der entsprechenden Sensorsignale in Positionsinformationen vermieden. Es kann hierdurch mit reduziertem wirtschaftlichen Aufwand eine hohe Positioniergenauigkeit des Motors und damit eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet werden.

Eine typische Ausführungsform wird dadurch bereitgestellt, daß die Druckgasquelle im Bereich eines Beatmungsgerätes zur CPAP-Beatmung angeordnet ist.

Darüber hinaus ist auch daran gedacht, daß die Druckgasquelle im Bereich eines Beatmungsgerätes zur BiPAP-Beatmung angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Druckgasquelle im Bereich eines Beatmungsgerätes zur Heimtherapie-Beatmung angeordnet ist.

Zur Ermöglichung eines Motoranlaufes ohne meßtechnisch erfaßbare generatorische Spannungen ist vorgesehen, daß die Steuerung mit einer Anlaufsteuerung versehen ist.

Bei einer, zur Bereitstellung von generatorischen Spannungen, ausreichenden Drehzahl des Motors erfolgt ein weiterer Betrieb dadurch, daß eine Ablaufsteuerung zur Umschaltung einer Startsequenz auf eine Eigenkommutierung verwendet ist.

Eine verbesserte Motoransteuerung kann dadurch bereitgestellt werden, daß ein Schaltregler zur Regelung der Spannung vor einer Transistorendstufe verwendet ist.

Für eine genaue und störungssichere Positionserfassung erweist es sich als vorteilhaft, daß von einer Kommutierungssteuerung eine Erfassung eines Nulldurchganges der generatorisch erzeugten Spannung realisiert ist.

Eine weitere Wirkungsgradverbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß der Schaltregler als getakteter Vorregler ausgebildet ist.

Eine einfache meßtechnische Erfassung wird dadurch unterstützt, daß die Kommutierungssteuerung zur Erfassung der generatorisch erzeugten Spannung an einer zum Erfassungszeitpunkt stromlosen Wicklung des Motors ausgebildet ist.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Beatmungsgerätes mit Verbindungsschlauch einer Beatmungsmaske,
2 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Motoransteuerung und
3 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Wicklungsanordnung eines dreiphasigen Motors.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zur Beatmung. Im Bereich eines Gerätegehäuses (1) mit Bedienfeld (2) sowie Anzeige (3) ist in einem Geräteinnenraum eine Atemgaspumpe angeordnet. Über eine Kopplung (4) wird ein Verbindungsschlauch (5) angeschlossen. Entlang des Verbindungsschlauches (5) kann ein zusätzlicher Druckmeßschlauch (6) verlaufen, der über einen Druckeingangsstutzen (7) mit dem Gerätegehäuse (1) verbindbar ist. Zur Ermöglichung einer Datenübertragung weist das Gerätegehäuse (1) eine Schnittstelle (8) auf.
Im Bereich einer dem Gerätegehäuse (1) abgewandten Ausdehnung des Verbindungsschlauches (5) ist ein Ausatmungselement (9) angeordnet. Ebenfalls kann ein Ausatemventil verwendet werden.
1 zeigt darüber hinaus eine Beatmungsmaske (10), die als Nasalmaske ausgebildet ist. Eine Fixierung im Bereich eines Kopfes eines Patienten kann über eine Kopfhaube (11) erfolgen. Im Bereich ihrer dem Verbindungsschlauch (5) zugewandten Ausdehnung weist die Beatmungsmaske (10) ein Kupplungselement (12) auf.
2 zeigt eine für das Beatmungsgerät in 1 vorgesehene Druckgasquelle (13), die von einem Motor (14) angetrieben ist. Typischerweise ist die Druckgasquelle (13) als ein Gebläse ausgebildet.
Der Motor (14) ist als ein mehrphasiger Motor realisiert. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Motor (14) als dreiphasiger Motor (13) ausgebildet. Der Motor (14) ist an eine Steuerung (15) angeschlossen, die eine elektrische Speisung des Motors (14) durchführt. Eine unmittelbare Speisung des Motors (14) erfolgt durch eine Transistorendstufe (16), deren Eingänge an eine Kommutierungssteuerung (17) sowie einen Schaltregler (18) angeschlossen sind. Sowohl die Kommutierungssteuerung (17) als auch der Schaltregler (18) sind an eine Ablaufsteuerung (19) angeschlossen, die insbesondere eine Startsequenz für die Kommutierungssteuerung (17) bei einem Anlauf des Motors (14) vorgibt.
Die Transistorendstufe (16) ist über eine Anzahl von Versorgungsleitungen (20) mit dem Motor (14) verbunden, die der Anzahl der Phasen des Motors (14) entspricht. An die Versorgungsleitungen (20) sind Meßleitungen (21) angeschlossen, die mit der Kommutierungssteuerung (17) verbunden sind und zur Weiterleitung von generatorischen Spannungen dienen, die vom Motor (14) erzeugt werden und die von der Kommutierungssteuerung (17) zur Positionserfassung des Motors (14) ausgewertet werden.
3 veranschaulicht, daß gemäß einem Ausführungsbeispiel für den dreiphasigen Motor (14) nach 2 an die Versorgungsleitungen (20) drei Wicklungen (22) in Dreiecksschaltung verwendet sind. Die Wicklungen (22) werden jeweils umlaufend aufeinanderfolgend von der Transistorendstufe (16) mit Versorgungsspannungen beaufschlagt. Eine Beaufschlagung der einzelnen Wicklung (22) kann hierbei zeitweise überlappend erfolgen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Beatmungsgerät über eine Kopplung mit einem Verbindungsschlauch verbindbar. Im Bereich einer dem Gerätegehäuse abgewandten Ausdehnung des Verbindungsschlauches ist ein Anwender-Interface angeordnet, das als Nasalmaske ausgebildet sein kann. Zur Befeuchtung des vom Beatmungsgerät geförderten Atemfrischgases kann ein Atemluftbefeuchter in den Luftweg eingebracht werden.
Im Bereich des Gerätegehäuse befindet sich ein Bedienfeld für die Anwenderinformation und/oder Anwendersteuerung. Bevorzugt ist die Vorrichtung tragbar, wiegt weniger als 4 Kg und verfügt optional über eine Energieversorgung, die zumindest eine Funktion der Vorrichtung für mehr als 2 Stunden aufrecht erhält, wenn die Vorrichtung nicht über einen Netzstecker mit Energie versorgt wird. Die Mobilität ist durch die zusätzliche Anschlußmöglichkeit an den Zigarettenanzünder eines Fahrzeugs oder an eine entsprechende andere Energieversorgung erweiterbar.
In einem Geräteinnenraum ist eine Atemgaspumpe angeordnet, die als Elektro-Motor mit Lüfterrad ausgeführt ist, dessen Betrieb über eine Motorsteuerung regelbar ist.
Der Betrieb des Motors und dessen Leistungsregelung sind durch die Motorsteuerung regelbar. Die Motorsteuerung berücksichtigt Daten von zumindest einer Sensoreinrichtung. Die Sensoreinrichtung ermittelt zumindest ein mit dem Atemfrischgasstrom in Zusammenhang stehendes Signal. Ein Analysator ermittelt aus dem mit dem Atemfrischgasstrom in Zusammenhang stehenden Signal Inspirationsphasen und Exspirationsphasen.
In zumindest einem Betriebszustand regelt die Motorsteuerung die Lüfterraddrehzahl in Abhängigkeit von der ermittelten Atemphase derart, dass während der Inspirationsphase ein im wesentlichen konstanter positiven Druck aufrecht erhalten wird. Der Motor ist derart ausgelegt, daß durch Drehzahländerung ein Druckbereich von im wesentlichen 0 bis 35 mbar einstellbar ist. Druckänderung werden durch Drehzahländerungen des Lüfterrades realisiert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Änderung des Druckniveaus aufgrund des Auftretens oder Nicht-Auftretens respiratorischer Ereignisse, die über zumindest eine Sensoreinrichtung erfaßt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Änderung des Druckniveaus in Abhängigkeit von den Atemphasen, die über zumindest eine Sensoreinrichtung erfaßt werden. Im Zeitbereich von Inspirationen veranlasst die Motorsteuerung eine Abnahme der Drehzahl des Lüfterrades. Im Zeitbereich von Exspirationen veranlasst die Motorsteuerung eine Zunahme der Drehzahl des Lüfterrades.
Unter Verwendung der Kommutierungssteuerung (17) wird im Bereich des Motors (14) ein umlaufendes Drehfeld erzeugt. Die Wicklungen (22) sind zur Bereitstellung eines leistungsfähigen Magnetfeldes mit Permanentmagneten versehen. Die Wicklungen (22) werden typischerweise im Bereich eines Stators des Motors (14) angeordnet und verursachen eine Drehung eines Rotors des Motors (14), der typischerweise als Permanentmagnet mit einer entsprechenden Polteilung ausgebildet ist. Der Motor (14) ist mindestens zweiphasig ausgebildet, es kann aber auch eine höherphasige Realisierung, beispielsweise dreiphasig oder vierphasig, vorgesehen sein.
Unter Verwendung der Meßleitungen (21) wird die durch die jeweilige Rotorposition beeinflußte generatorische Spannung im Bereich der Wicklungen (22) erfaßt. Aus dieser generatorischen Spannung kann auf die Positionierung rückgeschlossen und hierdurch eine positionsabhängige Weiterschaltung der Spannungsversorgung der Wicklungen (22) gesteuert werden. Die Positionserfassung des Rotors erfolgt somit sensorlos und trotzdem mit hoher Genauigkeit.
Die von den Wicklungen (22) erzeugte generatorische Spannung setzt voraus, daß eine Drehung des Rotors bereits vorliegt. Bei einem Anlaufen des Motors (14) kann eine Steuerung aufgrund der meßtechnisch erfaßten generatorischen Spannungen somit nicht mit ausreichender Qualität durchgeführt werden. Es wird deshalb von der Ablaufsteuerung (19) für einen Anlauf des Motors (14) eine Startsequenz bereitgestellt und an die Kommutierungssteuerung (17) übermittelt. Die Startsequenz ersetzt somit bei einem Anlauf des Motors (14) die bei einer Rotation des Motors (14) über die Meßleitungen (21) bereitgestellten Meßsignale.
Durch die Kombination der Transistorendstufe (16) mit einem Schaltregler (18) ist es möglich, eine Spannungsregelung bereits vor der Transistorendstufe (16) durchzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, die Transistorendstufe (16) mit einer verringerten Baugröße sowie einer verringerten Leistungsaufnahme zu realisieren. Es wird hierdurch insbesondere auch weniger Wärme innerhalb des Gerätegehäuses (1) erzeugt.
Durch die realisierte Konstruktion lassen sieh eine Reihe von Vorteilen erreichen. Es liegt eine einstellbare und regelbare Drehzahl vor und es werden geringe Geräuschemissionen, geringe Drehmomentschwankungen sowie ein geringer Körperschall erreicht. Durch eine geringe Versorgungsspannung und einen hohen Wirkungsgrad können geringe Verluste im Motor gewährleistet werden. Alternativ ist die Versorgungsspannung als Gleichspannung ausgeführt. Dadurch entfallen Ummagnetisierverluste und es werden ein hoher Wirkungsgrad sowie geringe Verluste im Motor realisiert. Durch die Bereitstellung eines rückgeführten Systems wird ein sicherer Lauf ermöglicht. Es werden Resonanzen bei verschiedenen Drehzahlen vermieden und ein sicherer Lauf auch bei Lastwechsel/Drehmomentschwankungen wie sie typischerweise in einem Beatmungsgerät vorliegen, kann auch bei hohen Drehzahlen erreicht werden. Der sichere Lauf liegt auch bei einer Veränderung der Drehmomente durch Alterung, Verschmutzung oder Bauteiltoleranzen vor.
Als Motor (14) können bürsten- und sensorlose Gleichstrommotoren sowie Synchronmotoren verwendet werden. Der Rotor ist mit Permanentmagneten ausgestattet und die Wicklungen (22) sind im Bereich des Stators angeordnet. Die Wicklungen (22) können im Dreieck-, Stern- oder Ringschaltung angeordnet werden.
Bei einem dreiphasigen Motor liegt ein Phasenversatz der Ansteuersignale um 120° Grad vor. Der Phasenversatz ergibt sich hierbei jeweils aus dem Quotienten von 360° Grad sowie der Anzahl der Wicklungen.
Eine vorteilhafte Positionserfassung des Rotors kann durch eine Erfassung des Nulldurchganges der Spannung an der jeweils stromlosen Wicklung (22) erfolgen. Unter Verwendung der Startsequenz erfolgt ein Betrieb des Motors (14) bei einem Anlauf zunächst als Schrittmotor oder als umrichtergespeister Synchronmotor. Nach der Durchführung des Anlaufvorganges erfolgt der Betrieb als sensorloser und kollektorloser Gleichstrommotor.
Die Zeitdauer für das Anliegen der Startsequenzen der Kommmutierungssteuerung kann durch folgende Gleichung ermittelt werden: tb = (Jtot·2·Π·α·f)/(360°·Mb102) Jtot = Jmot + JLüfterrad α = 360°/(2·Ph·Pp)

J_tot: = Gesamtträgheitsmoment [kgm²]
f: = Übergabefrequenz [Hz]
α: = Drehwinkel [Grad]
M_b: = Motorbeschleunigungsmoment [Nm]
P_h: = Anzahl der Phasen
P_p: = Anzahl der Polpaare

Durch die Verwendung des Schaltreglers (18) zur Durchführung einer Vorregelung werden geringere Magnetisierungsverluste erreicht und somit ein besserer Wirkungsgrad unterstützt.

Claims

Vorrichtung zur Beatmung, die eine mit einem Patienteninterface verbindbare Druckgasquelle sowie eine Steuerung für die Druckgasquelle aufweist und bei der die Druckgasquelle einen an die Steuerung angeschlossenen und elektrisch gespeisten Motor aufweist, der mit einer Mehrzahl von Wicklungen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Wicklungen (22) eine Auswertungseinheit angeschlossen ist, die eine generatorisch erzeugte Spannung der Wicklungen (22) meßtechnisch erfaßt und in mindestens ein Positionssignal konvertiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgasquelle (13) im Bereich eines Beatmungsgerätes zur CPAP-Beatmung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgasquelle (13) im Bereich eines Beatmungsgerätes zur BiPAP-Beatmung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgasquelle (13) im Bereich eines Beatmungsgerätes zur Heimtherapie-Beatmung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung mit einer Anlaufsteuerung versehen ist, die den Motor während der Beschleunigung als Schrittmotor/Synchronmotor betreibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablaufsteuerung (19) zur Umschaltung einer Startsequenz auf eine Eigenkommutierung verwendet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgabe der Beschleunigung des Motors durch die Startsequenz so gestaltet ist, dass die Umlauffrequenz nur dann erhöht wird, wenn durch die Erhöhung der Frequenz die maximal zulässige Beschleunigung nicht überschritten wird, dass nach einer bestimmten Zeit die Vorgabe einer Umlauffrequenz beendet wird und daß nach Beendigung der Vorgabe eines Drehfeldes durch die Steuerung durch das Erreichen von Schaltschwellen ein logisches Signal entsteht, welches dann dazu führt, dass in dem Stator ein dem Rotor voreilendes Feld erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung der Startsequenz, kein μController an der Erzeugung eines Drehfeldes für den Motor beteiligt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Motors nicht abgetastet oder als Grundlage für eine Weiterverrechnung dient, sondern dass allein das Erreichen einer Schaltschwelle ausreicht, um ein neues Logisches Signal zu erzeugen, welches eine Weiterschaltung des Drehfeldes generiert, wobei die Umwandlung der Motorspannung in eine logische Kombination nur einen Operationsverstärker/Comparator pro Phase benötigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich zur Ansteuerung der Motorendstufe (6 Transistoren) vor der Endstufe ein elektronischer Baustein befindet, der eine programmierbare Logik enthält (GAL, FPGA, PAL, PROM) oder eine logische Schaltung, deren Ausgangssignale nur durch die Veränderung der logischen Eingangskombination nach Anspruch 8, während des Eigenkommutierungsbetriebes, sich ändern können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterschaltung des Statorfeldes mit einem Winkel von 360°/nP (nP = Anzahl der Phasen) erfolgt und nicht wie üblich mit einem Winkel von 360°/2·nP.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Eigenkommutierungsbetriebes jeder Transistor der Endstufe nur eine Sequenz von Leitend/Sperrend pro Umdrehung beschreibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltregler (18) zur Regelung der Spannung vor einer Transistorendstufe (16) verwendet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Motors durch die Höhe der Ausgangsspannung des Schaltreglers verändert werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Kommutierungssteuerung (17) eine Erfassung eines Nulldurchganges der generatorisch erzeugten Spannung realisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler (18) als getakteter Vorregler ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungssteuerung (17) zur Erfassung der generatorisch erzeugten Spannung an einem, zum Umschaltzeitpunkt, stromlosen Wicklungsanschluss (22) des Motors (14) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Versorgungsspannung für den Motor (14) als Gleichspannung ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Beatmung, die eine mit einem Patienteninterface verbindbare Druckgasquelle sowie eine Steuerung für die Druckgasquelle aufweist und bei der die Druckgasquelle einen an die Steuerung angeschlossenen und elektrisch gespeisten Motor aufweist, der mit einer Mehrzahl von Wicklungen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Motors (14) durch eine Transistorendstufe (16) erfolgt.