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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 zum Betreiben einer Beatmungsvorrichtung. Sie betrifft ferner
eine Beatmungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Bei
der druckunterstützten
oder druckkontrollierten Beatmung von Patienten ist es bislang nicht
möglich,
den Verlauf des Beatmungsdrucks über
der Zeit sowie die Dauer des inspiratorischen Beatmungshubs automatisch
an die individuelle Atemmechanik des Patienten und insbesondere
an dessen pulmonale Erkrankungen bzw. Einschränkungen anzupassen.
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Eine
solche Anpassung an das pulmonale Krankheitsbild des Patienten wäre jedoch
wünschenswert,
da sich die Atem- bzw. Lungenmechanik bspw. eines COPD-Patienten
von jener eines ARDS-Patienten mit Auswirkung auch auf eine optimale
maschinelle Beatmung unterscheidet. So ist bspw. die Compliance
eines COPD-Patienten vergleichsweise hoch, während ARDS-Patienten eine vergleichsweise
niedrige Compliance aufweisen.
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Für COPD-Patienten
ist es vorteilhaft, sie zur Überwindung
resistiver Widerstände
mit einem anfänglich
hohen Atemwegsdruck und erst in einem späteren Stadium der Inspiration
mit vergleichsweise niedrigem Druck zu beatmen Diese Patienten benötigen zur
Exspiration überdurchschnittlich
lange. Zur Gewährleistung
einer ausreichenden Exspiration bei passiver Ausatmung wird die
Inspirationsdauer daher üblicherweise
kurz und der Inspirationsdruck hoch gewählt (siehe 1 und 2).
Bei zu lang gewählten
Inspirationszeiten kann es jedoch zu einer Überblähung der Lunge kommen, insbesondere
bei Beatmung mit Pressure-Support und/oder einem zu unempfindlich
gewählten,
Flow-basierten Cycle-Off Kriterium. Zudem wird häufig eine asynchrone Patiententätigkeit – welche
einer Entlastung der Atemmuskulatur entgegenwirkt – sowie
die Bildung eines intrinsischen PEEP begünstigt. Letzteres ist nachteilig für den Patienten.
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Im
Gegenzug hierzu müssen
ARDS-Patienten behutsam mit hohen Drücken beatmet werden, um einen
hinreichenden Gasaustausch zu erzielen. Der erforderliche Druck
wird dabei üblicherweise
allmählich
auf den maximalen Inspirationsdruck erhöht. Für die Ausatmung wird hingegen
vergleichsweise wenig Zeit benötigt,
da die hohen elastischen Rückstellkräfte das
eingeatmete Gasvolumen rasch austreiben helfen. Daher werden regelmäßig kurze
Exspirationszeiten gewählt,
auch um ein Zusammenfallen rekrutierter Lungenbereiche durch Erzielen
eines beabsichtigten intrinsischen PEEP zu verhindern. Die Beatmung
von ARDS-Patienten führt
jedoch insbesondere bei Anwendung des bei Pressure-Support üblichen
Flow-basierten Cycle-Off Kriteriums zu sehr kurzen Inspirationszeiten
und einer zum Beatmungsmuster asynchronen Patientenaktivität, wie dies 3 zu
entnehmen ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben
einer Beatmungsvorrichtung vorzuschlagen, welche eine gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte Beatmung von Patienten, insbesondere
mit jeweils unterschiedlichen pulmonalen Erkrankungen, ermöglicht. Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine geeignete
Vorrichtung anzugeben.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird gelöst durch
das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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So
wird erfindungsgemäß ein Verfahren
zum Betreiben einer Beatmungsvorrichtung mit einem Inspirationsdruckzeitverlauf,
welcher einen Ziel-Atemwegsdruck
und einen PEEP (positive endexspiratory pressure) aufweist, vorgeschlagen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren
erreicht der Inspirationsdruckzeitverlauf ausgehend von einem Start-Atemwegsdruck,
welcher größer als
der PEEP ist, in rampenartigem Verlauf den Ziel-Atemwegsdruck.
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Erfindungsgemäß wird unter
einer Beatmungsvorrichtung jede Vorrichtung verstanden, welche zur
Beatmung und/oder zur Anästhesie
eines menschlichen oder tierischen Patienten dient.
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Unter
einem rampenartigen Druckverlauf wird im Sinne der vorliegenden
Erfindung eine Abweichung von dem aus der Praxis bekannten, rechteckigen
oder näherungsweise
rechteckigen Druckverlauf bei maschinell unterstützter Inspiration verstanden.
Anders ausgedrückt
wird unter einem rampenartigen Verlauf (im Folgenden auch kurz als „Rampe" bezeichnet) eine
Abweichung insbesondere zu Beginn eines maschinellen Inspirationshubs
verstanden, mittels welcher eine Adaption des Inspirationsdruckverlaufs
an die individuellen pulmonalen Gegebenheiten eines Patienten erfolgt.
Der Begriff „Rampe" ist daher nicht
ausschließlich
als ein Anstieg von einem Druckniveau auf ein höheres Druckniveau zu verstehen,
Rampe kann auch einen Druckabfall von einem höheren auf ein niedrigeres Druckniveau
bedeuten. Dabei ist der grafische Verlauf einer Rampe im Sinne der
vorliegenden Erfindung nicht auf einen linearen, stufenförmigen,
exponentiell verlaufenden oder anders ausgestalteten Kurvenverlauf
beschränkt.
Zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Rampe" auch durch „Druckaufschaltung" ersetzt. Diese Druckaufschaltung
kann sowohl positiver Art sein, also eine Druckerhöhung bedeuten,
als auch negativer Art sein, also eine Druckverringerung bedeuten.
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Ein
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
erzielbarer Vorteil besteht darin, dass durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Annähern
des Beatmungsdrucks von einem Start-Atemwegsdruck auf den gewünschten
Ziel-Atemwegsdruck
mittels rampenartigem Druckverlauf eine Anpassung des Inspirationsdruckzeitverlaufs
an den Patienten und eine ggf. vorliegende pulmonale Erkrankung
möglich
ist. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher
bei druckunterstützter
oder druckkontrollierter Beatmung des Patienten möglich, eine
auf seine pulmonale Erkrankung angepasste Beatmung durchzuführen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind jeweils Gegenstand
der Unteransprüche.
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So
wird in einer bevorzugten Ausführungsform
vorgeschlagen, dass bei der Beatmung nicht nur eine pulmonale Erkrankung
berücksichtigt
wird, sondern die gesamte pulmonale Vorgeschichte und/oder der gesamte
pulmonale Status.
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Während bei
der vorliegenden Erfindung in ihrer oben beschriebenen, allgemeinsten
Form eine Berücksichtigung
einer pulmonalen Erkrankung bereits dadurch berücksichtigt werden kann, dass
an der Beatmungsvorrichtung die Information eingegeben wird, dass
diese oder jene Erkrankung vorliegt und der rampenartige Druckverlauf
entsprechend von Erfahrungen, welche sich bei der Beatmung einer
Vielzahl von Patienten mit derselben Erkrankung als hilfreich herausgestellt
hat, wird der rampenartige Druckverlauf bei der vorliegenden Ausführungsform anhand
des individuell vorliegenden pulmonalen Status festgelegt. Möglichkeiten
der technischen Umsetzbarkeit werden unten detailliert beschrieben.
Ein mit der Erfindung dieser Ausführungsform verbundener Vorteil
besteht in der weiter individualisierten Beatmung des Patienten
sowie jenen, dem Fachmann bereits bekannten, Vorteilen.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass bei der Behandlung bzw. Beatmung des Patienten
eine Soll-Zeitkonstante festgesetzt wird, welche eine gewünschte zeitliche Dynamik
der Füllung
der Lunge angibt. Diese Soll-Zeitkonstante kann vorrichtungsseitig
vom Arzt eingestellt werden, sie kann jedoch auch in der mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
betriebenen Beatmungsvorrichtung hinterlegt sein.
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Die
Soll-Zeitkonstante kann ferner für
unterschiedliche Krankheitsbilder eines zu beatmenden Patienten
vorgehalten werden. Eine für
ein bestimmtes pulmonales Leiden besonders geeignete Soll-Zeitkonstante – welche
bspw. auf Erfahrungswerten früherer
Beatmungen desselben oder anderer Patienten beruht – kann vorrichtungsseitig
hinterlegt sein, so dass es vor Beginn der Beatmung des Patienten
genügen
kann, zu erfahren, welches pulmonale Leiden beim Patienten vorliegt.
Es kann daher genügen,
die Art der pulmonalen Beeinträchtigung
an der Beatmungsvorrichtung oder einer hierzu vorgesehenen Einrichtung
anzugeben.
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In
einem weiteren Schritt dieser Ausführungsform wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine
Zeitkonstante der Lungenmechanik des Patienten ermittelt oder abgeschätzt. Diese
Zeitkonstante der Lungenmechanik kann zudem ebenfalls in Tabellen
nachgeschlagen werden bzw. an der Vorrichtung für verschiedene pulmonale Erkrankungen
eingestellt sein. So kann für
einen ARDS-Patienten eine Zeitkonstante der Lungenmechanik von 0,1
s, für
einen COPD-Patienten von 1,0 s, für einen pulmonal unauffälligen Patienten
von 0,3 s eingestellt oder einstellbar sein. Diese Zeitkonstante
soll – sowie
möglich
und erforderlich – die
tatsächlich
vorliegende Begebenheiten der Lungenmechanik widerspiegeln. Sie gibt
einen Anhaltspunkt darüber,
in welchem Maße der
Beatmungsdruck an vorliegende Umstände angepasst werden muss,
um die Soll-Zeitkonstante
bei der Beatmung umzusetzen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht in dieser Ausführungsform
ferner das Berechnen des rampenartigen Druckverlaufs vor. Der rampenartige Druckverlauf
bzw. die Druckaufschaltung zu jeder Zeit t, wie der rampenartige
Druckverlauf im Rahmen dieser Erfindung auch genannt wird, kann
während der
Inspiration bspw. gemäß der Formel
(1) berechnet werden.
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Soll
eine bestimmte zeitlich Dynamik der Füllung der Lunge vorgegeben
werden, so kann für
den Start-Atemwegsdruck p
aw_Start gelten:
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Damit
ergibt sich für
die Druckaufschaltung Δp
aw:
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Die
Formeln (1) bzw. (3) können
z. B. linear angenähert
werden (Abbruch der Potenzreihenentwicklung der e-Funktion nach
dem ersten Glied), so dass sich ergibt:
bzw.
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Die
Formeln (4) und (5) gelten für
0 ≤ t ≤ τSoll. Liegt
t in einem anderen Bereich, so nimmt die Druckaufschaltung Δpaw den Wert 0 an. Durch die linear angenäherte Druckaufschaltung Δpaw erhält
man eine lineare Rampe, welche allerdings bei einem Druck oberhalb
von PEEP beginnt.
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Zur
Ermittlung der Zeitkonstanten der Lungenmechanik des Patienten wird
in einer weiter bevorzugten Ausführungsform
deren Bestimmung mittels Regressionsverfahren und/oder Okklusionsverfahren
vorgeschlagen. Es können
jedoch auch weitere, hier nicht genannte Verfahren zum Einsatz kommen,
welche dem Fachmann zwar bekannt sind, bislang jedoch nicht im erfindungsgemäßen Kontext verwendet
wurden. Diesbezüglich
wird auf die einschlägige
Literatur verwiesen. Die Zeitkonstante der Lungenmechanik kann jedoch
auch – wie
in einer weiter bevorzugten Ausführungsform
vorgeschlagen wird – an
der Beatmungsvorrichtung oder einer hierfür vorgesehenen Einrichtung
eingestellt werden. Dies ist insbesondere dann von Nutzen, wenn
bspw. für
ein- und denselben Patienten aus vergangenen oder zwischenzeitlich
durchgeführten Beatmungen, oder
von der Beatmung unabhängigen
Untersuchungen die Zeitkonstante der Lungenmechanik bereits bekannt
ist.
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Es
ist aufgrund des oben Diskutierten augenscheinlich, dass die Bestimmung
der Zeitkonstanten der Lungenmechanik einmalig zu Beginn einer Beatmung
oder mehrfach im Laufe einer Beatmung bestimmt werden kann. Letzteres
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich die Zeitkonstante der Lungemechanik
des Patienten aufgrund dessen Umlagerung im Rahmen einer Operation
oder nach Umbettung üblicherweise ändert oder
zumindest ändern kann.
In jeder erfindungsgemäßen Ausführungsform kann
unabhängig
vom Vorliegen weiterer Merkmale eine automatische Bestimmung der
Zeitkonstante der Lungenmechanik vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil,
dass auch ohne Zutun eines Arztes oder Betreuers des Patienten eine
erforderliche oder angemessene Druckaufschaltung ermittelt werden
kann.
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Eine
wiederum weiter bevorzugte Ausführungsform
umfasst den Schritt des Festsetzens des Start-Atemwegdrucks, das
Festsetzen einer Zeitkonstanten zur Bestimmung der Veränderung
des angelegten Inspirationsdrucks und des oben bereits diskutierten
Berechnens des rampenartigen Druckverlaufs. Die Angabe bzw. das
Festsetzen des Start-Atemwegdrucks und das Festsetzen einer Zeitkonstanten,
welche angibt, mit welcher Geschwindigkeit sich der angelegte Inspirationsdruck
verändert, ermöglicht es,
den rampenartigen Druckverlauf auf alternative Weise zu berechnen.
Kenntnisse über
die Zeitkonstante der Atemmechanik der Lunge sind – im Gegensatz
zum oben diskutierten Ausführungsbeispiel – hierzu
nicht erforderlich. Der rampenähnliche, zeitliche
Druckverlauf zwischen dem Start-Atemwegsdruck und dem Ziel-Atemwegsdruck
kann bspw. entsprechend der oben dargestellten Formen (1) oder (4)
ermittelt werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird auch durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7
gelöst.
Da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
alle oben diskutierten Vorteile ungeschmälert erzielt werden können, wird
zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle explizit auf
deren oben stehende Diskussion verwiesen.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die angehängte Zeichnung
detaillierter erläutert,
in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Verläufe oder Elemente bezeichnen.
In der Zeichnung gilt:
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1 zeigt
eine Simulation der druckunterstützten
Beatmung eines COPD-Patienten;
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2 zeigt
eine Simulation wie in 1 mit einer Desynchronisation
zwischen Beatmungsvorrichtung und Patient;
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3 zeigt
eine Simulation der druckunterstützten
Beatmung eines ARDS-Patienten;
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4 zeigt
eine Simulation der druckunterstützten
Beatmung eines COPD-Patienten wie in 1, jedoch
unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5 zeigt
eine Simulation der druckunterstützten
Beatmung eines ARDS-Patienten wie in 3, jedoch
unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 zeigt
den schematischen Verlauf mit rampenartigem Druckverlauf gemäß der vorliegenden
Erfindung bei linearer Rampe bzw. Druckverlauf-Schaltung (6A) und bei exponentieller Rampe (6B); und
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7 zeigt
eine schematisch vereinfachte erfindungsgemäße Vorrichtung.
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1 zeigt
eine Simulation der druckunterstützten
Beatmung eines COPD-Patienten
mit mittlerer Compliance, hohem Widerstand und einem Inspirationsdruckverlauf 1,
wie er in der Praxis üblicherweise
appliziert wird.
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Der
in der oberen Darstellung der 1, in welcher
der Verlauf des Beatmungsdrucks bzw. Inspirationsdrucks oberhalb
PEEP 3 über
der Zeit dargestellt ist, dargestellte hohe intrinsische PEEP 4 erfordert
[DA1] eine hohe Muskelaktivität 5,
welche in der oberen Darstellung der 1 als unterster
Kurvenverlauf gezeigt ist, um jeweils den nächsten getriggerten Atemhub
auszulösen.
Die maschinelle Inspirationszeit 7 ragt weit in die Ausatemphase 9 des Patienten
hinein. 1 zeigt ferner den in der Lunge herrschenden
Druck 11. Die mittlere Darstellung der 1 stellt
den Patienten-Flow bzw. Fluss 13 über der Zeit dar. Die untere
Darstellung der 1 gibt das Gasvolumen 15 innerhalb
der Lunge über
der Zeit an.
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2 zeigt
eine Simulation wie in 1, wobei in 2 zu
erkennen ist, dass es zu einer starken Desynchronisation zwischen
Beatmungsvorrichtung und Patient und zu sogenannten „missing
triggers" kommt.
Sowohl die Simulation der 1 als auch jene
der 2 wurde mit den Parameterwerten Compliance C =
80 ml/mbar und Resistance R = 12 mbar/(l/s) durchgeführt.
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3 zeigt
eine Simulation mit C = 30 ml/mbar und R = 5 mbar/(l/s). einer druckunterstützten Beatmung
eines ARDS-Patienten mit geringer Compliance und mittlerem Widerstand.
Durch das bei Pressure-Support übliche
Flow-basierte Cycle-Off-Kriterium zur Umschaltung von Inspiration nach
Exspiration kommt es zu sehr kurzen Inspirationszeiten. Gleichzeitig
zeigt der Patient inspiratorische Muskelaktivität während der maschinellen Ausatemphase.
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4 zeigt
eine mit den oben für
die 1 und 2 gegebenen Werten für C und
R gefahrene Simulation der druckunterstützten Beatmung eines COPD-Patienten
wie in 1, jedoch unter Anwendung der inspiratorischen
Druckaufschaltung nach Formel (3), wobei τSoll =
0,5 s gewählt
wurde. Die Inspirationszeit wird damit erheblich kürzer, so
dass mehr Zeit zum Ausatmen verbleibt und der intrinsische PEEP
vorteilhaft absinken kann. Bei dem fett markierten Inspirationszyklus
ist eine gegenüber
der gleichen Darstellung in 1 zu erkennende
Erhöhung
des anfänglichen
Inspirationsdrucks (hier Druckaufschaltung 17) zu erkennen.
Diese rampenartige Erhöhung
(bzw. Druckaufschaltung 17) ermöglicht es vorteilhaft, den
COPD-Patienten zu Beginn der Inspiration mit vorübergehend höherem Druck zu beatmen und
hiermit die oben genannten Vorteile zu erzielen, bevor der Druck
auf den Ziel-Atemwegsdruck paw_Ziel abfällt. Im
Vergleich der jeweils oberen Darstellungen der 1 und 4 ist
zu erkennen, dass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wie in 4 die Inspirationszeit vorteilhaft verkürzt ist
und die maschinelle Inspirationszeit 7 nicht mehr merklich
in die Exspirationsphase des Patienten hinein reicht.
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5 zeigt
die Simulation der druckunterstützten
Beatmung eines ARDS-Patienten
wie in 3, jedoch unter Anwendung der inspiratorischen Druckaufschaltung
nach Formel (3) wobei τSoll = 0,5 s gewählt wurde. 5 ist
zu entnehmen, dass die Inspirationszeit erheblich länger als
in 3 ist, so dass mehr Zeit für den Gasaustausch verbleibt.
Die in 3 zu erkennende asynchrone Patientenaktivität ist in
der Darstellung der 5 aufgrund der Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht vorhanden.
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6 zeigt
als 6A den schematischen Verlauf der
inspiratorischen Druckaufschaltung mittels linearer Rampe (6A) bzw. exponentieller Funktion (6B). Aus 6A ist
zu erkennen, dass der Start-Atemwegsdruck paw_Start oberhalb
des Ziel-Atemwegsdrucks paw_Ziel (Fall I.)
aber auch unterhalb des Ziel-Atemwegsdrucks
paw_Ziel erliegen kann, (Fall II.). Entsprechend
steigt der Inspirationsdruckverlauf 1 zu Beginn der dargestellten
Zeitdauer τSoll zunächst
auf paw_Start (Fall I.) an, um nach Ablauf
der Zeitdauer τSoll auf den Ziel-Atemwegsdruck paw_Ziel abzufallen, oder im Falle II. über die
Zeitdauer τSoll hinweg auf den Ziel-Atemwegsdruck paw_Ziel anzusteigen.
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Die
Darstellung der 6A beschreibt den
linearen Anstieg bzw. Abfall vom Start-Atemwegsdruck paw_Start Start
auf den Ziel-Atemwegsdruck paw_Ziel. 6B stellt demgegenüber jenen Fall dar, in welchem
er nach Anstieg bzw. nach Abfall – einer Exponiential-Funktion
folgend – den
Ziel-Atemwegsdruck paw_Ziel annimmt. Die
Zeitkonstante τSoll gibt in. der Darstellung der 6B an, nach Ablauf welcher Zeit in der
grafischen Darstellung eine Tangente (zum Zeitpunkt des Annehmens
des Start-Atemwegsdrucks paw_Start an die
Inspirationsdruckverlaufkurve 1 gelegt) auf dem Druckniveau
des Ziel-Atemwegsdrucks paw_Ziel die Horizontale
schneidet.
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7 zeigt
schematisch vereinfacht eine erfindungsgemäße Beatmungsvorrichtung 21 zum
Beatmen eines Patienten 23. Die Beatmungsvorrichtung 21 weist
eine Einrichtung 25 zum Ausgestalten des Inspirationsdruckzeitverlaufs 1 auf.
Sie weist ferner eine Einrichtung 27 zum Festsetzen einer Soll-Zeitkonstanten τSoll,
eine Einrichtung 29 zum Ermitteln und/oder Einstellen der
Zeitkonstanten τ sowie
einer Einrichtung 31 zum Berechnen des rampenartigen Druckverlaufs
auf.
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Die
Beatmungsvorrichtung 21 kann in weiteren, nicht in den
Figuren wiedergegebenen, Ausführungsformen
eine Einrichtung zur Bestimmung der Zeitkonstanten τ der Lungenmechanik
mittels Regression und/oder Okklusionsmanöver aufweisen. Sie kann ferner
eine Einrichtung zum Festsetzen des Start-Atemwegsdrucks paw_Start, eine Einrichtung zum Festsetzen
einer Zeitkonstanten für
den Anstieg des angelegten Beatmungsdrucks und eine Einrichtung zum
Berechnen des rampenartigen Druckverlaufs unabhängig voneinander aufweisen.
Zudem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 21 eine
Einrichtung zum Applizieren des rampenartigen Druckverlaufs auf.
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Erfindungsgemäß wird somit
erstmals ein Verfahren zum Betreiben einer Beatmungsvorrichtung
mit einem Inspirationsdruckzeitverlauf, welcher einen Ziel-Atemwegsdruck und
einen PEEP aufweist, vorgeschlagen, bei welcher der Inspirationsdruckzeitverlauf
ausgehend von einem Start-Atemwegsdruck paw_Start,
welcher größer als
der PEEP ist, in rampenartigem Druckverlauf den Ziel-Atemwegsdruck paw_Ziel erreicht. Die Erfindung gibt ferner
eine geeignete Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens
an.