DE102007052897A1

DE102007052897A1 - Verfahren zum automatischen Steuern eines Beatmungssystems sowie zugehöriges Beatmungssystem

Info

Publication number: DE102007052897A1
Application number: DE102007052897A
Authority: DE
Inventors: Thomas Handzsuj; Frank Ralfs; Ernst Schubert; Marcus Dr. Eger
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: SE533190C2; SE0801401L; DE102007052897B4; US8950399B2; US20090114224A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Steuern eines Beatmungssystems mit einer Ventilatoreinheit (7), die von einer Steuereinheit (5) gesteuert wird, um einen von der Steuereinheit vorgegebenen Unterstützungsdruck zu liefern, wobei die momentanen Werte des Atemvolumenstroms Flow(t) und die des Volumens V(t) in der Steuereinheit erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) weiter dazu vorbereitet ist, ein proportional unterstützendes Ventilationsverfahren (PAV: Proportional Assist Ventilation) durchzuführen, indem von der Steuereinheit ein Faktor für einen Kompensationsgrad (PPSp) gewählt wird und die Parameter für die Volumenunterstützung (VA) und die Flow-Unterstützung (FA) bestimmt werden durch: VA = PPSp . DeltaE FA = PPSp . DeltaR, wobei DeltaE die Abweichung einer gemessenen oder angenommenen Elastance (Emess) des Patienten von einer idealen Elastance (Eideal) und DeltaR die Abweichung einer gemessenen oder angenommenen Resistance (Rmess) des Patienten von einer idealen Resistance (Rideal) ist und indem daraus von der Steuereinheit der Unterstützungsdruck PS(t) = VA . V(t) + FA . Flow(t) bestimmt und die Ventilatoreinheit (7) so eingestellt wird, um diesen Unterstützungsdruck zu liefern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Steuern eines Beatmungssystems mit einer Ventilatoreinheit, die von einer Steuereinheit so gesteuert wird, um eine von der Steuereinheit vorgegebene Druckunterstützung zu liefern, wobei die momentanen Werte des Atemvolumenstroms Flow(t) und die des Atemvolumens V(t) in der Steuereinheit erfasst werden.
Bei derartigen Verfahren kann entweder der durch das Beatmungssystem zu liefernde Soll-Unterstützugsdruck (PS_soll) vom Bedienungspersonal vorgegeben und eingestellt werden oder von einem in einer Steuereinheit implementierten Expertensystem nach vorgegebenen Abhängigkeiten von bestimmten Messwerten automatisch ermittelt werden. Ein Beispiel ist dann unter dem Namen Smartcare-System der Dräger Medical AG & Co. KG, in dem auf Grundlage von Messwerten für die Atemfrequenz, das Tidalvolumen und die endtidale CO₂-Konzentration nach vorgegebenen und vorprogrammierten Regeln und Algorithmen ein Wert für den Soll-Unterstützungsdruck PS_soll geliefert wird.
Daneben sind proportional unterstützende Verfahren bekannt, bei denen die spontane Atmung des Patienten proportional zu dessen Anstrengung unterstützt wird. Der Grad der Unterstützung ist getrennt nach resistivem und elastischem Anteil einstellbar. Diese Verfahren sind auch unter den Begriffen "proportional assist ventilation" (PAV) und "proportional Pressure support" (PPS) bekannt. Bei diesen Verfahren wird der Volumenstrom (Flow(t)) und das Atemzugvolumen (V(t)) erfasst. Der Grad der Unterstützung wird dann mit vom Anwender einzustellenden Koeffizienten VA (Volume Assist) und FA (Flow Assist) aus den beiden zuvor genannten Messwerten bestimmt, indem der gesamte Unterstützungsdruck als VA·V(t) + FA·Flow(t) berechnet wird. Bei den bekannten Atmungsgeräten, die nach diesem Prinzip der proportionalen Druckunterstützung arbeiten, müssen die Koeffizienten für die Unterstützung FA und VA separat von dem Bedienungspersonal eingegeben werden (siehe z. B. Younes, M.: "Proportional Assist Ventilation" in: Tobin M. J., ed. "Principles and practice of mechanical ventilation", New York, McGraw-Rill, 1994, Seiten 349–369).
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum automatischen Steuern eines Beatmungssystems bereitzustellen, das auf einfache und sichere Weise vom Bedienungspersonal zu betreiben ist und eine optimale Druckunterstützung für den Patienten liefert, und ein entsprechendes Beatmungssystem zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Beatmungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum automatischen Steuern eines Beatmungssystems mit einer Ventilatoreinheit angegeben, die von einer Steuereinheit so gesteuert wird, um einen von der Steuereinheit vorgegebene Unterstützungsdruck an der Patientenzuführung zu liefern, wobei die momentanen Werte des Atemvolumenstroms Flow(t) und die des Atemvolumens V(t) in der Steuereinheit erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit weiter dazu vorbereitet ist, ein proportional unterstützendes Ventilationsverfahren (PAV: Proportional Assist Ventilation) durchzuführen, indem von der Steuereinheit ein Faktor für einen Kompensationsgrad (PPSp) gewählt wird und die Parameter für die Volumenunterstützung (VA) und die Flow-Unterstützung (FA) bestimmt werden durch: VA = PPSp·ΔE FA = PPSp·ΔR, wobei ΔE die Abweichung einer gemessenen oder angenommenen Elastance (E_mess) des Patienten von einer idealen Elastance (E_ideal) und ΔR die Abweichung einer gemessenen oder angenommenen Resistance (R_mess) des Patienten von einer idealen Resistance (R_ideal) ist, und indem daraus von der Steuereinheit der Unterstützungsdruck PS(t) = VA·V(t) + FA·Flow(t) bestimmt und die Ventilatoreinheit (6) so eingestellt wird, um diesen Unterstützungsdruck zu liefern.
Der zu liefernde Unterstützungsdruck ist der an der Patientenzuführung, z. B. am Y-Stück, herrschende Druck, er entspricht in der inspiratorischen Phase dem Atemwegsdruck.
Soweit im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, dass die Steuereinheit zur Ausführung bestimmter Funktionen oder Verfahrensschritte "vorbereitet" ist, bedeutet dies, dass die Steuereinheit, die sich auch mehreren Untereinheiten zusammensetzen kann, schaltungs- und programmtechnisch dazu eingerichtet ist, die vorgesehenen Funktionen und Schritte auszuführen. Diese Vorbereitung oder Einrichtung beinhaltet das Vorhandensein der für die vorgesehenen Funktionen und Schritte geeigneten elektronischen Einrichtungen (Verstärker, AD-Wandler, Signalaufbereitungsschaltungen, Mikroprozessoren, etc.) und von Datenverarbeitungseinrichtungen (Prozessoren und Speicher), die zur Ausführung der vorgesehenen Funktionen und Verfahrensschritte in der dazu notwendigen Weise miteinander verbunden und programmtechnisch so vorbereitet sind, d. h. mit den spezifischen Programmen programmiert sind, um die beschriebenen Funktionen und Verfahrensschritte durch die Steuereinheit ausführen zu lassen. Natürlich kann auch die programmtechnische Vorbereitung der Steuereinheit sich auf verschiedene Untereinheiten verteilen, z. B. eine zentrale Recheneinheit, eine Ventilatorsteuereinheit und ein Programmmodul, das mit einer Vielzahl von vorab einprogrammierten empirischen Regeln aus Eingangsdaten Ausgabewerte liefert (Expertensystem). Die Übergänge zwischen schaltungs- und programmmtechnischer Vorbereitung sind dabei in der Realisierung verschiebbar, da programmtechnische Vorbereitung und Datenverarbeitungsfunktionen auch von festverdrahteten Schaltungen ausgeführt werden können. Die Ausführung und Implementierung der Steuereinheit für die definierten Funktionen kann von Fachleuten ohne weiteres realisiert werden.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Wert für den durch das Beatmungssystem zu liefernden Soll-Unterstützungsdruck P_soll an einer Benutzerschnittstelle der Steuereinheit eingegeben oder dieser von einem in der Steuereinheit implementierten Expertensystem nach vorgegebenen Abhängigkeiten auf Grundlage von Messwerten für das Tidalvolumen, die Atemfrequenz und die endtidale CO₂-Konzentration (etCO₂) bestimmt. Die Steuereinheit ist dann dazu vorbereitet, auf Grundlage einer implementierten Reglerfunktion nach Ablauf von wenigstens einem Atemzyklus einen neuen Wert für den Kompensationsgrad PPSp_neu aus dem bisherigen Wert PPSp und dem Sollwert PS_soll. in der Weise zu bestimmen, dass der repräsentative Unterstützungsdruck <PS>, welcher als zeitlicher Mittelwert, als gewichtetes Mittel, als Median oder als Maximalwert des zeitlichen Verlaufs von PS(t) während der Inspiration über einen Atemzyklus oder mehrere Atemzyklen bestimmt wird, innerhalb mehrerer Atemzyklen den Wert PS_soll zielgenau oder im Mittel über mehrere Atemzyklen erreicht. Besonders bevorzugt wird ein neuer Wert für den Kompensationsgrad PPSp_neu aus dem bisherigen Wert PPSp gemäß PPSp_neu = PPSp + (PS_soll – <PS>)/V_PPS bestimmt, wobei die Verstärkung V_PPS ein Maß für die Änderung des repräsentativen Unterstützungsdrucks <PS> in Relation zur Änderung von PPSp ist, das über einen Atemzyklus oder mehrere aufeinanderfolgende Atemzyklen bestimmt wird.
PPSp kann also mittels einer atemzugbasierten Regelung kontinuierlich so nachgestellt werden, dass ein repräsentativer Wert des sich einstellenden Unterstützungsdrucks während der Inspirationsphase (z. B. der mittlere inspiratorische Druck) über mehrere Atemzüge im Mittel dem Soll-Unterstützungsdruck PS_soll entspricht.
Bei einem proportional unterstützenden Verfahren besteht ein möglicher Ansatz zur Unterstützung darin, die Resistance und die Elastance des Patienten so zu kompensieren, dass sich Verhältnisse wie bei einer gesunden Lunge ergeben. Dies geschieht durch die Einstellung der Werte für die Flow-Unterstützung FA und die Volumenunterstützung VA entsprechend der Differenz zwischen tatsächlicher und idealer Lungenmechanik. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann diese Kompensation auch teilweise erfolgen, indem die Differenz zwischen tatsächlicher und idealer Lungenmechanik nur teilweise, spezifiziert durch einen Faktor für den Kompensationsgrad PPSp korrigiert wird, wobei ein Wert von PPSp von 1 eine 100%-ige Kompensation auf die ideale Lungenmechanik hin bedeutet und PPSp von 0 keine Kompensation bedeutet. Der Kompensationsgrad wird im Regelfall zwischen 0 und 1 (1 bedeutet vollständige Kompensation, 0 keine Kompensation) liegen, kann aber auch größer als 1 werden, wenn über die ideale Lungenmechanik hinaus kompensiert werden soll oder wenn die realen Werte von Elastance und Resistance die angenommenen oder gemessenen übersteigen.
Im Sinne dieser Erfindung kann die Lungenmechanik (R_mess bzw. E_mess) zum einen durch eine Messung ermittelt werden und zum anderen durch eine Abschätzung, die im einfachsten Fall eine Reduktion auf verschiedene Typen von Lungenmechaniken bedeutet. So ist z. B. die Aufteilung in die drei folgenden Typen mit verschiedenen Verhältnissen von Resistance und Elastance sinnvoll, da sie in geeigneter Weise die klinisch vorhandenen Fälle pathologischer Lungenmechanik abdeckt:

1. Restriktiv (Annahme: E_mess = 30 mbar/l, R_mess = 3 mbar/(l/s))
2. Obstruktiv (Annahme: E_mess = 12.5 mbar/l, R_mess = 15 mbar/(l/s))
3. Restriktiv & obstruktiv (Annahme: E_mess = 30 mbar/l, R_mess = 15 mbar/(l/s))

Die Vorgabe des Typs kann direkt durch den Anwender erfolgen oder durch einen Algorithmus vorgeschlagen oder eingestellt werden. Ein solcher Algorithmus könnte auch eine Warnmeldung erzeugen, für den Fall, dass der eingestellte Typ vermutlich nicht mehr den realen Verhältnissen entspricht. Ein möglicher Algorithmus besteht in der Auswertung der respiratorischen Zeitkonstanten, die z. B. aus passiven Phasen der Exspiration gewonnen werden kann (siehe auch: Brunner et. al. „Simple method to measure total expiratory time constant based an the passive expiratory flow-volume curve", Critical Care Medicine. 23(6):1117–1122, June 1995; Morris et. al. „Analysis of expiratory tidal flow Patterns as a diagnostic tool in airflow obstruction", Eur Respir J 1998; 12: 1113–1117). Unter dem Begriff "Zeitkonstante" wird im Zusammhang mit dieser Anmeldung die Zeitkonstante des idealisierten respiratorischen Systems des Patienten verstanden. Sie charakterisiert das Zeitverhalten der Zustandsgrößen (Druck, Flow, Volumen) eines linearen Modells des respiratorischen Systems, welches durch lediglich zwei Parameter, der Resistance und der Elastance, beschreibbar ist. Der Zahlenwert der Zeitkonstanten ist identisch mit der Zeitdauer, die nötig ist, um 63% des vorher eingeatmeten Volumens passiv auszuatmen.
Ist die Zeitkonstante nun bekannt, können unter der Annahme einer vorgegebenen Abhängigkeit zwischen der Resistance und der Elastance von der Zeitkonstanten sinnvolle Werte für Resistance und Elastance bestimmt werden. Etwaige Abweichungen dieser resultierenden angenommenen Werte von den realen Werten der Lungenmechanik fallen bei der Atmungsteuerung kaum ins Gewicht, da die Beatmung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung maßgeblich auf dem Verhältnis der angenommenen Werte Resistance und Elastance basiert.
Zur Vorgabe der Abhängigkeit zwischen der Resistance und der Elastance von der Zeitkonstanten dient die klinisch begründete Annahme, dass sich Patienten mit niedriger Zeitkonstante vornehmlich durch eine normale Resistance und erhöhte Elastance auszeichnen (z. B. bei akutem Lungenversagen), während Patienten mit großer Zeitkonstante eine normale Elastance und erhöhte Resistance aufweisen (z. B. bei chronisch obstruktiven Erkrankungen).
In dem folgenden Ausführungsbeispiel wird der Bereich physiologisch sinnvoller Zeitkonstanten in drei Intervalle aufgeteilt (siehe 1). Für τ < 0.2 s wird eine ideale Resistance (R_mess = 3 mbar/(l/s)) und für τ > 0.65 s eine ideale Elastance (E_mess = 12,5 mbar/(l/s)) angenommen. Für das zwischen diesen Grenzen liegende Intervall wird die Resistance linear interpoliert. Das Ausführungsbeispiel liefert damit für jede (z. B. durch Messung bestimmte) Zeitkonstante einen entsprechenden angenommenen Wert der Resistance und der Elastance. Erfindungsgemäß sind auch andere angenommene Abhängigkeiten zwischen der Resistance und der Zeitkonstanten und zwischen der Elastance und der Zeitkonstanten denkbar. Die basierend auf einer solchen Abhängigkeit resultierenden Resistance- und Elastance-Werte können entweder direkt zur automatischen Atmungsunterstützung verwendet werden oder als Plausibilitätsüberprüfung im Falle einer manuellen Vorgabe des Typs der Patientenlungenmechanik (obstruktiv, restriktiv, obstuktiv & restriktiv) dienen.
Die Verfahrensweise der Atmungsunterstützung soll anhand des folgenden Zahlenbeispiels erläutert werden, wobei hier eine ideale Lungenmechanik mit einer idealen Elastance von E_ideal = 12,5 mbar/l und einer idealen Resistance von R_ideal = 3 mbar/(l/s) angenommen wird:
Gemessene Lungenmechanik Patient:

Emess = 30 mbar/l, Rmess = 10 mbar/(l/s)

Abweichung von idealer Lungenmechanik:

ΔE = (30 – 12,5) mbar/l = 17,5 mbar/l ΔR = (10 – 3) mbar/(l/s) = 7 mbar/(l/s) PPSp = 0,8 (gewählter Kompensationsgrad)

Proportionale Unterstützungsfaktoren:
VA = 0,8 × 17,5 mbar/l = 14 mbar/l FA = 0,8 × 7 mbar/(l/s) = 5,6 mbar/(l/s).
Die ideale Lungenmechanik kann auch mit einer Elastance E_ideal von 0 und einer Resistance R_ideal von 0 angenommen werden, was insbesondere sinnvoll ist, wenn bei dem Patienten ein gestörter Atemantrieb vorliegt. Damit ergibt sich für das obige Beispiel:
Lungenmechanik Patient:

Emess = 30 mbar/l, Rmess = 10 mbar/(l/s)

Abweichung von idealer Lungenmechanik:

ΔE = 30 mbar/l ΔR = 10 mbar/(l/s) PPSp = 0,8 (gewählter Kompensationsgrad)

Proportionale Unterstützungsfaktoren:
VA = 0,8 × 30 mbar/l = 24 mbar/l FA = 0,8 × 10 mbar/(l/s) = 8 mbar/(l/s)
Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Kompensationsgrad iterativ in der Weise eines Reglers so angepasst wird, dass der oben beschriebende Drucksollwert PS_soll zielgenau oder im Mittel über mehrere Atemzyklen erreicht wird. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass ein neuer oder nächster Kompensationsgrad nach einem oder mehreren Atemzyklen gemäß der Formel: PPSpneu = PPSp + (PSsoll – <PS>)/VPPS bestimmt wird, wobei die Verstärkung V_PPS ein Maß für die Änderung des sich ergebenden Unterstützungsdrucks <PS> in Relation zur Änderung von PPSp ist, das über einen Atemzyklus oder mehrere aufeinander folgende Atemzyklen bestimmt wird. Dabei bezeichnet <PS> einen repräsentativen Wert des Zeitverlaufs von PS(t), der z. B. als zeitlicher Mittelwert, als gewichtetes Mittel, als Median oder als Maximalwert des zeitlichen Verlaufs von PS(t) während der Inspiration über einen Atemzyklus oder mehrere Atemzyklen bestimmt werden kann.
Die Verstärkung kann z. B. linear vom Verhältnis der Änderungen abhängig sein: V_PPS = Δ<PS>/dPPSp. Alternativ kann die Verstärkung z. B. aus einem exponenziellen Zusammenhang bestimmt werden: VPPS = Δ〈PS〉/(ek·ΔPPSp – 1)mit z. B. k = 1,823, was dazu führt, dass bei einem ΔPPSp von 0,1 die Verstärkung V_PPS gegenüber dem linearen Ansatz halbiert wird. Ein Beispiel für die Berechnung eines neuen Wertes PPSp ist z. B. durch folgende Zahlenwerte gegeben:
Sollwertunterstützungsdruck

PSsoll = 15 mbar

Istwertunterstützungsdruck:

<PS> = 13 mbar bei PPSp 0,60.

Vorhergehender Unterstützungsdruck:

<PS>alt = 11 mbarbei PPSp 0,50.

Annahme:

lineare Abhängigkeit zur Ermittlung von V_PPS VPPS = (13 mbar – 11 mbar)/(0,60 – 0,50) = 20 mbar PPSpneu = PPSp + (PSsoll – <PS>)/VPPS = 0,60 + 0,10 = 0,70

Diese Berechnung entspricht einem Deadbeat-Regler. Sinnvoll ist auch die Umsetzung eines "Half-Deadbeat-Reglers", bei dem PPSp nur entsprechend der Hälte oder einem anderen Anteil von der Regelabweichung verändert wird – hier also PPSp_neu = 0,65.
Der Wert PPSp_neu wird nach Ablauf eines oder mehrerer Atemzyklen neu berechnet und dann bis zur Neuberechnung konstant gehalten.
V_PPS ist abhängig von der aktuellen Lungenmechanik und der aktuellen Spontanatmungsbemühung. Für die Berechnung der aktuellen Verstärkung wird auch bei einer Begrenzung des Unterstützungsdruckes der unbegrenzte (berechnete) Wert verwendet. Da in diesem Fall keine weitere Unterstützung erfolgt, erhält man kleinere Werte für V_PPS. In der Konsequenz führt das zu einer schnelleren Absenkung von PPSp.
Die Veränderung von PPSp, d. h. die Berechnung von PPSp_neu und die Übernahme dieses neuen Wertes als den aktuellen Wert für PPSp, kann über jedem Atemzug, aber auch über mehrere Atemzüge hinweg erfolgen, genauso wie die PPSp-Verstärkung aus einem Atemzug oder gemittelt über mehrere Atemzüge bestimmt werden kann. Da zu Beginn die Verstärkung V_PPS unbestimmt ist, muss mit einem sinnvollen Startwert für PPSp im ersten Schritt begonnen werden (z. B. PPSp = 0,50) und im zweiten Schritt eine Änderung in fester Größe (z. B. 0,10) mit dem richtigen Vorzeichen verwendet werden.
Für den Fall, dass keine Messwerte für die Lungenmechanik zur Verfügung stehen, werden bei einem Patienten, der als „obstruktiv" eingeschätzt wird, folgende Startwerte angenommen: Emess = 12,5 mbar/l, Rmess = 15 mbar/(l/s) PPSp = 0,50
Abweichungen von der idealen Lungenmechanik:

ΔE = 0 ΔR = 12 mbar/(l/s)

Resultierende Unterstützungsfaktoren:

VA = 0 FA = 0,5 × 12 mbar/(l/s) = 6 mbar/(l/s)

Bei einem Patienten mit einer normalen Lungenmechanik, aber zu geringem Atemantrieb würde die durch den Regler bewirkte Anpassung von PPSp zu einer Überkompensation ("Runaway") führen. Aus diesem Grund wird der Unterstützungsdruckverlauf auf einen in Bezug zum Soll-Unterstützungsdruck stehenden Druckwert begrenzt und damit in diesem Grenzfall ein Verhalten des Beatmungsgerätes wie bei klassischer assistierter Beatmung realisiert. Der Druckbegrenzungswert kann z. B. proportional zum Soll-Unterstützungsdruck oder additiv dazu gewählt werden.
Zur Möglichkeit der Messung von Elastance E und Resistance R wird z. B. auf die anhängige Anmeldung EP 07005690 der Anmelderin verwiesen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen:
1 eine beispielhafte Tabelle und entsprechende Grafik für die vorbestimmte standardmäßige oder typische Abhängigkeit jeweils der Elastance und Resistance von der Zeitkonstanten zeigt, und
2 ein Blockdiagramm für einen Regelkreis illustriert, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Beatmungssystems durchgeführt werden kann.
1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Tabelle, in der die linke Spalte den Bereich der physiologisch sinnvollen Zeitkonstanten und die mittlere und rechte Spalte die vorbestimmten (z. B. empirischen) standardmäßigen Abhängigkeiten jeweils der Elastance und Resistance von der Zeitkonstanten zeigen. Der Bereich der sinnvollen Zeitkonstanten ist gemäß der vorbestimmten standardmäßigen Abhängigkeiten in drei Intervalle aufgeteilt. Für τ < 0.2 s wird eine ideale Resistance (R_mess = 3 mbar/(l/s)) und für τ > 0.65 s eine ideale Elastance (E_mess = 12,5 mbar/(l/s)) angenommen. Für das zwischen diesen Grenzen liegende Intervall wird die Resistance linear interpoliert. Das Ausführungsbeispiel liefert damit für jede Zeitkonstante einen entsprechenden angenommenen Wert der Resistance und der Elastance. Die Grafik visualisiert die in der Tabelle gewählte Abhängigkeit zwischen Resistance und Elastance von der Zeitkonstanten. Umgekehrt macht 1 deutlich, dass aus einer vorab bestimmen Abhängkeit von Elastance und Resistance wie in 1 dargestellt, eine Bestimmung der Zeitkonstanten τ es ermöglicht, durch Umkehrung der graphisch dargestellten Funktionen Werte E_mess und R_mess zu erhalten.
2 illustriert einen Regelkreis zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Beatmungssystems basierend auf einer Steuereinheit 5 und einer Ventilatoreinheit 7. In diesem Ausführungsbeispiel ist in der Steuereinheit 5 ein Expertensystem 6 enthalten. Das Expertensystem liefert auf Grundlage von Messwerten des endtidalen CO₂-Wertes, des Tidalvolumens V_T und der Atemfrequenz f, die eine Ventilatorsteuereinrichtung 3 liefert, einen Sollwert für den Unterstützungsdruck PS_soll.
Die in der Steuereinheit befindliche Reglereinheit 1 liefert aus dem aktuellen repräsentativen Unterstützungsdruck <PS> und dem Soll-Unterstützungsdrucks PS_soll einen neuen Wert für den Kompensationsgrad PPSp_neu. Hierzu wird die Regelabweichung <PS> – PS_soll durch den Verstärkungsfaktor V_PPS dividiert und als Inkrement dem alten Wert des PPSp aufaddiert. In der Recheneinheit 2 werden aus PPSp_neu, den angenommenen oder gemessenen Parametern der Lungenmechanik (R_mess, E_mess) sowie den entsprechenden Idealwerten (R_ideal, E_ideal) die aktuelle Flow-Unterstützung FA und die Volumenunterstützung VA berechnet. Die an die Patientenlunge 4 angeschlossene Ventilatorsteuereinrichtung 3 arbeitet im Beatmungsmodus "PPS" bzw. "PAV" und verwendet die berechneten Werte für FA und VA sowie des gemessenen Volumenstroms Flow(t) und des Atemvolumens V(t), um daraus den aktuellen Wert des Unterstützungsdruckes gemäß PS (t) = VA·V(t) + FA·Flow(t) zu berechnen. Nach Maßgabe dieses Unterstützungsdruckes PS(t) wird dann die Ventilatoreinheit 7 eingestellt, um diesen Unterstützungsdruck zu dem Patienten 4 zu liefern.
Dafür ist eine für Intensivbeatmungsgeräte übliche Messung des Flows in die Patientenlunge 4 notwendig. Die tatsächlichen atemmechanischen Eigenschaften der Patientenlunge werden durch die Parameter R_real und E_real beschrieben. Der Muskeldruck der Atemmuskulatur P_mus reflektiert die Atemanstrengungen des Patienten, auf die das Beatmungsgerät vermittels der Flow-Messung durch Druckunterstützung reagiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 07005690 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Younes, M.: "Proportional Assist Ventilation" in: Tobin M. J., ed. "Principles and practice of mechanical ventilation", New York, McGraw-Rill, 1994, Seiten 349–369 [0003]
- Brunner et. al. „Simple method to measure total expiratory time constant based an the passive expiratory flow-volume curve", Critical Care Medicine. 23(6):1117–1122, June 1995 [0013]
- Morris et. al. „Analysis of expiratory tidal flow Patterns as a diagnostic tool in airflow obstruction", Eur Respir J 1998; 12: 1113–1117 [0013]

Claims

Verfahren zum automatischen Steuern eines Beatmungssystems mit einer Ventilatoreinheit (7), die von einer Steuereinheit (5) gesteuert wird, um einen von der Steuereinheit vorgegebene Unterstützungsdruck zu liefern, wobei die momentanen Werte des Atemvolumenstroms Flow(t) und die des Volumens V(t) in der Steuereinheit erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) weiter dazu vorbereitet ist, ein proportional unterstützendes Ventilationsverfahren (PAV: Proportional Assist Ventilation) durchzuführen, indem von der Steuereinheit ein Faktor für einen Kompensationsgrad (PPSp) gewählt wird und die Parameter für die Volumenunterstützung (VA) und die Flow-Unterstützung (FA) bestimmt werden durch: VA = PPSp·ΔE FA = PPSp·ΔR,wobei ΔE die Abweichung einer gemessenen oder angenommenen Elastance (E_mess) des Patienten von einer idealen Elastance (E_ideal) und ΔR die Abweichung einer gemessenen oder angenommenen Resistance (R_mess) des Patienten von einer idealen Resistance (R_ideal) ist, und indem daraus von der Steuereinheit der Unterstützungsdruck PS(t) = VA·V(t) + FA·Flow(t) bestimmt und die Ventilatoreinheit (7) so eingestellt wird, um diesen Unterstützungsdruck zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Wert für den durch das Beatmungssystem zu liefernden Soll-Unterstützungsdruck PS_soll an einer Benutzerschnittstelle der Steuereinheit (5) eingegeben oder dieser von einem in der Steuereinheit (5) implementierten Expertensystem (6) nach vorgegebenen Abhängigkeiten auf Grundlage von Messwerten für das Tidalvolumen, die Atemfrequenz und die endtidale CO₂-Konzentration (etCO₂) bestimmt wird, wobei die Steuereinheit (5) dazu vorbereitet ist, auf Grundlage einer implementierten Reglerfunktion (1) nach Ablauf wenigstens eines Atemzyklus einen neuen Wert für den Kompensationsgrad PPSp_neu aus dem bisherigen Wert PPSp und dem Sollwert PS_soll in der Weise zu bestimmen, dass ein repräsentativer Unterstützungsdruck <PS>, welcher als zeitlicher Mittelwert, als gewichtetes Mittel, als Median oder als Maximalwert des zeitlichen Verlaufs von PS(t) während der Inspiration über einen Atemzyklus oder mehrere Atemzyklen bestimmt wird, innerhalb mehrerer Atemzyklen den Wert PS_soll zielgenau oder im Mittel über mehrere Atemzyklen erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Wert für den durch das Beatmungssystem zu liefernden Soll-Unterstützungsdruck PS_soll an einer Benutzerschnittstelle der Steuereinheit (5) eingegeben oder dieser von einem in der Steuereinheit implementierten Expertensystem (6) nach vorgegebenen Abhängigkeiten auf Grundlage von Messwerten für das Tidalvolumen, die Atemfrequenz und die endtidale CO₂-Konzentration (etCO₂) bestimmt wird, wobei die Steuereinheit (5) dazu vorbereitet ist, einen repräsentativen Unterstützungsdruck <PS> zu berechnen, der als zeitlicher Mittelwert, als gewichtetes Mittel, als Median oder als Maximalwert des zeitlichen Verlaufs von PS(t) während der Inspiration über einen Atemzyklus oder mehrere Atemzyklen bestimmt wird, und einen neuen Wert für den Kompensationsgrad PPSp_neu aus dem bisherigen Wert PPSp gemäß PPSp_neu = PPSp + (PS_soll – <PS>)/V_PPS zu bestimmen, wobei die Verstärkung V_PPS ein Maß für die Änderung des repräsentativen Unterstützungsdrucks <PS> in Relation zur Änderung von PPSp ist, das über einen Atemzyklus oder mehrere aufeinanderfolgende Atemzyklen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Steuereinheit (5) weiter dazu vorbereitet ist, den Wert für die Verstärkung V_PPS als das Verhältnis der Änderung des repräsentativen Unterstützungsdruckes <PS> zu der Änderung des Parameters PPSp über einen oder mehrere aufeinanderfolgende Atemzyklen zu bestimmen gemäß der Formel: V_PPS = Δ<PS>/ΔPPSp.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Steuereinheit (5) weiter dazu vorbereitet ist, den Wert für die Verstärkung V_PPS als das Verhältnis der Änderung des repräsentativen Unterstützungsdruckes <PS> zu der Änderung des Parameters PPSp über einen oder mehrere aufeinanderfolgende Atemzyklen zu bestimmen gemäß der Formel: V_PPS = Δ〈PS〉/(e^k·ΔPPSp – 1).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für die ideale Elastance E_ideal ein Wert aus dem Bereich von 0 bis 15 mbar/l und für die ideale Resistance R_ideal ein Wert von 0 bis 5 mbar/(l/s) angenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Atemwegsdruck p_aw(t) gemessen wird und die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, auf Grundlage der Messwerte für Atemwegsdruck p_aw(t) und Atemvolumenstrom Flow(t) die Resistance R_mess und Elastance E_mess zu berechnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Werte für die Resistance R_mess und Elastance E_mess des Patienten als numerische Werte an der Benutzerschnittstelle eingegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Paare von Werten für die Resistance R_mess und Elastance E_mess an der Benutzerschnittstelle mittels eines Wahlschalters aus einer Mehrzahl von vorgegebenen typisierten Wertepaaren ausgewählt werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, basierend auf einer Ermittlung der Zeitkonstanten der Atemmechanik τ_Regress und vorbestimmten und gespeicherten standardmäßigen Abhängigkeiten jeweils der Resistance und der Elastance von der Zeitkonstanten automatisch Werte für die Resistance R_vor und Elastance E_vor des Patienten vorzuschlagen, wobei die Zeitkonstante τ_Regress mittels linearer Regression der Flow-Volumenkurve in einer passiven Ausatemphase gewonnenen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten und gespeicherten standardmäßigen Abhängigkeiten vorsehen, den Bereich physiologisch sinnvoller Zeitkonstanten in drei Intervalle aufzuteilen, wobei zwei Intervallgrenzen τ₁ und τ₂ mit τ₁ < τ₂ definiert werden und für τ_Regress < τ₁ eine ideale Resistance und für Regress > τ₂ eine ideale Elastance angenommen und für das zwischen diesen Grenzen liegende Intervall die Resistance linear interpoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Resistance R_mess und Elastance E_mess des Patienten den entsprechenden vorgeschlagenen Werten für die Resistance R_vor und Elastance E_vor gleichgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wenn abhängig von einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) dazu vorbereitet ist, die vorgeschlagenen Werte für Resistance R_vor und Elastance E_vor mit den in den Ansprüchen 7 bis 9 angenommenen oder bestimmten Werten für Resistance R_mess und Elastance E_mess zu vergleichen und eine Anzeige zu liefern, wenn die Abweichungen zwischen R_vor und R_mess oder zwischen E_vor und E_mess eine vorgegebene Schwelle übersteigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) dazu vorbereitet ist, aus den angenommenen oder bestimmten Werten für Resistance R_mess und Elastance E_mess das Verhältnis R_mess/E_mess zu bestimmen und dieses Maß für die Zeitkonstante τ_R/E = R_mess/E_mess mit dem aus einer linearen Regression der Flow-Volumenkurve in einer passiven Ausatemphase gewonnenen Maß für die Zeitkonstante τ_Regress zu vergleichen und eine Anzeige zu liefern, wenn die Abweichung zwischen τ_R/E und τ_Regress eine vorgegebene Schwelle übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Benutzerschnittstelle der Steuereinheit (5) eine Rampenzeitkonstante eingegeben wird, die einen Minimalwert der Zeitdauer des Druckanstiegs zu Beginn der Inspiration festlegt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterstützungsdruck PS(t) auf einen in Bezug zum Soll-Unterstützungsdruck PS_soll stehenden Druckbegrenzungswert begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbegrenzungswert proportional zum Soll-Unterstützungsdruck PS_soll oder additiv dazu gewählt wird.
Beatmungssystem zur automatisch gesteuerten Beatmung, das über eine Ventilatoreinheit (7) zur Lieferung eines Unterstützungsdruckes und eine Steuereinheit (5) verfügt, welche die momentanen Werte des Atemvolumenstroms Flow(t) und die des Volumens V(t) erfasst und welche zur Aufnahme und Speicherung angenommener oder gemessener Werte für die Resistance R_mess und Elastance E_mess des Patienten sowie für die ideale Resistance R_ideal und Elastance E_ideal eingerichtet ist, wobei die Steuereinheit (5) weiter dazu vorbereitet ist, ein proportional unterstützendes Ventilationsverfahren (PAV: Proportional Assist Ventilation) durchzuführen, indem ein Faktor für einen Kompensationsgrad PPSp in der Steuereinheit gewählt wird und die Parameter für die Volumenunterstützung (VA) und die Flow-Unterstützung (FA) von der Steuereinheit bestimmt werden gemäß: VA = PPSp·ΔE FA = PPSp·ΔRwobei ΔE die Abweichung der gemessenen oder angenommenen Elastance E_mess des Patienten von einer idealen Elastance E_ideal und ΔR die Abweichung einer gemessenen oder angenommenen Resistance (R_mess) des Patienten von einer idealen Resistance (R_ideal) ist, und daraus den Unterstützungsdruck PS(t) = VA·V(t) + FA·Flow(t) zu bestimmen und die Ventilatoreinheit (7) zur Lieferung dieses Unterstützungsdruckes einzustellen.
Beatmungssystem nach Anspruch 18, mit einer Benutzerschnittstelle, über die ein Wert für den durch das Beatmungssystem zu liefernden Soll-Unterstützungsdruck PS_soll in die Steuereinheit (5) eingebbar ist, oder mit einem in der Steuereinheit (5) implementierten Expertensystem (6), das dazu vorbereitet ist, nach vorgegebenen Abhängigkeiten auf Grundlage von Messwerten für das Tidalvolumen, die Atemfrequenz und die endtidale CO₂-Konzentration (etCO₂) den Soll-Unterstützungsdruck ^PSsoll zu bestimmen, wobei die Steuereinheit weiter dazu vorbereitet ist, auf Grundlage einer implementierten Reglerfunktion (1) nach Ablauf wenigstens eines Atemzyklus einen neuen Wert für den Kompensationsgrad PPSp_neu aus dem bisherigen Wert PPSp und dem Sollwert PS_soll in der Weise zu bestimmen, dass ein repräsentativer Unterstützungsdruck <PS>, welcher als zeitlicher Mittelwert, als gewichtetes Mittel, als Median oder als Maximalwert des zeitlichen Verlaufs von PS(t) während der Inspiration über einen Atemzyklus oder mehrere Atemzyklen bestimmt wird, innerhalb mehrerer Atemzyklen den Wert PS_soll zielgenau oder im Mittel über mehrere Atemzyklen erreicht.
Beatmungssystem nach Anspruch 18, mit einer Benutzerschnittstelle, durch die ein Wert für das durch das Beatmungssystem zu liefernden Soll-Unterstützungsdruck PS_soll in die Steuereinheit (5) eingebbar ist, oder mit einem in der Steuereinheit (59) implementierten Expertensystem (6), das dazu vorbereitet ist, nach vorgegebenen Abhängigkeiten auf Grundlage von Messwerten für das Tidalvolumen, die Atemfrequenz und die endtitale CO₂-Konzentration (etCO₂) den Soll-Unterstützungsdruck PS_soll zu bestimmen, wobei die Steuereinheit (5) dazu vorbereitet ist, einen repräsentativen Unterstützungsdruck <PS> zu berechnen, der als zeitlicher Mittelwert, als gewichtetes Mittel, als Median oder als Maximalwert des zeitlichen Verlaufs von PS(t) während der Inspiration über einen Atemzyklus oder mehrere Atemzyklen bestimmt wird, und einen neuen Wert für den Kompensationsgrad PPSp_neu aus dem bisherigen Wert PPSp gemäß PPSp_neu = PPSp + (PS_soll – <PS>)/V_PPS zu bestimmen, wobei die Verstärkung V_PPS ein Maß für die Änderung des repräsentativen Unterstützungsdrucks <PS> in Relation zur Änderung von PPSp ist, das über einen Atemzyklus oder mehrere aufeinanderfolgende Atemzyklen bestimmt wird.
Beatmungssystem nach Anspruch 20, bei dem die Steuereinheit (5) weiter dazu vorbereitet ist, den Wert für die Verstärkung V_PPS als das Verhältnis der Änderung des repräsentativen Unterstützungsdruckes <PS> zu der Änderung des Parameters PPSp über einen oder mehrere aufeinanderfolgende Atemzyklen zu bestimmen gemäß der Formel: V_PPS = Δ<PS>/ΔPPSp.
Beatmungssystem nach Anspruch 20, bei dem die Steuereinheit (5) weiter dazu vorbereitet ist, den Wert für die Verstärkung V_PPS als das Verhältnis der Änderung des repräsentativen Unterstützungsdruckes <PS> zu der Änderung des Parameters PPSp über einen oder mehrere aufeinanderfolgende Atemzyklen gemäß der Formel V_PPS = Δ〈PS〉/(e^k·ΔPPSp – 1) zu bestimmen.
Beatmungssystem nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zum Messen des Atemwegdruckes P_aw(t) vorgesehen sind und die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, auf Grundlage der Messwerte für Atemwegsdruck p_aw(t) und Atemvolumenstrom Flow(t) die Resistance R_mess und Elastance E_mess zu berechnen.
Beatmungssystem nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wahlschalter vorgesehen ist, mit dem die Werte für die Resistance R_mess und Elastance E_mess aus einer Mehrzahl von vorgegebenen typisierten Kombinationen von Werten für E_mess und R_mess ausgewählt werden können.
Beatmungssystem nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, basierend auf einer Ermittlung der Zeitkonstanten der Atemmechanik τ_Regress und vorbestimmten und gespeicherten standardmäßigen Abhängigkeiten jeweils der Elastance und Resistance von der Zeitkonstanten automatisch Werte für die Resistance R_vor und Elastance E_vor des Patienten vorzuschlagen, wobei die Zeitkonstante τ_Regress mittels linearer Regression der Flow-Volumenkurve in einer passiven Ausatemphase gewonnenen wird.
Beatmungssystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit so vorbereitet ist, dass die vorbestimmten und gespeicherten standardmäßigen Abhängigkeiten jeweils der Elastance und Resistance von der Zeitkonstanten vorsehen, den Bereich physiologisch sinnvoller Zeitkonstanten in drei Intervalle aufzuteilen, wobei zwei Intervallgrenzen τ₁ und τ₂ mit τ₁ < τ₂ definiert werden und für τ_Regress < τ₁ eine ideale Resistance und für τ_Regress > τ₂ eine ideale Elastance angenommen und für das zwischen diesen Grenzen liegende Intervall die Resistance linear interpoliert wird.
Beatmungssystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit so vorbereitet ist, dass die Werte für die Resistance R_mess und Elastance E_mess des Patienten den entsprechenden vorgeschlagenen Werten für die Resistance R_vor und Elastance E_vor gleichgesetzt werden.
Beatmungssystem nach Anspruch 25 oder 26, wenn abhängig von Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) dazu vorbereitet ist, die vorgeschlagenen Werte für Resistance R_vor und Elastance E_vor mit den gemäß Anspruch 23 oder 24 angenommenen oder bestimmten Werten für Resistance R_mess und Elastance E_mess zu vergleichen und eine Anzeige zu liefern, wenn die Abweichungen zwischen R_vor und R_mess oder zwischen E_vor und E_mess eine vorgegebene Schwelle übersteigen.
Beatmungssystem nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) dazu vorbereitet ist, aus den angenommenen oder bestimmten Werten für Resistance R_mess und Elastance E_mess das Verhältnis R_mess/E_mess zu bestimmen und dieses Maß für die Zeitkonstante τ_R/E = R_mess/E_mess mit dem aus einer linearen Regression der Flow-Volumenkurve in einer passiven Ausatemphase gewonnenen Maß für die Zeitkonstante τ_Regress zu vergleichen und eine Anzeige zu liefern, wenn die Abweichung zwischen τ_R/E und τ_Regress eine vorgegebene Schwelle übersteigt.
Beatmungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) über eine Benutzerschnittstelle verfügt, die die Eingabe einer Rampenzeitkonstanten erlaubt, die einen Minimalwert der Zeitdauer des Druckanstiegs zu Beginn der Inspiration festlegt.
Beatmungssystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) über die Möglichkeit verfügt, den Unterstützungsdruck PS(t) auf einen in Bezug zum Soll-Unterstützungsdruck PS_soll stehenden Druckwert zu begrenzen.