DE102008005558A1

DE102008005558A1 - Verfahren zur Kompensation des Verlustdrucks im externen Atemsystem von Beatmungsgeräten und Beatmungsgerät

Info

Publication number: DE102008005558A1
Application number: DE102008005558A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hoffrichter
Original assignee: Hoffrichter GmbH
Current assignee: Hoffrichter GmbH
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Mit der Erfindung soll ein Verfahren zur Kompensation von Druckverlusten an externen Zubehörgeräten, insbesondere am Atemschlauch, durch zusätzliche Erzeugung eines gleichgroßen Drucks an der Gasausleitung des Gerätes angegeben werden, ohne dass dazu der Druck in der Patientenanschlussstelle gemessen wird und ohne dass vom Gebläse über den Verlustdruck hinaus ein weiterer Zusatzdruck erzeugt werden muss. Das Verfahren soll benutzbar sein, ohne dass der Anwender zuvor einen Kalibriervorgang durchführen muss. Geschaffen wird hierfür ein Verfahren zur Kompensation des Verlustdrucks im externen Atemsystem eines Beatmungsgerätes, das ein inneres Atemsystem mit einem Gebläse (1) in einer Druckregelvorrichtung (6 bis 9) enthält, wobei das Atemgas an einer Gasausleitung (3) unter einem bestimmten Druck bereitgestellt und über externe Systembestandteile, insbesondere einen Atemschlauch (Rs), in eine Patientenanschlussstelle (4), die vorzugsweise eine Gesichtsmaske ist, in die Atemwege eines Patienten geleitet wird, das sich dadurch auszeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen der Gasausleitung (3) und einem Bruchteil des an der Gebläseausleitung erzeugten Drucks (pa) bestimmt wird, wobei der Bruchteil mit einem pneumatischen Druckteiler (Rx, Ry) oder einer beliebig anderen geeigneten Vorrichtung bereitgestellt wird und der Messwert als Regelgröße an die Druckregelvorrichtung (6 bis 9) geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des Verlustdrucks im externen Atemsystem eines Beatmungsgerätes, damit der Beatmungsdruck an der Patientenanschlussstelle unabhängig vom Atemluftstrom konstant ist. Sie betrifft ferner ein zum Arbeiten nach einem solchen Verfahren eingerichtetes Beatumungsgerät.
Ein Beatmungsgerät zur Behandlung der obstruktiven Schlafapnoe enthält einen Druckerzeuger, der zumeist ein Radialgebläse ist. Das Gebläse saugt vorzugsweise die Umgebungsluft an und verdichtet diese auf den zur Therapie erforderlichen Beatmungsdruck. Damit ein bestimmter vorgegebener Beatmungsdruck aufrecht erhalten bleibt, enthält das Beatmungsgerät eine Druckregelvorrichtung mit einem Stellglied zum Antrieb des Druckerzeugers. Die Aufgabe der Druckregelvorrichtung ist die Herstellung eines Ist-Drucks an einer bestimmten Stelle, der mit einem Drucksensor gemessen und so geregelt wird, dass er von einem vorgegebenen Soll-Druck so wenig wie möglich abweicht. Der Soll-Druck ist die Regelgröße der Druckregelvorrichtung. Das verdichtete Atemgas, wird über eine Atemgasausleitung und einen Atemschlauch in die Patientenanschlussstelle eingeleitet, die vorzugsweise eine Gesichtsmaske ist.
Das pneumatische Kanalsystem eines Beatmungsgerätes wird als Atemsystem bezeichnet und weist einen Strömungswiderstand auf, der sich aus der Summe vieler einzelner Strömungswiderstände an Umlenkungsstellen, Querschnittsänderungen, Filtern und Schalldämpfern zusammensetzt. Es gibt ein inneres und ein externes Atemsystem. Das innere Atemsystem beginnt am Frischlufteingang und endet an der Gasausleitung. Es besteht insbesondere aus dem Luftfilter, einem Geräuschdämpfer, dem Gebläse und dem Lufthaltungssystem. Das externe Atemsystem beginnt an der Gasausleitung und endet an der Patientenanschlussstelle. Es besteht insbesondere aus dem Atemschlauch, einem Ausatemventil und einem Atemluftanfeuchter. Die Patientenanschlussstelle ist meistenteils eine Gesichtsmaske und dient dazu, das Atemgas in die Atemwege des Patienten einzuleiten.
Alle Elemente des inneren und externen Kanalsystems weisen Strömungswiderstände auf und behindern eine Gasströmung. Jeder Strömungswiderstand verbraucht genau soviel Druck, wie zu seiner Überwindung erforderlich ist. Der vom Gebläse erzeugte Druck wird folglich auf dem Weg in die Atemwege des Patienten nach Passieren eines jeden Strömungswiderstandes in Abhängigkeit von der Strömungsstärke kleiner.
Stand der Technik
Bei einem CPAP-Beatmungsgerät soll der Druck in der Gesichtsmaske konstant sein. Um dieses zu erreichen, kann man dem Drucksensor, der in der Druckregelvorrichtung zur Messung des Ist-Druckes angeordnet ist, den in der Gesichtmaske herrschenden Druck zuführen. Dadurch erzeugt das Gebläse den herzustellenden Solldruck immer in der Gesichtsmaske und zusätzlich auf Grund der Wirkung der Druckregelvorrichtung die Summe aller Druckverluste auf dem Strömungsweg vom Frischlufteingang bis in die Gesichtsmaske. Unter der Voraussetzung einer kleinen Regelabweichung geschieht das unabhängig von der Größe der auf dem Weg liegenden Strömungswiderstände.
Dieses Verfahren der patientennahen Druckmessung erfordert jedoch einen zusätzlichen Druckmessschlauch. Dieser leitet den in der Gesichtsmaske herrschenden Druck an den im Gehäuseinnern des Beatmungsgerätes angeordneten Drucksensor. Die Schlauchlänge von etwa 2 m verursacht zusätzliche Signallaufzeiten, wodurch sich die Dynamik der Druckregelvorrichtung verringert. Das führt zu dynamisch bedingten Regelabweichungen. Ein weiterer Nachteil besteht in der Beeinträchtigung der Hygiene, wenn der Druckmessschlauch wie üblich im Innern des Atemschlauches verlegt wird. Eine regelmäßig durchzuführende Reinigung wird dadurch erschwert. Außerdem sind die Kosten eines zusätzlichen Schlauches inklusive aller Anschlusselemente höher, als wenn man darauf verzichten kann, und schließlich kann der zusätzliche Druckmessschlauch Störungen verursachen, wenn er abknickt, sich an einer Verbindungsstelle löst oder wenn sich darin ein Wassertropfen durch Kondensat aus der feuchten Atemluft oder einfach vom Reinigungswasser absetzt.
Bekannt sind deshalb Verfahren, die den Verlustdruck, insbesondere am Atemschlauch ermitteln. In Verbindung mit der Druckregelvorrichtung stellt der Druckerzeuger zusätzlich zum Solldruck den Verlustdruck kontinuierlich an der Gasausleitung bereit.
Die DE 102 53 947 C1 beschreibt ein Verfahren zur Kompensaton des Druckabfalls an einem Beatmungsschlauch, Beatmungsgerät sowie Speichermedium. Die Kompensation erfolgt in einem ersten Schritt durch Messen von Flow und Druck an der Gasausleitung bei abgesetzter Atemmaske. Aus den Messwerten wird ein Widerstandsparameter berechnet. Im zweiten Schritt erfolgt die Messung des Flow mit aufgesetzter Atemmaske und Berechnung eines Korrekturdrucks unter Berücksichtigung der Druck/Flow-Kennlinie des Atemschlauches. Dieser Korrekturdruck wird während des Atemvorgangs in Abhängigkeit vom kontinuierlich gemessenen Flow vom Druckerzeuger zusätzlich bereitgestellt. Nachteilig ist insbesondere der zusätzliche Aufwand zum Kalibrieren.
Die DE 10 2005 003 553 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckregelung unter Verwendung einer Venturidüse, die im Geräteinnern in Strömungsrichtung vor der Gasausleitung angeordnet ist. Bekanntlich sinkt der dynamische Druck mit steigender Strömungsgeschwindigkeit in der Engstelle einer Venturidüse. In dieser Engstelle herrscht gemäß der Bernoulli-Gleichung die Summe von statischem Druck und dynamischem Druck. Der statische Druck ist der gewünschte Beatmungsdruck in der Patientenanschlussstelle. Der dynamische Druck ist negativ und eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Der an dieser Stelle mit einem Drucksensor gemessene Druck ist mit einsetzender Strömung immer kleiner als der statische Druck. Der Druckerzeuger wird deshalb an der Gasausleitung immer einen Druck bereitstellen, der um den Betrag des dynamischen Drucks größer ist. Sofern die Venturidüse so konstruiert ist, dass der Betrag des dynamischen Drucks mit dem Verlustdruck am Atemschlauch übereinstimmt, wird letztgenannter kompensiert. Nachteilig ist der Energieverlust, der für die Geschwindigkeitserhöhung erforderlich ist. Das Gebläse muss dazu mindestens den Verlustdruck am externen Atemsystem noch einmal aufbringen.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist die Kompensation von Druckverlusten an externen Zubehörgeräten insbesondere am Atemschlauch durch zusätzliche Erzeugung eines gleichgroßen Drucks an der Gasausleitung des Gerätes, ohne dass dazu der Druck in der Patientenanschlussstelle gemessen wird und ohne dass vom Gebläse über den Verlustdruck hinaus ein weiterer Zusatzdruck erzeugt werden muss. Die erfindungsgemäße Lösung soll benutzbar sein, ohne dass der Anwender zuvor einen Kalibriervorgang durchführen muss.
Darlegung der technischen Mittel
Diese Aufgabe wird mit den technischen Mitteln in den Ansprüchen 1 bis 4 gelöst.
Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren beruht auf der Schaffung eines Beatmungsgerätes mit einem negativen Strömungswiderstand seines inneren Atemsystems. Da das innere und das externe Atemsystem in Serie geschaltet und vom gleichen Gasstrom durchflossen sind, wird die Wirkung des positiven externen Strömungswiderstandes durch einen gleich großen negativen inneren Strömungswiderstand aufgehoben.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1: eine Ausführung mit einem Differenzdrucksensor;
2: eine Ausführung mit einem Relativdrucksensor;
3: ein gegenüber der 1 abgewandeltes Beispiel mit einem Relativdrucksensor.
In der 1 besteht das externe Atemsystem aus der Gasausleitung 3, dem Atemschlauch R_s, dem Ausatemventil R_av und der Patientenanschlussstelle 4. Die Patientenanschlussstelle 4 ist eine Gesichtsmaske des Patienten, der mit Hilfe seiner Atempumpe 2 atmet. Mit dem Atemwegswiderstand R_aw wird lediglich dargestellt, dass die Atemluftströmung in die Atemwege hinein behindert ist. Das innere Atemsystem besteht aus einem Gebläse 1, dem Ausgangsströmungswiderstand R_i und dem Einlassströmungswiderstand R_e. Als Ausgangsströmungswiderstand R_i kann bei vielen Geräten ein ohnehin vorhandener Strömungswiderstand benutzt werden, beispielsweise der Strömungswiderstand eines Ausgangsschalldämpfers. Gleiches gilt sinngemäß für den Einlassströmungswiderstand R_e.
Ein Differenzdrucksensor 5 ist so angeordnet, dass er den Druckunterschied zwischen der Gasausleitung 3 und der Anzapfung eines pneumatischen Druckteilers misst, wobei der Druckteiler aus den Widerständen R_x und R_y besteht. Diese Widerstände besitzen vorzugsweise eine lineare Druck-Strömungs-Charakteristik, was mit Kapillarröhren leicht zu verwirklichen ist. Praktisch schaltet man eine Kapillarröhre parallel zum Gebläse 1 und zapft diese genau an der Stelle an, wo das Längenverhältnis gleich dem gewünschten Widerstandsverhältnis ist.
Der Differenzdrucksensor 5 liefert seinen Messwert als Regelgröße an den Differenzpunkt 7 einer Druckregelvorrichtung, die aus dem Regler 8 und dem Stellglied 9 besteht. Das Stellglied 9 treibt das Gebläse 1, welches dadurch einen variablen Druck erzeugt. Eine Sollwertvorgabe für den vom Differenzdrucksensor 5 gemessenen Messwert liefert der Sollwerteinsteller 6 aus einer positiven Quelle. Der vom Differenzdrucksensor 5 im eingeregelten Zustand gemessene Druck ist nicht identisch mit dem Druck, der an der Patientenanschlussstelle 4 oder Gasausleitung 3 bereitgestellt wird.
Wenn das Gerät eingeschaltet ist, erzeugt das Gebläse 1 Druck und es strömt Luft. Wenn der Flow steigt, steigt auch der Gebläseausgangsdruck p_a wegen des Druckverlustes am Ausgangsströmungswiderstand R_i, denn der Druck an der Gasausleitung 3 wird geregelt. Durch das flowabhängige Ansteigen des Gebläseausgangsdrucks p_a steigt auch der Druckabfall über dem Teilerwiderstand R_y, wodurch der Differenzdruck p_m kleiner wird. Der vermeintlich zu kleine Soll-Druck veranlasst die Druckregelvorrichtung zur Druckerhöhung. Durch entsprechende Dimensionierung der Teilerwiderstände R_x und R_y wird die flowabhängige Druckerhöhung so eingestellt, dass diese gleich dem Druckverlust am Atemschlauch Rs ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Druck p_l in der Patientenanschlussstelle 4 unabhängig vom Flow konstant ist.
In einer mathematischen Betrachtung erhält man für den Differenzeingangsdruck des Differenzdrucksensors:
Nach Ausmultiplizieren folgt:
Durch Dimensionieren von R_x = n·R_i und R_y = n·R sich die Beziehung
Nach Einsetzen der Gl. (3) in die Gl. (2) folgt schließlich
Wie das Ergebnis zeigt, ist der Druck p_l in der Patientenanschlussstelle 4 proportional zum Differenzeingangsdruck p_m des Differenzdrucksensors 5 und damit zur Regelgröße des Druckregelvorrichtung. Bei der Druckvorgabe ist allerdings der Skalierungsfaktor 1/(1 – A) zu berücksichtigen.
Wie die 2 zeigt, kann der Differenzdrucksensor gegen einen Relativdrucksensor 10 ausgetauscht werden. Die erforderliche Differenz zwischen dem Druck in der Gasausleitung 3 und einem Bruchteil p_m des Gebläseausgangsdrucks p_a wird zu diesem Zweck durch einen Differenzverstärker 12 berechnet. Der Gebläseausgangsdruck p_a muss mit anderen Mitteln erfasst werden, etwa mit einem zweiten Relativdrucksensor. In der Beispielfigur ist zu diesem Zweck ein Funktionsgenerator 11 angeordnet, der den Druck p_a bzw. einen Bruchteil dieses Drucks aus der Drehzahl n des Gebläses 1 ermittelt. In gleicher Weise könnte hierzu auch die Betriebsspannung oder der Betriebsstrom des Gebläsemotors benutzt werden. Vorteilig ist, dass eine Anpassung an unterschiedlich große Strömungswiderstände im externen Atemsystem durch Verstärkung oder Dämpfung von Signalen leicht möglich ist.
Eine weitere Kompensationsmöglichkeit zeigt die 3. Diese Variante ist vorteilhaft, wenn der Einlassströmungswiderstand R_e größer ist als der Ausgangsströmungswiderstand R_i. Der Unterschied zur 1 besteht in der Verwendung eines Relativdrucksensors 10 und der modifizierten Einschaltung des aus R_x und R_y bestehenden Druckteilers.
Die Funktion beruht auf der flowabhängigen Absenkung des Drucks p_e am Einlauf des Gebläses 1. Da der Druck an der Gasausleitung 3 geregelt ist, sinkt mit steigendem Flow der Druck p_m am Eingang des Relativdrucksensors 10. Der vermeintliche Druckrückgang wird von der Druckregeleinrichtung ausgeglichen, indem diese bei entsprechender Dimensionierung von R_x und R_y an der Gasausleitung immer soviel mehr an Druck erzeugt, wie am Atemschlauch R_s verloren geht.
Die dazu erforderliche Dimensionierung ergibt sich nach mathematischer Betrachtung. Zunächst gilt formal Pm = Py–Pe (5)
Die Drücke p_y und p_e sind beschrieben durch
Durch Einsetzen der Gln. (6) und (7) in die Gl. (5) folgt weiter
Durch Dimensionieren von R_x = n·R_x und R_y = n·R_e ergibt sich die Beziehung
Nach Einsetzen der Gl. (9) in die Gl. (8) folgt schließlich
Wie das Ergebnis zeigt, ist der Druck p_l in der Patientenanschlussstelle 4 proportional zum Eingangsdruck P_m des Drucksensors 10 und damit zur Regelgröße der Druckregelvorrichtung. Bei der Druckvorgabe ist allerdings der Skalierungsfaktor B zu berücksichtigen.

1: Gebläse
2: Atempumpe (des Patienten)
3: Gasausleitung
4: Patientenansdchlussstelle
5: Differenzdrucksensor
6: Einstellelement (Druckvorgabe)
7: Differenzpunkt
8: Regler
9: Stellglied
10: Relativdrucksensor (misst gegen Atmosphäre)
11: Funktionsgenerator
12: Differenzverstärker
n: Drehzahl (des Gebläses)
p₀: Druck in der Gasausleitung
p_a: Druck im Gebläseausgang
p_e: Einströmungsverlustdruck
pl: Druck in der Patientenanschlussstelle
P_m: Sensoreingangsdruck
p_y: Verlustdruck am pneumatischen Teilerwiderstand R_y
R_av: Ausatemventil
R_aw: Atemwegwiderstand (des Patienten)
R_e: Einströmungswiderstand
R_i: Ausströmungswiderstand
R_S: Atemschlauch
R_x: oberer pneumatischer Teilerwiderstand
R_y: unterer pneumatischer Teilerwiderstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10253947 C1 [0008]
- DE 102005003553 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Kompensation des Verlustdrucks im externen Atemsystem eines Beatmungsgerätes, das ein inneres Atemsystem mit einem Gebläse (1) in einer Druckregelvorrichtung (6 bis 9) enthält, wobei das Atemgas an einer Gasausleitung (3) unter einem bestimmten Druck bereitgestellt und über externe Systembestandteile, insbesondere einen Atemschlauch (Rs) in eine Patientenanschlussstelle (4), die vorzugsweise eine Gesichtsmaske ist, in die Atemwege eines Patienten geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen der Gasausleitung (3) und einem Bruchteil des an der Gebläseausleitung erzeugten Drucks (pa) bestimmt wird, wobei der Bruchteil mit einem pneumatischen Druckteiler (Rx, Ry) oder einer beliebig anderen geeigneten Vorrichtung bereitgestellt wird und der Messwert als Regelgröße an die Druckregelvorrichtung (6 bis 9) geleitet wird.
Verfahren zur Kompensation des Verlustdruckes im externen Atemsystem eines Beatmungsgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz mit einem Differenzdrucksensor (5) gemessen wird.
Verfahren zur Kompensation des Verlustdrucks im externen Atemsystem eines Beatmungsgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Regelgröße mit einem Relativdrucksensor (10) an der Anzapfung eines parallel zum Gebläse (1) angeordneten Druckteilers (Ry, Rx) gemessen wird.
Verfahren zur Kompensation des Verlustdrucks im externen Atemsystem eines Beatmungsgerätes, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Subtrahierer (12) die Regelgröße als Differenz zwischen einem Messwert 1 und einem Bruchteil von Messwert 2 berechnet, wobei Messwert 1 der mit einem Relativdrucksensor (10) gemessene Druck an der Gasausleitung (3) ist und Messwert 2 der am Gebläseausgang herrschende Druck (pa), der mit einer geeigneten Vorrichtung in geeigneter Weise direkt oder indirekt ermittelt wird.
Verfahren zur Kompensation des Verlustdrucks im externen Atemsystem eines Beatmungsgerätes nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass externe Zusatzgeräte, die zwischen der Luftausleitung (3) und der Patientenanschlussstelle (4) angeordnet sind eine Kennung erhalten, die auf der Basis von Transpondern oder elektrischen oder pneumatischen Kontakt-Kodierungen arbeitet, und dass der Steuerteil des Beatmungsgerätes die jeweilige Kennung dekodiert, um den jeweils angeschlossenen Strömungswiderstands des externen Atemsystems zu berücksichtigen.
Beatmungsgerät, welches durch apparative Ausgestaltung zur Bereitstellung eines Bruchteils des an der Gebläseausleitung erzeugten Drucks (pa), zur Bestimmung der Druckdifferenz zwischen der Gasausleitung und diesem Bruchteil des an der Gebläseausleitung erzeugten Drucks (pa) und zur Verwendung des Messwertes dieser Druckdifferenz als Regelgröße für die Druckregelung eingerichtet ist.