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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Beatmungsgerätes.
Bei der maschinellen Beatmung von Patienten, besonders von Neugeborenen
und Frühgeborenen, wird zur Beatmung eine Beatmungsform
eingesetzt, die dem Patienten Beatmungsluft mit einer aufmodulierten Wechselschwingung
zuführt. Durch die aufmodulierte Wechselschwingung auf
den Beatmungsdruck wird eine verbesserte Belüftung von
Lungenbereichen und damit ein verbesserter Sauerstoff/Kohlendioxid-Gasaustausch
in den Blutkreislauf des Patienten bewirkt, ohne dabei das Basisniveau
des Beatmungsdrucks zu erhöhen. Diese Beatmungsform wird
als Hochfrequenzbeatmung bezeichnet, nachfolgend abgekürzt
als HF-Beatmung. Die physiologische Atmung eines Erwachsenen liegt
typischerweise im Bereich von 9 bis 18 Atemzügen pro Minute, das
ergibt eine Atemfrequenz von 0,15 bis 0,3 Hertz. Ein frühgeborenes
oder neugeborenes Kind atmet mit 60 bis zu 120 Atemzügen
pro Minute, was einer Atemfrequenz von 1 bis 2 Hertz entspricht.
Die aufmodulierte Frequenz der Hochfrequenzbeatmung, nachfolgend
als HF-Frequenz bezeichnet, liegt im Bereich von 5 bis 20 Schwingungen
pro Sekunde, also deutlich oberhalb der physiologischen Atemfrequenzen.
Die HF-Beatmung erzeugt am Ausgang des HF-Beatmungsgerätes
in kontinuierlicher Weise Schwankungen der Druckamplitude, welche
der HF-Frequenz folgen, die einem physiologischem Wechsel aus Inspiration
und Exspiration und einem mittleren Atemwegsdruck überlagert
sind. Als Eingabeparameter für die Steuerung und Regelung
der Betriebsart der HF-Beatmung werden die HF-Frequenz, der mittlere
Atemwegsdruck, die Druckamplitude der HF-Schwingung und das I:E-Verhältnis,
welches dem Verhältnis aus der Zeitdauer der Inspiration
zur Zeitdauer der Exspiration entspricht, einer Steuerungs- und
Regeleinheit zugeführt.
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Dieser
Eingangsparameter aus Frequenz, Druckamplitude, mittlerem Atemwegsdruck
und I:E-Verhältnis wird vom Anwender aus therapeutischen Erwägungen
und von der Konstitution des Patienten abgeleitet und können
einerseits durch den Anwender als direkte Stellwerte an einer Bedieneinheit
eingestellt werden, in einer anderen Variante können die
Stellwerte auch von anderen Parametern abgeleitet werden. In der
DE 10 2006 048 680
B3 wird ein Verfahren beschrieben, wie die HF-Frequenz und
die Druckamplitude der HF-Schwingung von einem eingestellten Tidalvolumen
abgeleitet werden können. In der
WO2007142642A1 ist ein
Verfahren zur Steuerung von Druckschwankungen im Rhythmus einer
aufmodulierten HF-Frequenz für ein Beatmungsgerät
beschrieben. Ein Beatmungsgerät zur Anwendung der HF-Beatmung
ist in der
DE 3417954 A1 beschrieben,
wobei der Patientenzuleitung im Rhythmus der HF-Frequenz mittels
eines Generators in Verbindung mit einer Ventilanordnung eine sinusförmige
positive Wechseldruckamplitude aufgeschaltet wird und mittels einer
Saugdüse durch ein aktives Heraussaugen der Exspirationsluft
eine negative Wechseldruckamplitude erzeugt wird. Die Patientenzuleitung
verbindet das Beatmungsgerät mit dem Patienten, in dessen
Lunge die Druckwechselschwankung dann mittels eines Endotrachealtubus
oder einer Beatmungsmaske eingebracht wird. Die Steuerungs- und
Regeleinheit setzt die Eingangsparameter HF-Frequenz, mittlerer
Atemwegsdruck, Druckamplitude und I:E-Verhältnis in die
erforderlichen Stellgrößen für die Druck-
und Durchflussregelung und die Ansteuerung der Gerätekomponenten,
wie beispielsweise der Saugdüse und der Ventilanordnung
um. Zur Erzeugung einer pneumatischen Druckwechselschwankung am
Patienten muss ein Luftvolumen durch die Patientenleitung zum Patienten
hin und wieder fort verschoben werden. Die Patientenzuleitung stellt
einen dynamischen pneumatischen Widerstand für die zugeführte
Luftmenge dar, der durch einen Tiefpass beschrieben werden kann. Daraus
resultiert, dass zu einer Zuführung einer Druckwechselschwankung
am Patienten mit zunehmender Frequenz die dazu erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten überproportional
ansteigen. Zur Vermeidung zusätzlicher pneumatischer Widerstände
und Volumina in der Gaszuleitung am Mund des Patienten und daraus
resultierender Druckabfälle wird bei der HF-Beatmung in
vielen Fällen auf patientennahe Sensorik zur Erfassung
der Durchflussrate verzichtet. Um diverse Kombinationsmöglichkeiten
der Variation der pneumatischen Parameter, wie etwa Resistance und
Compliance, für unterschiedliche Patiententypen und verschiedene Schlauchsysteme
adäquat mit der HF-Beatmung zu versorgen, wird das HF-Beatmungsgerät
mit einem Überschuss an Gasvolumen und mit einer daraus
resultierenden Strömungsgeschwindigkeit betrieben, um die
beabsichtigte und eingestellte Druckwechselamplitude und HF-Frequenz
in jedem Fall am Patienten sicherzustellen. Durch diesen Betrieb
mit Gasüberschuss ist die dosierte Gasmenge höher
als für die Beatmungseinstellungen erforderlich.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur verbrauchsangepassten
Dosierung einer Gasmenge für ein Beatmungsgerät
anzugeben.
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Die
Aufgabe zur verbrauchsangepassten Dosierung eines Beatmungsgerätes
wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patenanspruchs
1 gelöst. Die Aufgabe wird auch mit den Merkmalen der Patentansprüche
2 oder 3 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis
3 ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein
Beatmungsgerät, welches zu einer Durchführung
einer HF-Beatmung ausgerüstet ist, besteht aus Aktuatoren,
Sensoren und Steuerungselementen. Ein solches Gerät kann
ein speziell zur Beatmung mit der HF-Beatmung ausgestattetes Beatmungsgerät
sein, ein sogenanntes HF-Beatmungsgerät, es kann aber auch
ein Beatmungsgerät sein, dass neben der Beatmung mit den üblichen
Atemfrequenzen von 0,15 bis 0,3 Hertz für erwachsenen Patienten,
bzw. von 1 bis 2 Hertz für Neu- und Frühgeborene,
zusätzlich so ausgestattet ist, eine Druckwechselbeatmung
im Bereich mit 5 bis 20 Schwingungen je Sekunde als spezielle HF-Beatmungsform zu
applizieren. Zu den für eine HF-Beatmung notwendigen Komponenten
zählen ein Inspirationsventil oder eine Luftquelle, beispielsweise
in Form eines Gebläseantriebs, ein Exspirationsventil,
eine Saugdüse (Ejektor), eine Eingabeeinheit zur Parametereingabe
und eine Steuer- und Regeleinheit zur Beatmungssteuerung von Betriebsarten
und Beatmungsformen. Weitere Komponenten sind Gasmischung, Gasdosierung,
Durchflussregelung, Durchflussmessung, Druckregelung, Druckmessung,
Ventilansteuerung und Komponenten zur Überwachung eines
Zustandes des Exspirationsventils. Die Saugdüse kann dabei
separat betrieben und gesteuert werden oder der Betrieb und die
Steuerung der Saugdüse kann in Kombination mit der Beatmungssteuerung,
der Steuerung der HF-Beatmung, der Druck- und Durchflussmengenregelung
erfolgen. Ein ungesteuerter Betrieb der Saugdüse bewirkt
eine kontinuierliche Entnahme einer Luftmenge im Exspirationszweig
des Beatmungsgerätes. Diese Luftmenge muss inspiratorisch vom
Beatmungsgerät als Frischgasmenge geliefert werden. Eine
Durchführung einer HF-Beatmung mit einer positiven Druckwechselamplitude
ist prinzipiell auch ohne eine Saugdüse möglich,
eine negative Druckwechselamplitude ist in einer solchen Ausführung
allerdings nicht applizierbar. Der über die Eingabeeinheit übermittelte
Parametersatz aus Frequenz, Druckamplitude, mittlerem Atemwegsdruck
und I:E-Verhältnis ergeben sich aus den therapeutischen Erwägungen
des Anwenders unter Berücksichtigung der Konstitution des
Patienten und geben Vorgaben für den Betrieb der HF-Beatmung
vor. Aus diesen Vorgaben lassen sich Sollvorgaben für den
Druck und Sollvorgaben für die Durchflussrate bestimmen, welche
durch die Beatmungssteuerung an das Exspirationsventil übergeben
werden und in der voreingestellten Form der Beatmung resultieren.
Der Inspirationsluft wird in Verbindung mit dem geschalteten Exspirationsventil
und der inspiratorischen Gasdosierung, ausgeführt als geschaltetes
Inspirationsventil oder als ein Gebläseantrieb, eine sinusförmige
positive Wechseldruckamplitude aufgeschaltet und mittels der Saugdüse
wird durch ein aktives Heraussaugen der Exspirationsluft eine negative
Wechseldruckamplitude erzeugt. Das erfindungsgemäße
Verfahren führt in zyklischer und/oder kontinuierlicher
Weise eine Absenkung des voreingestellten Durchflusswertes durch
und verwendet in einer geschlossenen Regelschleife den Zustand des
Exspirationsventils als Rückführung im Regelkreis.
Möglichkeiten einer Zustandsüberwachung von Ventilen
und Ventilanordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, so ist
in der
DE10347886
B3 die Überwachung eines Dosierventils und eines
Abschaltventils beschrieben. In der
DE 10126821 C1 ist die Steuerung eines Ventils
mit einem Ventilverschlussmittel mit Hilfe einer Erfassung und regelungstechnischen
Rückführung der Ventilschließgeschwindigkeit
beschrieben. In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens
zur verbrauchsangepassten Dosierung einer Gasmenge für ein
Beatmungsgerät werden aus den Vorgaben für die
HF-Beatmung in der Steuer- und Regeleinheit die Stellwerte für
die Beatmungsform, die Dosierung der Durchflussmenge, die Stellwerte
für das Inspirations- und Exspirationsventil ermittelt
und an die Aktuatoren und Komponenten weitergeleitet und der HF-Beatmungsbetrieb
aufgenommen. Diese Stellwerte sind so gewählt, dass die
Gasdosierung in Relation zu den einzuregelenden Druckamplituden
der HF-Beatmung einen Gasüberschuss aufweist. Im ersten Schritt
wird in einer ersten kontinuierlichen Schleife in jedem Atemzyklus
der maschinellen Beatmung mit einer ersten Schrittweite eine schrittweise
Absenkung der Durchflussmenge durchgeführt, um den Gasüberschuss
zu verringern. Im folgenden Schritt wird der Zustand des Exspirationsventils
ermittelt. In einer ersten Ausführungsform wird die schrittweise Absenkung
der Durchflussmenge in der ersten kontinuierlichen Schleife solange
fortgesetzt, bis der ermittelte Zustand des Exspirationsventils
einen ersten vorbestimmten Grenzwert übersteigt. Der Grenzwert ergibt
sich daraus, dass bei einem Gasmangel das Exspirationsventil zur
Erzeugung der Druckwechselamplituden in einem Betriebszustand mit
einer überhöhten mechanischen Last betrieben wird.
Bei Überschreitung des ersten vorbestimmten Grenzwertes des
Exspirationsventils wird die Durchflussmenge mit einer zweiten Schrittweite
wieder erhöht. Die Erfassung des Zustands des Exspirationsventils
kann im Sinne der vorliegenden Erfindung kontinuierlich oder auch
zyklisch zu diskreten Zeitpunkten erfolgen. Die Reduzierung und
die Erhöhung der Durchflussmenge kann zu den Wechselzeitpunkten
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Atemzyklen ausgeführt
werden. Neben dieser Variante ist im Sinne der vorliegenden Erfindung
auch die Reduzierung und Erhöhung der Durchflussmenge während
eines aktuellen Atemzyklus oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Atemzyklen mit umfasst. Weiterhin soll im Sinne der vorliegenden
Erfindung auch eine Variante umfasst sein, wobei eine Erhöhung
oder Reduzierung der Durchflussmenge nach einem Abwarten einer vorbestimmten
Anzahl von Atemzyklen ohne eine Erhöhung oder Reduzierung
der Durchflussmenge vorgenommen wird oder eine Variante, bei welcher
eine Erhöhung oder Reduzierung der Durchflussmenge asynchron
zum Beatmungsrhythmus vorgenommen wird. Die Belastung des Exspirationsventils
wird dadurch wieder vermindert und liegt anschließend wieder
unterhalb des ersten vorbestimmten Grenzwerts. Anschließend
wird die erste kontinuierliche Schleife mit einem Einsprung in den
ersten Schritt fortgesetzt. Der ersten kontinuierlichen Schleife
ist eine zweite kontinuierliche Schleife überlagert, in
welcher die Sollvorgaben für die HF-Beatmung und Änderungen der
Sollvorgaben durch den Anwender abgefragt werden und an die Steuer-
und Regeleinheit weitergeleitet werden.
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In
einer zweiten erfindungsgemäßen Variante wird
die zweite Schrittweite im Verlauf der Beatmung bei jeder Überschreitung
des ersten vorbestimmten Grenzwertes des Exspirationsventils mit anschließender
Erhöhung der Durchflussmenge mit dieser zweiten Schrittweite,
reduziert. Damit ergibt sich eine Annäherung der Ventilsituation
an den ersten vorbestimmten Grenzwert, ohne eine starke Schwankung
der Durchflussmenge in Kauf nehmen zu müssen. Dabei wird
die zweite Schrittweite nur soweit reduziert, wie es durch die Dimensionierung
der ersten Schrittweite gegeben ist. Ein praxisnaher Wert zu einer
im zeitlichen Verlauf optimierten gegenseitigen Anpassung von Durchflussmenge
und Ventilsituation ergibt sich für die zweite Schrittweite
mit einem Wert von 50% bis 150% der ersten Schrittweite. Die Reduzierung
der zweiten Schrittweite wird bei fortwährender Überschreitung
des ersten vorbestimmten Grenzwertes ausgesetzt und wieder fortgesetzt, sobald
im weiteren Verlauf eine Absenkung der Durchflussrate mit der ersten
Schrittweite keine Überschreitung des vorbestimmten ersten
Grenzwertes verursacht hat. Alternativ zu einer Erhöhung
der Durchflussmenge bei Überschreitung des ersten vorbestimmten
Grenzwerts kann in einer dritten Ausführungsform der Erfindung
die Durchflussmenge auch an diesem ersten Grenzwert gehalten werden.
Eine Erhöhung der Durchflussmenge wird dann vorgenommen,
sobald ein zweiter vorbestimmter Grenzwert überschritten
wird. Auf diese Weise wird das Ventil in einem Korridor zwischen
dem ersten und dem zweiten Grenzwert betrieben.
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In
einer besonderen Erweiterung der zweiten und dritten Ausführungsform
erfolgt eine Veränderung der ersten und zweiten Schrittweite
von den vorgegebenen Startwerten im Laufe der Beatmung durch eine
Regelung, indem die Ventilüberwachungseinheit als ein Regler
ausgeführt wird, durch den die Lastsituation des Exspirationsventils
in einem Toleranzband gehalten wird. In einem geschlossenen Regelkreis
wird dem Regler dabei die aktuelle Lastsituation des Exspirationsventils
als Istwert und ein Grenzwert der Lastsituation als Sollwert zugeführt.
Der Regler gibt an seinem Ausgang einen Wert für die erste
und/oder zweite Schrittweite entsprechend seiner Regelverstärkung
und Regelcharakteristik aus, mit der die Durchflussmenge dann kontinuierlich
in dem geschlossenen Regelkreis erhöht oder vermindert
wird und die Lastsituation des Exspirationsventils im Rahmen der
Vorgabe gehalten wird. Der Regler wird dabei in bevorzugter Weise
als PI-Regler mit proportional und integral wirkender Regelcharakteristik
ausgeführt, um die Regelabweichung zu minimieren und um
die Lastsituation, im Sinne der Erweiterung nach der dritten Ausführungsform,
im Korridor zwischen dem ersten und dem zweiten Grenzwert zu halten,
bzw. um im Sinne einer Erweiterung nach der zweiten Ausführungsform,
die Lastsituation des Exspirationsventils mit geringer Schwankung
unter dem ersten Grenzwert zu halten.
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In
einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird der Sollstellwert des Exspirationsventils als Eingangsgröße
für den Zustand des Exspirationsventils verwendet, um den
Zustand des Exspirationsventils zu ermitteln. Der Sollstellwert
ergibt sich mittelbar als Soll-Stromstärke für
die Bestromung des Exspirationsventils aus den Sollvorgaben zu Frequenz,
Druckamplitude, mittlerem Atemwegsdruck und I:E-Verhältnis über
die Druckmessung und die Druckregelung und ist in der Steuer- und
Regeleinheit verfügbar. Die Druckregelung übersetzt
die Drucksollwerte in die ventilspezifische Größe
der mit dem Drucksollwert korrelierten Schließkraft und
die für die Schließkraft erforderliche Magnetisierungsfeldstärke.
In der Kombination mit den ventilspezifischen Eigenschaften Windungszahl
und Induktivität ergibt sich daraus die Soll-Stromstärke.
Die Soll-Stromstärke wird in der Steuer- und Regeleinheit unter
Berücksichtigung der Randbedingungen für einen
zuverlässigen Betrieb des Exspirationsventils, wie dem
maximalen Erregungsstrom, der maximalen Einschaltdauer und der maximalen
Ventiltemperatur analysiert. Überschreitet die Soll-Stromstärke
einen vorbestimmten Sollstrom-Schwellwert, so wird dies als Überschreitung
des ersten vorbestimmten Grenzwertes des Exspirationsventils gewertet
und in Folge davon die Durchflussmenge erfindungsgemäß in
der ersten kontinuierlichen Schleife erhöht.
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In
einer fünften Ausführungsform wird die Ist-Stromstärke
zur Erregung des Exspirationsventils gemessen und erfasst und als
Eingangsgröße für den Zustand des Exspirationsventils
verwendet, um den nach der Absenkung der Durchflussmenge aktualisierten
Zustand des Exspirationsventils zu ermitteln.
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In
einer sechsten Ausführungsform wird der Windungswiderstand
des Exspirationsventils im Betrieb gemessen und erfasst und als
Zustandsgröße für den Zustand des Exspirationsventils
verwendet, um den Zustand des Exspirationsventils zu ermitteln. Der
Windungswiderstand stellt im Vergleich mit einem Referenzwiderstand
bei unbestromter Spule über die Temperaturabhängigkeit
des Windungsmaterials ein Maß für die Erwärmung
des Exspirationsventils dar.
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In
einer siebten Ausführungsform wird die Gegeninduktionsspannung
der Erregerspule des Exspirationsventils gemessen und erfasst und
als Eingangsgröße für den Zustand des
Exspirationsventils verwendet, um den Zustand des Exspirationsventils zu
ermitteln.
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In
einer achten Ausführungsform wird die resultierende Ventiltemperatur über
ein Modell abgebildet, das die Zusammenhänge von Ventilbauart
und Erregungsstrom einbezieht und unter den Randbedingungen für
einen zuverlässigen Betrieb des Exspirationsventils im
Vergleich mit der maximal zulässigen Betriebstemperatur
mit berücksichtigt.
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In
einer neunten Ausführungsform wird die Ventiltemperatur
mit einem Temperatursensor erfasst und unter den Randbedingungen
für einen zuverlässigen Betrieb des Exspirationsventils
mit berücksichtigt. In einer zehnten Ausführungsform
wird die Umgebungstemperatur mit in die Zustandsbeurteilung des
Exspirationsventils mit einbezogen Die genannten zehn Ausführungsformen
stellen einerseits selbständige erfinderische Lösungen
zur Reduzierung der Gasmenge mit Hilfe einer Ventilzustandsüberwachung
dar. Jegliche Kombinationsmöglichkeit der zehn Ausführungsformen
untereinander ergibt eine Verbesserung der Überwachungsqualität
des Exspirationsventils und ist von den beschriebenen und dargestellten
Ausführungsformen mit umfasst.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Durchfluss-Startwert
aus dem Parametersatz aus Frequenz, Druckamplitude, mittlerem Atemwegsdruck
und dem I:E-Verhältnis oder auch aus Veränderungen
des Parametersatzes abgeleitet. So ergeben sich in einer Variante
dieser weiteren Ausführungsform unter Verwendung einer
linearen Zuordnungsvorschrift bei einer Atemfrequenz von 5 Hz ein
Durchfluss von 30 l/min, bei einer Atemfrequenz von 10 Hz ein Durchfluss
von 60 l/min und bei einer Atemfrequenz von 20 Hz ein Durchfluss
von 120 l/min.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung wird die erste Schrittweite
der Absenkung der Durchflussmenge vom Parametersatz aus Frequenz,
Druckamplitude, mittlerem Atemwegsdruck und dem I:E-Verhältnis
oder auch aus Veränderungen des Parametersatzes abgeleitet.
So kann die erste Schrittweite in einer bevorzugten Ausführung
dieser weiteren Variante prozentual von einem aktuellen Wert oder
einem mittleren Wert der Durchflussmenge abgeleitet werden. Ein
praxisnaher Wert für die prozentuale Ableitung ist beispielsweise
ein Wert von 10% der Durchflussmenge. Zur Vermeidung sehr geringer Schrittweiten
kann der Wert von 10% mit einer festen Mindestschrittweite von beispielsweise
1 l/min kombiniert werden.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung wird die zweite Schrittweite
der Erhöhung der Durchflussmenge vom Parametersatz aus
Frequenz, Druckamplitude, mittlerem Atemwegsdruck und I:E-Verhältnis
abgeleitet. So kann die zweite Schrittweite in einer bevorzugten
Ausführung dieser weiteren Variante prozentual von einem
aktuellen Wert oder einem mittleren Wert der Durchflussmenge abgeleitet
werden. Ein praxisnaher Wert für die prozentuale Ableitung
ist beispielsweise ein Wert von 10% der Durchflussmenge. Zur Vermeidung
sehr geringer Schrittweiten kann der Wert von 10% mit einer festen
Mindestschrittweite von beispielsweise 1 l/min kombiniert werden.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann die zweite
Schrittweite der Erhöhung der Durchflussmenge vom aktuellen
Abstand des Lastzustands des Ventils zum vorbestimmten ersten Grenzwert
abgeleitet werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann die erste Schrittweite
der Erhöhung der Durchflussmenge vom aktuellen Abstand
des Lastzustandes des Ventils zum vorbestimmten Grenzwert abgeleitet werden.
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In
einer besonderen Variante dieser weiteren Variante der Erfindung
wird die zweite Schrittweite der Erhöhung der Durchflussmenge
von der ersten Schrittweite und/oder dem bisherigen Verlauf der zweiten
Schrittweite abgeleitet und in der Abfolge der Atemzyklen angepasst.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und im Folgenden näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Übersicht der Komponenten eines Beatmungsgerätes
zur HF-Beatmung
-
2 eine
erste Darstellung der Exspirations-Ventilüberwachung,
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3 eine
zweite Darstellung der Exspirations-Ventilüberwachung,
-
4 eine
erste Darstellung eines zeitlichen Verlauf der Anpassung der Durchflussmenge
in Abhängigkeit vom Ventilzustand,
-
5 eine
zweite Darstellung eines zeitlichen Verlauf der Anpassung der Durchflussmenge
in Abhängigkeit vom Ventilzustand,
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In
der 1 ist eine schematische Übersicht der
Komponenten eines Beatmungsgerätes dargestellt, das für
die Ausführung einer HF-Beatmung ausgerüstet ist.
Das Beatmungsgerät 1 besteht aus den Komponenten:
Einem
Inspirationsventil 2, einem Exspirationsventil 3,
einer Saugdüse 4, einer Eingabeeinheit 5,
einer Steuer- und Regeleinheit 7, einer Gasmischeinheit 8, einer
Gasdosiereinheit 9, einer Durchflussregelung 10,
einer Durchflussmessung 11, einer Druckregelung 12,
einer Druckmessung 13, einer Ventilansteuerung 14,
einer Ventilüberwachungseinheit 15, einem inspiratorischen
Gasanschluss 91, einem exspiratorischen Gasanschluss 92 und
einem Gasauslass 93. Weiterhin ist ein Stellgrößeneingang 6 vorhanden, mittels
dessen die für die Hochfrequenzbeatmung relevanten Stellgrößen 17, 18, 19, 20 als
ein Parametersatz 16 an die Druckregelung 12,
die Durchflussregelung 10 in der Steuer- und Regeleinheit 7 gelangen.
Die Eingabeeinheit 5 zur Parametereingabe ist mit einer
Anwender-Schnittstelle kombiniert ausgeführt und stellt
den Stellgrößeneingang 6 für
die vier Stellgrößen 17, 18, 19, 20 dar.
Die vier Stellgrößen 17, 18, 19, 20 sind:
als
eine erste Stellgröße 17 der Sollwert
der Frequenz zur Hochfrequenzbeatmung [fHF-ventilation],
als eine zweite Stellgröße 18 die Druckamplitude
[Pamplitude], als eine dritte Stellgröße 19 der
mittlere Atemwegsdruck [MAP] und als eine vierte Stellgröße 20 das I:E-Verhältnis
[RatioI:E]. Diese Stellgrößen
Frequenz 17, Druckamplitude 18, mittlerem Atemwegsdruck 19 und
I:E-Verhältnis 20 dienen als Sollvorgaben 21 für den
Beginn und die Durchführung der HF-Beatmung. Die Durchflussregelung 10,
die Druckregelung 12 und der Stellgrößeneingang 6 sind eng
an die Steuer- und Regeleinheit 7 angebunden. Die Steuer-
und Regeleinheit 7 übermittelt die Steuerbefehle
an die Ventilsteuerung 14 und erhält die Sollvorgaben 21 von der
Eingabeeinheit 5. Die Ventilüberwachungseinheit 15 ist
als Bestandteil der Ventilansteuerung 14 ausgeführt
und stellt eine Durchflussmengenerhöhung oder eine Durchflussmengenverminderung
ein. Einstellung der Durchflussmenge kann dabei im Sinne der vorliegenden
Erfindung einerseits durch vorgegebene Schrittweiten erfolgen, andererseits
ergeben sich bei einer Ausführung, in welcher die Lastsituation
des Exspirationsventils 3 in einem geschlossenen Regelkreis
einbezogen ist, veränderliche Schrittweiten. Die Ventilüberwachungseinheit 15 ist
in einer solchen Ausführung als Ventilregeleinheit mit
einem Regler ausgeführt. Der Patient 47 ist über
einen inspiratorischen Gasanschluss 91 und einen exspiratorischen
Gasanschluss 92 mit Hilfe von Zuleitungen 48,
in diesem Fall über ein Schlauchsystem, mit dem HF-Beatmungsgerät 1 verbunden.
Die Exspirationsluft wird über eine Saugdüse 4 aus
den Zuleitungen 48 herausgesogen und entweicht über
einen Gasauslass 93 an die Umgebung.
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In
der 2 ist eine erste Darstellung der Ventilsteuerung 14 und
der Exspirations-Ventilüberwachung 15 gemäß 1 gezeigt.
Gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in der 1 versehen.
Gemäß der ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform wird in der Steuerungs- und Regeleinheit 7 der
Stellwert am Eingang eines ersten Stellgliedes 70 des Exspirationsventils 3,
die Soll-Stromstärke [Iex-V_soll] 22,
als Eingangsgröße für den aktuellen Zustand
und die Lastsituation des Exspirationsventils 3 verwendet.
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In
der 3 ist eine zweite Darstellung der Ventilsteuerung 14 und
der Exspirations-Ventilüberwachung 15 gemäß 1 gezeigt.
Gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in der 1 versehen.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird
von der Steuerungs- und Regeleinheit 7 zur Ansteuerung
des Exspirationsventils 3 dem Eingang eines zweiten Stellgliedes 80 die
Soll-Stromstärke [Iex-V_soll] 22 zugeführt.
Es wird der durch die Windungen des Ventils fließende Ventilstrom
[Iex-V_ist] 23 gemessen und der
Steuerungs- und Regeleinheit 7 zur Verfügung gestellt.
Der Ventilstrom [Iex-V_ist] 23 wird
an einem Messwiderstand 30 als eine erste Messspannung 31 mittels
eines Voltmeters in der Ventilsteuerung 14 erfasst und
an die Steuerungs- und Regeleinheit 7 übermittelt.
In einer ersten erweiterten Variante wird die aktuelle Spannung
[Vex-V] 33 mittels eines zweiten
Voltmeters 35 an der Spule des Exspirationsventils 3 erfasst
und der Ventilsteuerung 14 zur Verfügung gestellt.
Wird die aktuelle Spannung [Vex-V] 33 im
Einschaltmoment des Exspirationsventils 3 erfasst, so stellt
diese aktuelle Spannung [Vex-V] 33 ein Maß der
Gegeninduktionsspannung des Ventils 3 dar. Gemäß der
vierten Ausführungsform wird die Gegeninduktionsspannung 35 des
Exspirationsventils 3 als Eingangsgröße
für den aktuellen Zustand und die Lastsituation des Exspirationsventils 3 verwendet
und an die Steuerungs- und Regeleinheit 7 übermittelt.
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In
einer zweiten erweiterten Variante wird die Kombination aus der
aktuellen Spannung [Vex-V] 33 und des Ventilstrom [Iex-V_ist] 23 verwendet, um in der Ventilsteuerung 14 einen
Windungswiderstand [Rex-V] 32 zu
berechnen. Der Windungswiderstand [Rex-V] 32 stellt über
die Temperaturabhängigkeit des Windungsmaterials ein direktes
Maß für die Erwärmung der Spule des Exspirationsventils 3 dar
und gibt im Vergleich mit einem vorbestimmten Referenzwert des Windungswiderstandes 32 die
Lastsituation des Exspirationsventils 3 wieder. Der Windungswiderstand 32 des
Exspirationsventils 3 wird als Eingangsgröße
für den aktuellen Zustand und die Lastsituation des Exspirationsventils 3 verwendet
und an die Steuerungs- und Regeleinheit 7 übermittelt.
Weiterhin ist in der 3 ein erster Temperatursensor 26 zur Überwachung
der Temperatur des Exspirationsventils 3 angeordnet, der
allein oder in Verbindung mit einem zweiten Temperatursensor 28 zur
Zustandsüberwachung des Exspirationsventils 3 herangezogen werden
kann.
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In
der 4 ist beispielhaft eine erste Darstellung eines
zeitlichen Verlaufs der Durchflussstellwerte 36 und eines
Ventilzustandsverlaufs 37 im Ablauf von Beatmungszyklen 38 abgebildet.
In einem ersten Atemzyklus 39 startet die HF-Beatmung zum Zeitpunkt
T0 mit einem Überschuss an Durchflussmenge, der Startwert
des Durchflusses 41 liegt mit 38 l/min oberhalb der für
die Einhaltung der Sollvorgaben 17, 18, 19, 20 (1)
minimal benötigten Durchflussmenge. Der Ventilzustand 37 ist
innerhalb eines zulässigen Bereiches 45. Im Verlauf
der folgenden Atemzyklen 40 wird zum Zeitpunkt T1 im nächstfolgenden
Atemzyklus die Durchflussmenge mit einer ersten Schrittweite von
5 l/min abgesenkt. Die erste Schrittweite 42 liegt im Bereich
von 1 l/min bis zu 20 l/min. Für die nächsten
drei Atemzyklen der Folge von Atemzyklen 40 bleibt der
Ventilzustand 37 trotz Absenkung unterhalb des vorgegebenen
ersten Schwellwertes 44 innerhalb des zulässigen
Bereichs 45. Während des fünften Atemzyklus
der Folge von Atemzyklen 40 überschreitet der
Ventilzustand 37 zum Zeitpunkt T2 den vorgegebenen ersten
Schwellwert 44 in einem unzulässigen Bereich 46.
Die Durchflussmenge wird darauf in einem sechsten Atemzyklus 40 zum
Zeitpunkt T3 mit einer zweiten Schrittweite von 30 l/min erhöht.
Die zweite Schrittweite 43 liegt im Bereich von 10 l/min
bis zu 100 l/min. Der Ventilzustand 37 ist nun wieder unterhalb
des vorgegebenen ersten Schwellwertes 44 im zulässigen
Bereich. In einem siebten Atemzyklus der Folge von Atemzyklen 40 wird
zum Zeitpunkt T4 die Durchflussmenge mit einer ersten Schrittweite
von 5 l/min abgesenkt. Der Ventilzustand 37 ist weiterhin
unterhalb des vorgegebenen ersten Schwellwertes 44 im zulässigen
Bereich 45. Dieser Verlauf wird zeitlich kontinuierlich
weiter zur Steuerung der HF-Beatmung fortgesetzt. An diesem beispielhaften
Verlauf wird die Einsparung an Gas ersichtlich. In einer Folge von
sieben Atemzyklen 39, 40 kann die Durchflussrate 36 über
die Rückkopplung über den Ventilzustand 37 von
einem Startwert von etwa 38 l/min auf einen durchschnittlichen Wert
im Bereich wenig oberhalb von 20 l/min abgesenkt werden. Das ergibt
für dies Beispiel überschlägig eine Einsparung
von Gas von 30% bis hin zu 50%. Die Wahl der ersten Schrittweite 42 zu
5 l/min und die Wahl der zweiten Schrittweite 43 zu 30
l/min ist beispielhaft. Wenn bei der Dimensionierung der Schrittweiten 42, 43 die
zweite Schrittweite 43 wie in diesem Beispiel größer
als die erste Schrittweite 42 gewählt wird, kehrt
die Ventilbelastung 37 rasch in den zulässigen
Bereich 45 zurück. In einer Variante zur Schrittweitenanpassung,
in dieser 4 nicht gezeigt, wird bei der
Fortsetzung des kontinuierlichen Verlaufs die zweite Schrittweite 43 bei
der nächsten erforderlichen Erhöhung der Durchflussmenge
auf einen Wert von 25 l/min verringert. Dies ermöglicht
eine Annäherung der Ventilbelastung in den zulässigen
Bereich 45 bei gleichzeitiger Verminderung von Schwankungen
in der Dosierung der Durchflussmenge. Die Reduzierung der zweiten Schrittweite 43 wird
im weiteren Verlauf wieder zurückgenommen, sobald eine
Erhöhung der Durchflussmenge mit der zweiten Schrittweite 43 nicht
zu einer Verminderung der Ventilbelastung 37 unterhalb des
ersten Schwellwertes 44 in den zulässigen Bereich 45 führt.
In diesem Fall wird die zweite Schrittweite 43 auf den
in der Sollvorgabe 21 hinterlegten Wert wieder zurückgesetzt.
Eine weitere, in der 4 nicht im zeitlichen Ablauf
gezeigte Variante zur Schrittweitenanpassung ist auf Basis des Abstandes zum
ersten Schwellwert 44 möglich, so kann die zweite
Schrittweite 43 in der Weite größer gewählt werden,
je weiter die Ventilsituation im unzulässigen Bereich 46 vom
ersten Schwellwert 44 entfernt liegt. Dies ermöglicht
bei extremen Änderungen der Lastsituation, wie sie durch
Variationen der Beatmung, beispielsweise durch vom Anwender vorgenommene Veränderungen
der Beatmungsfrequenz, des I:E-Verhältnisses oder des mittleren
Atemwegsdrucks, hervorgerufen werden, eine rasche Rückkehr
in den zulässigen Bereich 45.
-
In
der 5 ist beispielhaft eine zweite Darstellung eines
zeitlichen Verlaufs der Durchflussstellwerte 36 und eines
Ventilzustandsverlaufs 37 abgebildet. Die HF-Beatmung startet
zum Zeitpunkt T0 mit einem Überschuss an Durchflussmenge,
der Startwert des Durchflusses 41 liegt mit ungefähr
38 l/min oberhalb der für die Einhaltung der Sollvorgaben 17, 18, 19, 20 (1)
minimal benötigten Durchflussmenge. Im weiteren zeitlichen
Verlauf wird in vorgegebenen Zeitabständen der Ventilzustand überprüft und
die die Durchflussmenge angepasst. Die vorgegebenen Zeitabstände
sind dabei mit der Beatmungssteuerung synchronisiert, die Anpassung
findet dabei synchron zu jedem Atemzyklus oder synchron zu einer
Vielzahl mehrerer Atemzyklen statt. Ein praxistauglicher Wert zur
Einregelung der Ventilbelastung liegt im Bereich von ein bis fünf
Atemzyklen, proportional angepasst an die eingestellte Beatmungsfrequenz.
Der zeitliche Verlauf beginnt mit dem Zeitpunkt T0 und die Durchflussmenge
wird solange schrittweise abgesenkt, bis der Ventilzustand einen
vorgegebenen ersten Schwellwert 44 überschreitet.
Zum Zeitpunkt T1 wird die Durchflussmenge mit einer ersten Schrittweite
von 5 l/min abgesenkt. Die erste Schrittweite 42 liegt
im Bereich von 1 l/min bis zu 20 l/min. Der Ventilzustand 37 verbleibt trotz
drei weiterer folgender Absenkungsschritte mit der unterhalb des
vorgegebenen ersten Schwellwertes 44 innerhalb des zulässigen
Bereichs 45. Zum Zeitpunkt T2 überschreitet der
Ventilzustand 37 den vorgegebenen ersten Schwellwert 44 in
den unzulässigen Bereich 46. Die Durchflussmenge
wird daraufhin nicht weiter abgesenkt, sondern auf diesem Niveau
in einem Toleranzbereich 50 oberhalb des ersten Schwellwertes 44 solange
gehalten, bis ein zweiter Schwellwert 54 überschritten wird.
Die Überschreitung des zweiten Schwellwertes wird dabei
im Verlauf des Verfahrens nicht direkt durch eine weitere Absenkung
der Durchflussmenge verursacht, sondern ergibt sich durch Variationen
der Beatmung, beispielsweise durch vom Anwender vorgenommen Veränderungen
der Beatmungsfrequenz, des I:E-Verhältnisses oder der mittleren
Atemwegsdrucks. Solche Veränderungen können zu
einer Überschreitung des zweiten Schwellwertes 54 führen.
Nach Überschreitung des zweiten Schwellwertes 54 in
den unzulässigen Bereich 46 wird in diesem Beispiel
zum Zeitpunkt T3 die Durchflussmenge mit einer zweiten Schrittweite
erhöht. Da der Ventilzustand in dieser Ausführungsvariante
der Erfindung im Toleranzbereich 50 gehalten werden soll,
ist es sinnvoll, die zweite Schrittweite 43 in einer ähnlichen
Weise einzustellen wie die erste Schrittweite 42. Die zweite
Schrittweite 43 liegt damit im Bereich von 1 l/min bis
zu 20 l/min. Der Ventilzustand 37 ist nun wieder unterhalb
des vorgegebenen zweiten Schwellwertes 54 im zulässigen
Bereich 50. Der Ablauf der Absenkung der Durchflussmenge
wird zeitlich kontinuierlich weiter zur Steuerung der HF-Beatmung
fortgesetzt, sobald der erste Schwellwert 44 unterschritten
wird.
-
- 1
- Beatmungsgerät
- 2
- Inspirationsventil
- 3
- Exspirationsventil
- 4
- Saugdüse
- 5
- Eingabeeinheit
zur Parametereingabe
- 6
- Stellgrößeneingang
- 7
- Steuer-
und Regeleinheit zur Beatmungssteuerung,
- 8
- Gasmischeinheit
- 9
- Gasdosiereinheit
- 10
- Durchflussregelung
- 11
- Durchflussmessung
- 12
- Druckregelung
- 13
- Druckmessung
- 14
- Ventilansteuerung
- 15
- Ventilüberwachungseinheit,
Ventilregeleinheit
- 16
- Parametersatz
- 17
- erste
Stellgröße
- 18
- zweite
Stellgröße
- 19
- dritte
Stellgröße
- 20
- vierte
Stellgröße
- 21
- Sollvorgabe
- 22
- Soll-Stromstärke
- 23
- Ist-Stromstärke
- 26
- erster
Temperatursensor
- 28
- zweiter
Temperatursensor
- 30
- Messwiderstand
- 31
- erstes
Voltmeter
- 32
- Windungswiderstand
- 35
- zweites
Voltmeter
- 36
- Durchflussstellwertverlauf
- 37
- Ventilzustandsverlauf
- 38
- Beatmungsverlauf
- 39
- erster
Atemzyklus
- 40
- folgende
Atemzyklen
- 41
- Durchfluss-Startwert
- 42
- erste
Schrittweite
- 43
- zweite
Schrittweite
- 44
- erster
Schwellwert
- 45
- zulässiger
Bereich
- 46
- unzulässiger
Bereich
- 47
- Patient
- 48
- Zuleitungen/Schlauchsystem
- 49
- zweiter
Schwellwert
- 50
- Toleranzbereich
- 54
- zweiter
Schwellwert
- 70
- erstes
Stellglied
- 80
- zweites
Stellglied
- 91
- Inspiratorischer
Gasanschluss
- 92
- Exspiratorischer
Gasanschluss
- 93
- Gasauslass
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006048680
B3 [0002]
- - WO 2007142642 A1 [0002]
- - DE 3417954 A1 [0002]
- - DE 10347886 B3 [0006]
- - DE 10126821 C1 [0006]