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Die Erfindung betrifft eine Beatmungseinrichtung mit einer Quelle zur Lieferung eines Beatmungsvolumenstroms bzw. eines Beatmungsdrucks, zumindest umfassend einen Regelkreis, welcher mindestens einen Beatmungs-Drucksensor sowie eine Steuer- und Regeleinheit umfasst, die zur Ermittlung der Druckabweichung des Beatmungsdruckes gegenüber dem Drucksollwert und zur Erzeugung zumindest einer davon abhängigen Steuergröße eines Beatmungsventils zur Veränderung seines Strömungsquerschnitts für den Beatmungsvolumenstrom ausgebildet ist.
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Bei der Messung des Volumenstroms der Atmung bei maschineller Beatmung, nicht invasiver Beatmung bzw. bei Atemhilfe kommen unter anderem Volumenstromsensoren zum Einsatz, die zwischen dem so genannten Y-Stück und dem Beatmungstubus platziert sind. Insbesondere bei der Beatmung von Neugeborenen kann das innerhalb der Volumenstromsensoren enthaltene Volumen, welches auch als apparativer Totraum bezeichnet wird, nachteilig sein, da es höhere Beatmungsdruck-Einstellungen erfordert.
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Bei der nicht invasiven Beatmung, bei der dem Patienten das Beatmungsgas nicht über einen Beatmungstubus, sondern vorzugsweise über binasale Nasentuben zugeführt wird, lässt sich aus konstruktiven Gründen hingegen kein derartiger Volumenstromsensor platzieren.
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Unabhängig davon besteht die Notwendigkeit der Bestimmung des Volumenstromes zum und vom Patienten, die für die Ermittlung des applizierten Volumens, insbesondere aber für die Synchronisation der maschinellen Insufflation mit der spontanen Inspiration des Patienten genutzt werden kann (Triggerung).
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Um eine solche totraumfreie oder totraumarme Messung des Volumenstromes, zumindest jedoch der Triggerung zu erreichen, werden unterschiedliche Verfahren benutzt.
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Ist der Strömungswiderstand des Beatmungsgerätes hoch, kann man einen Drucktrigger verwenden, der den durch den Inspirationsbeginn des Patienten erzeugten Abfall des Beatmungsdruckes gegenüber dem positiven endexspiratorischen Druck (PEEP) ausnutzt. Moderne Beatmungsgeräte verfügen jedoch über Beatmungsdruck-Regelungen solch hoher Regelgüte, dass sich der Beatmungsdruck bei Inspirationsbeginn praktisch nicht ändert und damit für eine Triggerung auf der Basis des Druckes nicht mehr so einfach nutzbar ist.
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Bei der Ausführung eines Beatmungsgerätes mit Volumenstromsensor wird jeweils ein Volumenstromsensor innerhalb des Inspirations- und innerhalb des Exspirationsschlauchs angeordnet, wobei der zum Patienten strömende Volumenstrom aus der Differenz beider Volumenströme ermittelt werden kann.
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Bei einer weiteren Variante wird die Volumenänderung des Thorax über von außen um den Brustkorb angelegten Sensoren genutzt. In einer anderen Variante erfasst wiederum eine Druckkapsel die Aktivität der Atemmuskulatur und steuert darüber den Insufflationsbeginn des Beatmungsgerätes.
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Den letztgenannten Verfahren ist immanent, dass zusätzliche Sensoren benötigt werden, die in teils komplizierter Weise am Körper des Patienten befestigt werden und die zudem auch nicht störungsfrei arbeiten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Beatmungseinrichtung vorzuschlagen, die totraumfrei, also ohne zusätzliche Volumenstromsensoren, lediglich unter Ausnutzung bereits in der Beatmungseinrichtung vorhandener Signale die Bestimmung des Volumenstroms der Atmung ermöglicht, so dass dieser zumindest für die Triggerung der maschinellen Insufflation verwendet werden kann.
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Nach der Konzeption der Erfindung umfasst die Beatmungseinrichtung mit einer Quelle zur Lieferung eines Beatmungsvolumenstroms bzw. eines Beatmungsdrucks zumindest einen Regelkreis, welcher mindestens einen Beatmungs-Drucksensor sowie eine Steuer- und Regeleinheit umfasst, die zur Ermittlung der Druckabweichung des Beatmungsdruckes gegenüber dem Drucksollwert und zur Erzeugung zumindest einer davon abhängigen Steuergröße eines Beatmungsventils zur Veränderung seines Strömungsquerschnitts für den Beatmungsvolumenstrom ausgebildet ist. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass die Steuer- und Regeleinheit derart ausgebildet ist, um aus der Steuergröße oder einem im mathematischen Zusammenhang mit dem Strömungsquerschnitt des Beatmungsventils stehenden Signal den Beatmungsvolumenstrom zu ermitteln.
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Der Kern der Erfindung liegt im Wesentlichen darin, dass das Beatmungsventil als ein Glied des Regelkreises für den Beatmungsdruck einen hohen pneumatischen Widerstand aufweist, wodurch Veränderungen des Volumenstroms durch dieses Beatmungsventil, beispielsweise infolge einer Spontanatmung eines Patienten, auf Grund der Schnelligkeit des Druckregelkreises zu einer nahezu sofortigen Anpassung des Strömungsquerschnitts des Beatmungsventils führen mit der Folge, dass der Beatmungsdruck konstant gehalten wird.
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Zum Zwecke einer präziseren Ermittlung des Beatmungsvolumenstroms wird zusätzlich zu der Steuergröße oder dem im mathematischen Zusammenhang mit dem Strömungsquerschnitt des Beatmungsventils stehenden Signal auch der durch den Beatmungs-Drucksensor detektierten Beatmungsdruck hinzugezogen.
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Als Beatmungsventil ist im Sinne der Erfindung ein Inspirationsventil, ein Exspirationsventil oder ein kombiniertes Inspirations-/Exspirationsventil vorgesehen.
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Eine noch weiter präzisierte Ermittlung des Beatmungsvolumenstroms wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, indem der jeweilig über dem Beatmungsventil anliegende Differenzdruck zweier Drucksensoren berücksichtigt wird, wobei
- • im Fall der Ausbildung des Beatmungsventils als Inspirationsventil der Beatmungs-Drucksensor dem Inspirationsventil nachgeordnet ist, und ein zweiter Drucksensor vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung vor dem Inspirationsventil platziert ist,
- • im Fall der Ausbildung des Beatmungsventils als Exspirationsventil der Beatmungs-Drucksensor dem Exspirationsventil vorgeordnet ist und ein zweiter Drucksensor vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung nach dem Exspirationsventil platziert ist und
- • im Fall der Ausbildung des Beatmungsventils als kombiniertes Inspirations-/Exspirationsventil der Beatmungs-Drucksensor zwischen dem Ausgang des Inspirationsventils und dem Eingang des Exspirationsventil – vorzugsweise am Y-Stück – angeordnet ist, und ein zweiter Drucksensor vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung vor dem Inspirationsventil platziert ist, und ein dritter Drucksensor vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung nach dem Exspirationsventil platziert ist.
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Die Steuergröße oder das im mathematischen Zusammenhang mit dem Strömungsquerschnitt des Beatmungsventils stehende Signal ist vorzugsweise ein elektrisches, magnetisches, pneumatisches oder mechanisches Signal, welches entweder den Strömungsquerschnitt des Beatmungsventils mittelbar oder unmittelbar beeinflusst oder an diesem abgreifbar ist.
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Dabei ist dem Fachmann selbstverständlich, dass unter den im mathematischen Zusammenhang mit dem Strömungsquerschnitt des Beatmungsventils stehenden Signalen alle diejenigen Signale zu verstehen sind, die in der Signalkette, beginnend bei dem Ausgang der Steuer- und Regeleinheit des Druckregelkreises über das Steuersignal für das Beatmungsventil, bis zu demjenigen Signal, welches dem Strömungsquerschnitt des Beatmungsventils entspricht, erfassbar sind.
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Die ermittelten Messgrößen werden besonders vorteilhafterweise unter Verwendung eines Berechnungsalgorithmus zur Ermittlung des Beatmungsvolumenstroms eingesetzt.
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Hierzu nutzt man die Kenntnis der theoretisch oder experimentell ermittelten pneumatischen Kennlinie des Beatmungsventils, wobei V' = f(w, Pv1, Pv2, a, b, c), um auch quantitativ den Volumenstrom bestimmen zu können. Dabei bedeuten V' den Volumenstrom, Pv1 und Pv2 die Drücke vor und nach dem Beatmungsventil, w die Öffnungsweite bzw. der Strömungsquerschnitt des Beatmungsventils und a, b, c weitere von der Geometrie des Ventiles abgeleitete Parameter, deren Anzahl unterschiedlich sein kann. Für höhere Genauigkeitsansprüche kann zusätzlich auch noch Temperatur, Luftdruck und Feuchte des Atemgases berücksichtigt werden. Als mechanischer Parameter an Stelle der Öffnungsweite w des Ventiles kann beispielsweise auch die Position s des beweglichen Ventilkörpers (z. B. Ventilkolben) des Beatmungsventils verwendet werden.
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Das vorgenannte Signal s ist demnach ein Positionssignal des relativ gegenüber dem Ventilgehäuse beweglichen Ventilkörpers des Beatmungsventils.
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Der Ort für die Messung des Druckes vor und nach dem Beatmungsventil muss nicht zwingend unmittelbar am Beatmungsventil gewählt werden. So kann im Falle der Verwendung eines Inspirationsventils als Beatmungsventil die Messung des Druckes Pv2 unmittelbar nach dem Beatmungsventil, aber beispielsweise auch erst in einer Entfernung von 1,5 m vom Beatmungsventil, z. B. im Bereich des Y-Stücks erfolgen.
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Im einfachsten, natürlich auch ungenauesten Fall wird ein vereinfachter Volumenstrom lediglich aus der Öffnungsweite bzw. aus dem Strömungsquerschnitt w des Beatmungsventils oder der Position s seines Ventilkörpers berechnet, aus dem wiederum ein vereinfachter Triggerzeitpunkt berechnet werden kann.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Messgröße bzw. ein Signal, welches den Strömungsquerschnitt bzw. die Öffnungsweite des Beatmungsventils repräsentiert – in Verbindung mit den Drücken am Eingang und am Ausgang des Beatmungsventils – ein Maß für den Volumenstrom der Atmung und kann nach einer weiteren Bewertung, u. a. auch als auslösendes Signal für die Triggerung der maschinellen Insufflation durch die Steuer- und Regeleinheit verwendet werden.
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Die Steuer- und Regeleinheit ist also derart ausgebildet, dass sie das berechnete Volumenstromsignal zur weiteren Auswertung innerhalb der Beatmungseinrichtung verwendet und/oder zur Triggerung eines maschinellen Atemzuges verwendet.
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Der Weg des Erfindungsgedankens wird auch nicht verlassen, wenn unter Verwendung von mathematischen Modellen auch andere Signale abgeleitet werden. Maßgeblich für die Erfindung sind demnach alle Signale, die, abgesehen von einer zeitlichen Abhängigkeit, in einem mathematischen Zusammenhang, vorzugsweise proportional, zur Öffnungsweite des Ventils stehen.
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Verfahrensmäßig erfolgt die Regelung einer Beatmungseinrichtung durch die Verfahrensschritte:
- • Erfassung der Eingangsgrößen und/oder der Ausgangsgrößen des Beatmungsventils, wie z. B. der Steuergrößen, oder der in Zusammenhang mit der Öffnungsweite des Ventiles stehender Größen und vorzugsweise mindestens einem der Drücke Pv1 und Pv2 über dem Beatmungsventil, und nachfolgend
- • Einsetzen der Eingangsgrößen und/oder Ausgangsgrößen als Messgrößen unter Verwendung eines Berechnungsalgorithmus zur Ermittlung des Beatmungsvolumenstroms.
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Zur Optimierung wird dem Verfahren ein Algorithmus hinzugefügt, welcher es gestattet, eine fehlerhafte Erkennung der Einatmung des Patienten zu unterdrücken. Ferner beinhaltet der Algorithmus eine Methode, um die Empfindlichkeit der Erkennung der Inspirationsbemühung zu verändern.
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Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- • die Detektierung der Inspiration des Patienten und Ermittlung des Beatmungsvolumenstroms zum Patienten erfolgt – ohne zusätzlichen apparativen Totraum – lediglich unter Ausnutzung bereits vorhandener geräteinterner Signale,
- • der ermittelte Beatmungsvolumenstrom kann für die Triggerung der maschinellen Insufflation verwendet werden.
- • die Beatmungseinrichtung ist kostengünstig und weniger störanfällig, da keine Volumenstromsensoren eingesetzt werden müssen.
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Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
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1: eine schematische Darstellung des inspiratorischen Zweiges einer erfindungsgemäßen Beatmungseinrichtung,
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2: eine schematische Darstellung des exspiratorischen Zweiges einer erfindungsgemäßen Beatmungseinrichtung und
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3: eine schematische Darstellung der Kombination eines exspiratorischen Zweiges und eines inspiratorischen Zweiges einer erfindungsgemäßen Beatmungseinrichtung.
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Die 1 illustriert eine schematische Darstellung des inspiratorischen Zweiges einer erfindungsgemäßen Beatmungseinrichtung. Der inspiratorische Zweig umfasst im Wesentlichen eine Beatmungsdruckquelle 5.1, die ausgangsseitig mit dem Eingang des als Inspirationsventil 6.1 ausgebildeten Beatmungsventils 6 gekoppelt ist. Das Inspirationsventil 6.1 seinerseits ist ausgangsseitig über den Inspirationsausgang 7 und den Inspirationsschlauch 8 mit dem ersten Stutzen des V-Stücks 9 verbunden. Der zweite Stutzen des V-Stücks 9 ist mit dem Exspirationsschlauch 11 verbunden und führt zu dem nur andeutungsweise dargestellten Exspirationseingang 12 der Beatmungseinrichtung. Der zentrale dritte Stutzen des Y-Stückes 9 führt zum symbolisch dargestellten Patienten 10.
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Es finden zwei Drucksensoren 2.1 und 2.2 Verwendung, von denen der Beatmungs-Drucksensor 2.1 den Beatmungsdruck P2.1 zwischen dem Ausgang des Inspirationsventils 6.1 und dem Inspirationsausgang 7 und der Drucksensor 2.2 den Vordruck P2.2 vor dem Inspirationsventil 6.1 misst. Das Wegmess-System 4 misst die Position des Ventilkörpers des Inspirationsventils 6.1 gegenüber dessen Gehäuse als Maß für den Strömungsquerschnitt, d. h. einer definierten Position ist ein definierter Strömungsquerschnitt zugeordnet. Die Ausgänge der Drucksensoren 2.1 und 2.2 sowie der Ausgang des Wegmess-Systems 4 sind signalleitend mit den zugehörigen Eingängen der Steuer- und Regeleinrichtung 1 verbunden. Die Steuer- und Regeleinrichtung 1 hat die Aufgabe der Regelung des Beatmungsdruckes P2.1 auf den Sollwert Psoll. Zu diesem Zweck erzeugt sie aus der Regelabweichung (Psoll – P2.1) über einen Regelalgorithmus das Steuersignal Ust, mit welchem der auf das Inspirationsventil 6.1 wirkende Aktuator 3 beaufschlagt wird. Der Aktuator 3 verändert die Position des Ventilkörpers, so dass das Regelziel erreicht wird. Die Steuer- und Regeleinrichtung 1 berechnet nach einem theoretisch oder experimentell ermittelten Algorithmus aus den Drücken P2.1, P2.2 und dem Steuersignal Ust den inspiratorischen Volumenstrom V' und daraus nach einem weiteren Algorithmus den Triggerzeitpunkt zum Starten der nächsten maschinellen Insufflation. In einer weiteren vereinfachten Ausführung wird der inspiratorische Volumenstrom lediglich aus dem Steuersignal Ust und daraus der Triggerzeitpunkt abgeleitet; jedoch ohne Berücksichtigung der Drücke P2.1 und P2.2.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung des exspiratorischen Zweiges einer erfindungsgemäßen Beatmungseinrichtung, wenn am Eingang keine Druckquelle in Gestalt der Druckquelle 5.1 vorliegt, sondern eine Volumenstromquelle in Gestalt einer Volumenstromquelle 5.2, die einen konstanten Volumenstrom V'ins0 liefert. Dies ist z. B. der Fall bei Geräten für die CPAP-Atemhilfe. Der exspiratorische Zweig umfasst im Wesentlichen die Volumenstromquelle 5.2 die ausgangsseitig über den Inspirationsausgang 7 und den Inspirationsschlauch 8 mit dem ersten Stutzen des Y-Stückes 9 verbunden ist. Der zweite Stutzen des Y-Stückes 9 ist mit dem Exspirationsschlauch 11 verbunden und führt über den Exspirationseingang 12 der Beatmungseinrichtung zum Eingang des Exspirationsventils 6.2. Der zentrale dritte Stutzen des Y-Stückes 9 führt zum symbolisch dargestellten Patienten 10. Das Exspirationsventil 6.2 ist ausgangsseitig exemplarisch mit einer Druckquelle 13 gekoppelt, die in diesem Fall durch einen Injektor zur Erzeugung eines negativen Drucks gebildet wird. Es finden zwei Drucksensoren 2.1 und 2.3 Verwendung, von denen der Beatmungs-Drucksensor 2.1 den Beatmungsdruck P2.1 vor dem Exspirationsventil 6.2 und der Drucksensor 2.3 den Druck P2.3 nach dem Exspirationsventil 6.2 misst. Die weitere Verarbeitung der Signale ist identisch zur Beschreibung der 1, wobei jeweils der Drucksensor 2.2 durch den Drucksensor 2.3 zu ersetzen ist. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass im Gegensatz zur 1, wo der Volumenstrom durch das Inspirationsventil 6.1 bestimmt wurde, der Volumenstrom durch das Exspirationsventil 6.2 bestimmt wird. Zur Bestimmung des Volumenstromes zum Patienten 10 muss der berechnete Volumenstrom V'ex durch das Exspirationsventil 6.2 von dem Speise-Volumenstrom V'0 subtrahiert werden.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung der Kombination eines exspiratorischen Zweiges und eines inspiratorischen Zweiges einer erfindungsgemäßen Beatmungseinrichtung. In diesem Fall ergänzen sich das Inspirationsventil 6.1 und das Exspirationsventil 6.2 zu einer konstruktiven Einheit, wobei das Inspirationsventil 6.1 und das Exspirationsventil 6.2 mechanisch fest miteinander gekoppelt sind und gegenläufig wirken. Die mechanische Kopplung 14 ist durch die gestrichelte Linie symbolisiert. Es wirkt als Eingang wieder die Druckquelle 5.1. Der inspiratorische Volumenstrom wird in Analogie zu 1 bestimmt und der exspiratorische Volumenstrom in Analogie zu 2. Die Messung des Beatmungsdruckes P2.1 erfolgt in diesem Falle unmittelbar am Y-Stück 9. Der für beide Ventile 6.1 und 6.2 gleichermaßen verwendete Aktuator 3 sowie das Wegmess-System 4 sind symbolhaft dem Inspirationsventil 6.1 zugeordnet.
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Der Volumenstrom zum Patienten 10 wird aus der Differenz des inspiratorischen Volumenstroms zum exspiratorischen Volumenstrom berechnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuer- und Regeleinheit
- 2
- Drucksensor(en)
- 2.1
- Beatmungs-Drucksensor
- 2.2
- Drucksensor
- 2.3
- Drucksensor
- 3
- Aktuator
- 4
- Wegmess-System
- 5
- Quellen)
- 5.1
- Beatmungsdruckquelle
- 5.2
- Beatmungsvolumenstromquelle
- 6
- Beatmungsventil
- 6.1
- Inspirationsventil
- 6.2
- Exspirationsventil
- 7
- Inspirationsausgang
- 8
- Inspirationsschlauch
- 9
- Y-Stück
- 10
- Patient
- 11
- Exspirationsschlauch
- 12
- Exspirationseingang
- 13
- Druckquelle
