DE102009041247A1

DE102009041247A1 - Verfahren für eine druckkontrollierte Beatmung

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Publication number: DE102009041247A1
Application number: DE102009041247A
Authority: DE
Inventors: Alessandro Dr. Beda; Marcelo Gama de Prof. Dr. Abreu; Peter Dr. Spieth; Andreas Dr. Güldner
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Bei einem Verfahren für eine druckkontrollierte Beatmung, wobei die Beatmung mittels einer Beatmungseinrichtung und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Steuerung erfolgt und wobei die Applikation des Atemgases durch die Beatmungseinrichtung auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau - entsprechend einem inspiratorischen Atemwegsdruck- und einem unteren Niveau - entsprechend einem endexspiratortischen Atemwegsdruck- durchgeführt wird, wird eine variable durckkontrollierte Beatmung mittels einer Steuerung einer Variation des inspiratorischen Atemwegsdrucks (Ps(i) mit i = 1, 2, 3, ..., m) von Atemzug zu Atemzug in der Beatmungseinrichtung (11) durchgeführt, wobei das Variationsmuster (5, 10) des inspiratorischen Atemwegsdrucks (Ps) anhand einer vorgegebenen Verteilung der Atemzugvolumina (4) unter Berücksichtigung der aktuellen Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen Systems (12) festgelegt und geregelt wird, wobei die Werte der Atemzugvolumina eine Verteilung mit einem vorgewählten Mittelwert (V) und einer vorgewählten Standardabweichung (V) (4) bilden und wobei eine Regelung (4, 5, 6, 8, 9 und 12) die Applikation der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina (4) selbstständig überwacht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine druckkontrollierte Beatmung, wobei die Beatmung mittels einer Beatmungseinrichtung und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Steuerung und wobei die Applikation des Atemgases durch die Beatmungseinrichtung auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem inspiratorischen Atemwegsdruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck durchgeführt wird.
Die kontrollierte Beatmung stellt eine Methode zur Sicherung des Gasaustauschs kritisch kranker Patienten dar, bei denen die Zulassung von Spontanatmung und damit die Anwendung assistierter Beatmungsformen nicht möglich oder unerwünscht ist. Zur Durchführung einer kontrollierten Beatmung stehen verschiedene Beatmungsformen zur Verfügung. Die volumenkontrollierte Beatmung ist ein kontrollierter Beatmungsmodus, bei dem durch Anwendung eines positiven Atemwegsdrucks ein voreingestelltes Atemzugvolumen, (engl. tidal volume) V_T appliziert wird. Dabei wird der Atemwegsdruck vom Beatmungsgerät so variiert, dass das Atemzugvolumen auch unter veränderlichen mechanischen Bedingungen des respiratorischen Systems konstant bleibt. Es resultiert ein monotones Atemmuster ohne Variabilität der Atemzugvolumina, welches eine exakte Kontrolle des applizierten Atemzeitvolumens (engl. minute ventilation), resultierend aus den voreingestellten Parametern Atemzugvolumen und Atemfrequenz (engl. respiratory rate), erlaubt. Bedingt durch die Verwendung des Atemzugvolumens als Kontrollvariable ist keine Kontrolle der Atemwegsspitzendrücke (engl. peak pressure) und damit ein kritischer Anstieg derselben bei veränderten mechanischen Bedingungen des respiratorischen Systems möglich.
Die druckkontrollierte Beatmung stellt einen weiteren Standardmodus unter den kontrollierten Beatmungsformen dar. Bei diesem Verfahren wird in Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems durch einen voreingestellten, konstanten, inspiratorischen Atemwegsdruck ein bestimmtes, resultierendes Atemzugvolumen appliziert. Es entsteht ein Atemmuster, welches bei gleichbleibenden mechanischen Bedingungen eine geringe Variabilität der Atemzugvolumina aufweist. Im Gegensatz zur volumenkontrollierten Beatmung ist durch die Verwendung des inspiratorischen Atemwegsdrucks als Kontrollvariable keine Kontrolle der Atemzugvolumina möglich. Daraus können bei wechselnden mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems erhebliche Schwankungen der Atemzugvolumina mit einem konsekutiven kritischen Abfall bzw. Anstieg des Atemzeitvolumens resultieren. Um diesen Effekt zu minimieren, ist eine möglichst rasche Adaptation des inspiratorischen Atemwegsdrucks an die veränderten Bedingungen notwendig. Ein Verfahren, welches eine Anpassung des inspiratorischen Atemwegsdrucks ermöglicht, ist in der Druckschrift Laubscher, T. P., Heinrichs, W., Weiler, N., Hartmann, G., and Brunner, J. X.: An adaptive lung ventilation controller. IEEE T Biomed Eng 1994 41: 51–59 beschrieben. Bei der adaptiven druckkontrollierten Beatmung wird anhand eines Vergleichs von Ist-Wert und Soll-Wert des aktuellen Atemzugvolumens der inspiratorische Atemwegsdruck für den folgenden Atemzug so festgelegt, dass die Applikation konstanter Atemzugvolumina während druckkontrollierter Beatmung erreicht wird.
In der Druckschrift Prella M, Feihl F, Domenighetti G.: Effects of short-term pressure-controlled ventilation an gas exchange, airway pressures, and gas distribution in patients with acute lung injury/ARDS: comparison with volume-controlled ventilation. Chest. 2002 Oct; 122(4): 1382–8 und in der Druckschrift C. Heimberg, M. Winterhalter, M. Strüber, S. Piepenbrock, M. Bund.: Pressure-Controlled versus Volume-Controlled One-Lung Ventilation for MIDCAB. Thorac Cardiov Surg 2006; 54: 516–520 sind Vergleiche zwischen volumen- und druckkontrollierter Beatmung beschrieben, in denen zum einen ein reduzierter Atemwegsspitzendruck und eine homogenere Verteilung der Ventilation in der Lunge und zum anderen ein verbesserter Gasaustausch unter druckkontrollierter Beatmung nachgewiesen werden.
Ein Problem von sowohl volumen- und druckkontrollierter Beatmung als auch adaptiver druckkontrollierter Beatmung besteht darin, dass durch von Atemzug zu Atemzug konstante Zielparameter Atemzugvolumen bzw. Inspirationsdruck ein monotones Atemmuster mit unphysiologisch niedriger Variabilität der Atemzugvolumina generiert wird. Dies bedingt einen Verlust der intrinsischen Variabilität des respiratorischen Systems unter kontrollierter Beatmung.
In der Druckschrift Spieth PM, Carvalho AR, Pelosi P, Hoehn C, Meissner C, Kasper M, Hübler M, von Neindorff M, Dassow C, Barrenschee M, Uhlig S, Koch T, de Abreu MG., Variable tidal volumes improve lung protective ventilation strategies in experimental lung injury., Am J Respir Crit Care Med. 2009 Apr 15; 179(8): 684–93 konnte unsere Arbeitsgruppe nachweisen, dass durch die Applikation variabler Atemzugvolumina unter volumenkontrollierter Beatmung in verschiedenen Situationen positive Effekte auf die Lungenfunktion und -protektion zu erzielen sind. In den Druckschriften Suki B, Alencar AM, Sujeer MK, Lutchen KR, Collins JJ, Andrade JS Jr, Ingenito EP, Zapperi S, Stanley HE., Life-support system benefits from noise., Nature. 1998 May 14; 393(6681): 127–8 and Lefevre GR, Kowalski SE, Girling LG, Thiessen DB, Mutch WA., Improved arterial oxygenation after oleic acid lung injury in the pig using a computer-controlled mechanical ventilator., Am J Respir Crit Care Med. 1996 Nov; 154(5): 1567–72 werden vergleichbare Ergebnisse während der Anwendung einer variablen volumenkontrollierten Beatmung beschrieben.
In der Druckschrift Gama de Abreu M, Spieth PM, Kocht T., Verfahren und Beatmungseinrichtung zur druckunterstützten Spontanatmung, DE 10 2006 052 572 B3 , wird ein Verfahren zur variablen Druckunterstützungsbeatmung beschrieben, bei dem die Standardabweichung der Verteilung des Atemwegsunterstützungsdrucks vom Beatmungseinrichtung vorgegeben wird. Ein Problem des Verfahrens ist, dass die resultierenden Atemzugvolumina nicht berücksichtigt werden und somit ein konsekutiv kritischen Abfall bzw. Anstieg des Atemzeitvolumens resultieren kann. Ein anderes Problem ist, dass aufgrund fehlender Rückkopplung die respiratorische Anstrengung des Patienten bei der Applikation des Atemwegsunterstützungsdrucks nicht berücksichtigt wird, und somit die tatsächliche Verteilung der Atemwegsunterstützungsdrücke deutlich von der vorgegebenen abweichen kann.
In der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung Gama de Abreu M, Spieth PM, Koch T., Kontroller für Beatmungsgeräte zur Regelung einer variablen Druckunterstützungsbeatmung, Aktenzeichen-Nr. DE 10 2008 060 799.1 , wird ein Kontroller für die Anpassung des Mittelwertes und der Standardabweichung der Druckunterstützung unter assistierter Spontanatmung beschrieben. Dabei handelt es sich um einen Kontroller zur Steuerung der Druckunterstützungsbeatmung, welcher derart ausgebildet ist, dass Mittelwert und Standardabweichung des Atemzugvolumens des Patienten durch das Beatmungsgerät moduliert werden. Dabei wird der Unterschied zwischen der Soll-Standardabweichung und der Ist-Standardabweichung des Atemzugvolumens erfasst und die Standardabweichung des Atemwegsunterstützungsdrucks so adjustiert, dass die Soll-Standardabweichung des Atemzugvolumens erreicht wird. Gleichzeitig wird der mittlere Atemwegsunterstützungsdruck angepasst, um ein adäquates mittleres Atemzugvolumen zu gewährleisten.
Ein Problem des Verfahrens ist es, dass die mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems nicht berücksichtigt werden und somit abrupte Veränderungen von Lungendehnbarkeit oder Atemwegswiderstand relativ große Abweichungen von der Soll-Standardabweichung des Atemzugvolumens induzieren. Ein anderes Problem ist, dass die Standardabweichung des Atemzugvolumens über eine Zeit von bis zu 2 min errechnet werden muss, bevor der Kontroller die Soll-Variabilität des Atemwegsunterstützungsdrucks justieren kann und somit nur eine langsame Anpassung derselben möglich ist. Ein weiteres Problem besteht darin, dass sich der Kontroller nicht an ein beliebiges Variabilitätsmuster des Atemzugvolumens anpassen kann, sondern sich lediglich nach dessen Standardabweichung orientiert. Somit kann eine von einer Normalverteilung abweichende vorgegebene Verteilung des Atemzugvolumens nicht erreicht werden. Ein letztes Problem dieses Verfahrens besteht darin, dass es ausschließlich für Patienten geeignet ist, welche eine Spontanatmungsaktivität aufweisen.
Unter druckkontrollierter bzw. adaptiver druckkontrollierter Beatmung kann eine Variation der Atemzugvolumina durch die Applikation variabler inspiratorischer Atemwegsdrücke realisiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter veränderlichen mechanischen Bedingungen des respiratorischen Systems im druckkontrollierten Beatmungsmodus die Applikation eines festgelegten mittleren Atemzugvolumens mit einer vorgewählten atemzugweisen Variabilität sicherzustellen. Die Applikation der resultierenden vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina soll durch die Erfindung selbstständig im Sinne eines Regelkreises überwacht werden. Damit sollen die Vorteile einer druckkontrollierten Beatmung mit reguliertem Atemzugvolumen und einer variablen Beatmung im Sinne einer variablen adaptiven druckkontrollierten Beatmung kombiniert werden, um einerseits bei wechselnden mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems einen kritischen Abfall bzw. Anstieg des Atemzeitvolumens zu verhindern und andererseits ein Atemmuster mit physiologischer Variabilität der Atemzugvolumina zu induzieren. Dieses Verfahren soll besonders dazu geeignet sein, die Variabilität der Atemzugvolumina für Patienten, die keine Spontanatmungsaktivität aufweisen, zu gewährleisten, wie z. B. im krankheitsbedingten bzw. medikamentös induzierten Komazustand.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausprägungen der Erfindung geben die abhängigen Ansprüche an.
In dem Verfahren zur druckkontrollierten Beatmung, wobei die Beatmung mittels einer Beatmungseinrichtung und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Steuerung erfolgt und wobei die Applikation des Atemgases durch die Beatmungseinrichtung auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem inspiratorischen Atemwegsdruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck durchgeführt wird, wird gemäß der Erfindung eine variable druckkontrollierte Beatmung mittels einer Steuerung einer Variation des inspiratorischen Atemwegsdrucks Ps(i) mit i = 1, 2, 3, ..., m von Atemzug zu Atemzug in der Beatmungseinrichtung durchgeführt. Dabei wird das Variationsmuster des inspiratorischen Atemwegsdruckes Ps anhand einer vorgegebenen Verteilung der Atemzugvolumina unter Berücksichtigung der aktuellen Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen Systems festgelegt und z. B. mittels eines Computers geregelt, wobei die Werte der Atemzugvolumina eine Verteilung mit einem vorgewählten Mittelwert und einer vorgewählten Standardabweichung bilden und wobei die Applikation der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina selbstständig im Sinne eines Regelkreises überwacht wird.
Während der Durchführung einer erfindungsgemäßen variablen druckkontrollierten Beatmung kann die Applikation jeder vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina mit beliebigem Variationsmuster, z. B. einem fraktal ausgebildeten Variationsmuster, sichergestellt und selbstständig im Sinne eines Regelkreises überwacht werden.
Während der Durchführung einer erfindungsgemäßen variablen druckkontrollierten Beatmung kann bei jedem Atemzug ein unterschiedlicher inspiratorischer Atemwegsdruck Ps erzeugt werden.
Die Durchführung einer variablen druckkontrollierten Beatmung mit der erfindungsgemäßen Regelung weist folgende Schritte auf: In einem ersten Schritt wird vom Benutzer eine vorgewählte Verteilung der Atemzugvolumina mit Mittelwert V_T,m und Standardabweichung V_T,s festgelegt. Im nächsten Schrit wird durch den Generator für das Variationsmuster der Atemzugvolumina aus der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina ein Wert für das aktuelle Atemzugvolumen V_T,d(i) gemäß der Gleichung (1): V_T,d(i) = V_T,m + V_T,s·w(i) (1) generiert, wobei w weißes Rauschen repräsentiert. Der zugehörige aktuelle inspiratorische Atemwegsdruck Ps(i) wird aus der aus der Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen Systems resultierenden Verteilung der inspiratorischen Atemwegsdrücke mit Mittelwert und Ps_m(i) Standardabweichung Ps_s(i) nach folgender Gleichung (2): Ps(i) = Ps_m(i) + Ps_s(i)·w(i) (2) generiert und an die Beatmungseinrichtung übermittelt und appliziert.
Der Mittelwert Ps_m(i) und die Standardabweichung Ps_s(i) der resultierenden Verteilung der inspiratorischen Atemwegsdrücke werden nach jedem Atemzyklus im Sinne eines Regelkreises korrigiert. Dazu wird die Differenz aus dem Soll-Wert V_T,d(i) und dem Ist-Wert V_T(i) des aktuellen Atemzugvolumen ΔV_T(i) nach folgender Gleichung (3): ΔV_T(i) = V_T,d(i) – V_T(i) (3) kalkuliert. Anhand der Differenz ΔV_T(i) werden die korrigierten Werte für Mittelwert Ps_m(i) und Standardabweichung Ps_s(i) der resultierenden Verteilung der inspiratorischen Atemwegsdrücke gemäß der Methode der kleinsten Fehlerquadrate nach folgenden Gleichungen (4 und 5): PS_m(i + 1) = Ps_m(i) – α_m(i)·ΔV_T(i) (4) Ps_s(i + 1) = Ps_s(i) – α_s(i)·ΔV_T(i)·w(i) (5) kalkuliert. Dabei representieren α_m(i) und α_s(i) Anpassungsfaktoren, durch die die Geschwindigkeit der Korrektur von Mittelwert Ps_m(i) und Standardabweichung Ps_s(i) der resultierenden Verteilung der inspiratorischen Atemwegsdrücke anhand der folgenden Gleichungen (6, 7 und 8) mit beispielhaften Werten für die Gleichungen 6 und 7: α_m(i) = E(i)/2000 (6) α_s(i) = 0.001/(0.0417 + exp(–0.1034·E*(i))) (7)
an die mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems adaptiert wird, wobei E* als dynamisch gemessene Elastance (Reziprokwert der Dehnung des respiratorischen Systems) die mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems representiert.
Initial werden die Werte für Mittelwert Ps_m(i) und Standardabweichung Ps_s(i) der resultierenden Verteilung der inspiratorischen Atemwegsdrücke anhand der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina mit Mittelwert V_T,m und Standardabweichung V_T,s und anhand der Druck-Volumen Beziehung des respiratorischen Systems nach folgenden Gleichungen (9 und 10): Ps_m(1) = V_T,m·E*(1) (9) Ps_s(1) = V_T,s·E(1) (10) festgelegt.
Während der Durchführung einer erfindungsgemäßen variablen druckkontrollierten Beatmung können die Anpassungsfaktoren α_m(i) und α_s(i) abweichend von Gleichung 6 und 7 an die mechanischen Eigenschaften des respiratorischen Systems adaptiert werden.
In dem Verfahren zur Durchführung einer Beatmung, wobei die Beatmung mittels einer Beatmungseinrichtung und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Steuerung und wobei die Applikation des Atemgases durch die Beatmungseinrichtung auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem inspiratorischen Atemwegsdruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck durchgeführt wird, enthält die Beatmungseinrichtung vorteilhaft einen Druck-/Strömungs-Generator, mindestens einen Druck-/Strömungssensor sowie einen Computer mit mindestens einem Speicher, wobei in dem Speicher des Computers mindestens ein Variationsmuster der Atemzugvolumina nach einer vorgewählten Verteilung gespeichert ist, und/oder, programmtechnische Mittel im Computer vorhanden sind, die während des Betriebes, der Beatmungseinrichtung das Variationsmuster für eine variable druckkontrollierte Beatmung generieren, wobei die zugehörigen Atemzugvolumina einen vorgewählten Mittelwert und eine vorgewählten Standardabweichung bilden, wobei das zugehörige Variationsmuster der inspiratorischen Atemwegsdruckwerte Ps(i) mit i = 1, 2, 3, ..., m aus der aktuellen Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen Systems abgeleitet und die Applikation der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina selbstständig im Sinne eines Regelkreises überwacht wird.
Wahlweise können in einem in die Beatmungseinrichtung integrierbaren externen Computer auch beliebige Variationsmuster der Atemzugvolumina in seinem externen Speicher enthalten sein, mit dem eine beliebige zweite, extern vorbereitete Variante der variablen druckkontrollierten Beatmung durchführbar ist. Bei der zweiten Variante mit dem externen Computer kann dieser als so genannter Hauptcomputer eingesetzt werden, der dem internen Computer der Beatmungseinrichtung die Höhen der zu erzeugenden inspiratorischen Atemwegsdruckwerte (Ps) liefert sowie die Applikation der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina selbstständig im Sinne eines Regelkreises überwacht.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit unter kontrollierter Beatmung bei Patienten dar, bei denen die Zulassung von Spontanatmung und damit die Anwendung assistierender Beatmungsformen nicht möglich oder unerwünscht ist, eine Wiederherstellung und Aufrechterhaltung der Variation des Atemmusters im Sinne eine physiologischen Variabilität der Atemzugvolumina zu erreichen. Damit kann nicht nur eine Verbesserung der Lungenfunktion, sondern auch eine schnellere Entwöhnung des Patienten von der maschinellen Beatmung erreicht werden, so dass kürzere Beatmungszeiten resultieren. Die ungleichmäßige kontrollierte Beatmung mittels variabler inspiratorischer Atemwegsdruckwerte kann zu einer Verbesserung des venösen Rückflusses und der Herzleistung führen.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1a eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine konstante volumenkontrollierte Beatmung nach dem Stand der Technik,
1b eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine variable volumenkontrollierte Beatmung nach dem Stand der Technik,
2a eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine konstante druckkontrollierte Beatmung nach dem Stand der Technik
2b eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für das erfindungsgemäße Verfahren mit einer variablen druckkontrollierten Beatmung
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Regelung,
4 Beispiele zur Anwendung der erfindungsgemäßen Regelung an einem Lungensimulator, nämlich
4a das Verhalten der Regelung bei einem Übergang von druckkontrollierter Beatmung zu variabler druckkontrollierter Beatmung,
4b das Verhalten der Regelung bei einem plötzlichen Anstieg des Reziprokwerts der Dehnung des respiratorischen Systems,
4c das Verhalten der Regelung bei einem Wechsel des Atemzugvolumen und
4d das Verhalten der Regelung bei einer Änderung der Variabilität der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina, sowie
5 eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für das erfindungsgemäße Verfahren in vivo mit einer Sequenz inspiratorischer Atemwegsdruckniveaus.
Gemäß 1a ist eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine konstante volumenkontrollierte Beatmung nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei mit 1 der endexspiratorische Atemwegsdruck und mit 2 der inspiratorische Atemwegsdruck bezeichnet sind.
1b zeigt eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine variable volumenkontrollierte Beatmung nach dem Stand der Technik. Aus der Applikation variabler Atemzugvolumina resultieren variable inspiratorische Atemwegsdrücke 3. Mit 1 ist der endexspiratorische Atemwegsdruck und mit 2 der inspiratorische Atemwegsdruck bezeichnet.
In 2a ist eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für eine konstante druckkontrollierte Beatmung auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau entsprechend einem inspiratorischen Atemwegsdruck 2 und einem unteren Niveau entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck 1 nach dem Stand der Technik dargestellt.
2b zeigt eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für das erfindungsgemäße Verfahren mit einer variablen druckkontrollierten Beatmung mit mehreren inspiratorischen Atemwegsdruckniveaus 3, die gemäß der aktuellen Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen Systems und in Abhängigkeit des vorgewählten Mittelwertes und der vorgewählten Standardabweichung für das Variationsmuster der Atemzugvolumina von der Steuerung generiert und von der Beatmungseinrichtung appliziert werden. Mit 1 ist der endexspiratorische Atemwegsdruck und mit 2 der inspiratorische Atemwegsdruck bezeichnet.
In 3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Regelung. Aus einer vom Benutzer 7 vorgewählten Verteilung 4 der Atemzugvolumina mit Mittelwert V_T,m und Standardabweichung V_T,s wird durch den Generator für das Variationsmuster der Atemzugvolumina V_T,d ein Wert für das aktuelle Atemzugvolumen V_T,d(i) generiert, welcher zu der Sequenz von Soll-Atemzugvolumina 6 gehört, wobei nr die Nummer des Atemzugvolumens in der Sequenz beschreibt. Der entsprechende inspiratorische Atemwegsdruck Ps(i), welcher zur Sequenz der berechneten inspiratorischen Atemwegsdrücke Pinsp 10 gehört, die eine Verteilung 5 mit Mittelwert Ps_m und Standardabweichung Ps_s aufweist, wird aus der Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen Systems 12 generiert, an die Beatmungseinrichtung 11 übermittelt und von dieser in das respiratorische System 12 appliziert. Das während des Atemzyklus gemessene Atemzugvolumen wird als Ist-Wert V_T(i) mit dem aus Sequenz der Atemzugvolumina abgeleiteten Soll-Wert für V_T,d(i) verglichen, und anhand der Differenz aus beiden ΔV_T(i) werden Mittelwert und Ps_m Standardabweichung Ps_s der resultierenden Verteilung der inspiratorischen Atemwegsdrücke im Sinne einer Regelkreises mit entsprechender Steuerung 8 korrigiert. Die Geschwindigkeit der Korrektur kann über Parameter, z. B. Reziprokwert der Dehnung des respiratorischen Systems, durch das Korrekturelement 9 adaptiert werden.
4a bis 4d zeigen Beispiele zur Anwendung der erfindungsgemäßen Regelung an einem Lungensimulator. Dargestellt sind Aufzeichnungen der Variationsmuster der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina V_T 15 im Vergleich zum Verlauf der tatsächlich gemessenen Werte 14 unter verschiedenen Beatmungsmanövern an einem Lungensimulator. Der Zeitpunkt des Manövers ist mit 13 markiert.
Dargestellt sind gemäß 4a zeigt das Verhalten der Regelung bei einem Übergang von druckkontrollierter Beatmung zu variabler druckkontrollierter Beatmung.
4b zeigt das Verhalten der Regelung bei einem plötzlichen Anstieg des Reziprokwerts der Dehnung des respiratorischen Systems, wobei sichtbar wird, dass die Reduktion der Atemzugvolumina infolge der veränderten mechanischen Eigenschaften innerhalb weniger Atemzyklen korrigiert wird, so dass ein kritischer Abfall des Atemzeitvolumens vermieden wird, wobei die vorgewählte Variabilität der Atemzugvolumina beibehalten wird.
4c zeigt das Verhalten der Regelung bei einem Wechsel des Atemzugvolumen (V_T) von 12 auf 6 ml/kg KG, wobei sichtbar wird, dass die Reduktion der Atemzugvolumina innerhalb weniger Atemzyklen realisiert wird so dass ein kritischer Anstieg des Atemzeitvolumens vermieden wird, wobei die vorgewählte Variabilität der Atemzugvolumina beibehalten wird, und
In 4d wird das Verhalten der Regelung bei einer Änderung der Variabilität der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina von 30% auf 7,5% dargestellt.
Zusammenfassend läßt sich in den 4a, 4b, 4c und 4d ersehen, dass die Regelung eine schnelle Korrektur der durch das Manöver bedingten Abweichung der gemessenen von den gemäß der vorgewählten Verteilung erwarteten Werten für die Atemzugvolumina gewährleistet.
5 zeigt eine Atemwegsdruck(p)-Zeit(t)-Kurve für das erfindungsgemäße Verfahren an einem Versuchstier mit einer Sequenz inspiratorischer Atemwegsdruckniveaus 3, die gemäß der aktuellen Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen System und in Abhängigkeit des vorgewählten Mittelwertes und der vorgewählten Standardabweichung für das Variationsmuster der Atemzugvolumina von der Steuerung generiert und von der Beatmungseinrichtung appliziert werden. Mit 1 ist der endexspiratorische Atemwegsdruck und mit 2 der inspiratorische Atemwegsdruck bezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: endexspiratorischer Atemwegsdruck
2: inspiratorischer Atemwegsdruck
3: variable inspiratorischen Atemwegsdrücke
4: Verteilung der Atemzugvolumina
5: Verteilung der inspiratorischen Atemwegsdrücke
6: Sequenz der Soll-Atemzugvolumina
7: Benutzer
8: Steuerung
9: Korrekturelement
10: Sequenz der berechneten inspiratorischen Atemwegsdrücke
11: Beatmungseinrichtung
12: respiratorisches System
13: Zeitpunkt des respiratorischen Manövers
14: Verlauf der tatsächlich gemessenen Werte der Atemzugvolumina
15: vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina
αm: Anpassungsfaktor
αs: Anpassungsfaktor
E*: Reziprokwert der Dehnung des respiratorischen Systems
P: Atemwegsdruck
Ps: inspiratorischer Atemwegsdruck
Ps,m: Mittelwert der inspiratorischen Atemwegsdrücke
Ps,s: Standardabweichung der inspiratorischen Atemwegsdrücke
t: Zeit
VT: Atemzugvolumen
VT,d: Soll-Atemzugvolumen
VT,m: Mittelwert der Atemzugvolumina
VT,s: Standardabweichung der Atemzugvolumina
ΔVT: Differenz zwischen Soll- und Ist-Atemzugvolumen
w: weißes Rauschen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006052572 B3 [0007]
DE 102008060799 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Laubscher, T. P., Heinrichs, W., Weiler, N., Hartmann, G., and Brunner, J. X.: An adaptive lung ventilation controller. IEEE T Biomed Eng 1994 41: 51–59 [0003]
Prella M, Feihl F, Domenighetti G.: Effects of short-term pressure-controlled ventilation an gas exchange, airway pressures, and gas distribution in patients with acute lung injury/ARDS: comparison with volume-controlled ventilation. Chest. 2002 Oct; 122(4): 1382–8 [0004]
Heimberg, M. Winterhalter, M. Strüber, S. Piepenbrock, M. Bund.: Pressure-Controlled versus Volume-Controlled One-Lung Ventilation for MIDCAB. Thorac Cardiov Surg 2006; 54: 516–520 [0004]
Spieth PM, Carvalho AR, Pelosi P, Hoehn C, Meissner C, Kasper M, Hübler M, von Neindorff M, Dassow C, Barrenschee M, Uhlig S, Koch T, de Abreu MG., Variable tidal volumes improve lung protective ventilation strategies in experimental lung injury., Am J Respir Crit Care Med. 2009 Apr 15; 179(8): 684–93 [0006]
Suki B, Alencar AM, Sujeer MK, Lutchen KR, Collins JJ, Andrade JS Jr, Ingenito EP, Zapperi S, Stanley HE., Life-support system benefits from noise., Nature. 1998 May 14; 393(6681): 127–8 [0006]
Lefevre GR, Kowalski SE, Girling LG, Thiessen DB, Mutch WA., Improved arterial oxygenation after oleic acid lung injury in the pig using a computer-controlled mechanical ventilator., Am J Respir Crit Care Med. 1996 Nov; 154(5): 1567–72 [0006]

Claims

Verfahren für eine druckkontrollierte Beatmung, wobei die Beatmung mittels einer Beatmungseinrichtung und einer daran angeschlossenen computerintegrierten Steuerung erfolgt und wobei die Applikation des Atemgases durch die Beatmungseinrichtung auf zwei unterschiedlichen Atemwegsdruckniveaus mit einem oberen Niveau – entsprechend einem inspiratorischen Atemwegsdruck – und einem unteren Niveau – entsprechend einem endexspiratorischen Atemwegsdruck – durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine variable druckkontrollierte Beatmung mittels einer Steuerung einer Variation des inspiratorischen Atemwegsdrucks (Ps(i) mit i = 1, 2, 3, ..., m) von Atemzug zu Atemzug in der Beatmungseinrichtung (11) durchgeführt wird, wobei das Variationsmuster (5, 10) des inspiratorischen Atemwegsdruckes (Ps) anhand einer vorgegebenen Verteilung der Atemzugvolumina (4) unter Berücksichtigung der aktuellen Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen Systems (12) festgelegt und geregelt wird, wobei die Werte der Atemzugvolumina eine Verteilung mit einem vorgewählten Mittelwert (V_T,m) und einer vorgewählten Standardabweichung (V_T,s) (4) bilden, und wobei eine Regelung (4, 5, 6, 8, 9 und 12) die Applikation der vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina (4) selbstständig überwacht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis folgende Schritte aufweist: Im ersten Schritt wird aus einer vom Benutzer (7) vorgewählten Verteilung der Atemzugvolumina (4) mit Mittelwert (V_T,m) und Standardabweichung (V_T,s) durch einen Generator für das Variationsmuster der Atemzugvolumina ein Wert für das aktuelle Atemzugvolumen (V_T,d(i)) generiert, welcher zu einer Sequenz von Soll- Atemzugvolumina gehört. In einem nächsten Schritt wird der entsprechende inspiratorische Atemwegsdruck (Ps(i)), welcher zur Sequenz der berechneten Atemwegsdrücke (10) gehört, die eine Verteilung (5) mit Mittelwert (Ps_,m(i)) und Standardabweichung (Ps_,s(i)) aufweist, aus der Druck-Volumenbeziehung des respiratorischen Systems (12) generiert, an die Beatmungseinrichtung (11) übermittelt und von dieser in das respiratorische System (12) appliziert. Im letzten Schritt wird das während des Atemzyklus gemessene Atemzugvolumen als Ist-Wert (V_T(i)) mit dem aus Sequenz der Atemzugvolumina (6) abgeleiteten Soll-Wert für (V_T,d(i)) verglichen, und anhand der Differenz aus beiden (ΔV_T(i)) werden Mittelwert (Ps_m(i)) und Standardabweichung (Ps_s(i)) der resultierenden Verteilung der inspiratorischen Atemwegsdrücke (10) im Sinne einer Regelkreises korrigiert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis nach folgenden Gleichungen operiert: Ps_m(i + 1) = Ps_m(i) – α_m(i)·ΔV_T(i) Ps_s(i + 1) = Ps_s(i) – α_s(i)·ΔV_T(i)·w(i).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfaktoren (α_m und α_s) die Geschwindigkeit und Stabilität der Regelung vorgeben.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsfaktoren (α_m und α_s) nach folgenden Gleichungen berechnet werden: α_m(j) = E(i)12000 α_s(i) = 0.001/(0.0417 + exp(–0.1034·E*(i))), wobei E* dem Reziprokwert der Dehnung des respiratorischen Systems entspricht.