DE102010048916B4

DE102010048916B4 - Vorrichtung zur Beatmung

Info

Publication number: DE102010048916B4
Application number: DE102010048916.6A
Authority: DE
Inventors: Sven Meißner; Christian Schnabel; Edmund Koch
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2010-10-11
Filing date: 2010-10-11
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: DE102010048916A1; WO2012062266A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Durchführung von Gasbeatmungen und von Flüssigkeitsbeatmungen, enthaltend zur Flüssigkeitsbeatmung – einen Tubus (17) zur Beatmung mit einem angeschlossenen Drucksensor (3), – eine Inspirationspumpe (6), die über eine Schlauchleitung (164) mit einem ersten Ventil (71) an den Tubus (17) angeschlossenen ist und von einem Motorkontroller (2) gesteuert wird, – eine Exspirationspumpe (7), die über eine Schlauchleitung (165) mit einem zweiten Ventil (72) an den Tubus (17) angeschlossen ist und von dem Motorkontroller (2) gesteuert wird, – eine Oxygenatoreinheit (101), die eingangsseitig mit der Exspirationspumpe (7) über eine vom zweiten Ventil (72) gesteuerte Schlauchleitung (161) in Verbindung steht, – einen Hauptbehälter (15), der mit der Inspirationspumpe (6) über eine vom ersten Ventil (71) gesteuerte Schlauchleitung (162) in Verbindung steht und der von einem ihm zugeordneten Thermostat (14) temperaturstabilisiert wird, – einen Zusatzbehälter (131) für Flüssigkeit (21), der über ein drittes Ventil (12) mit einer Schlauchleitung (163) zwischen dem Ausgang der Oxygenatoreinheit (101) und dem Eingang des Hauptbehälters (15) verbunden ist, wobei das Schlauchleitungssystem (16) einen Gesamtkreislauf (90) unterstützt, – eine Waage, die mit einer Unterlage (4) für den zu Beatmenden in Verbindung steht, zum Ermitteln der ventilierten Flüssigkeitsmenge des zu Beatmenden sowie – eine Steuereinheit (18), die über Datenleitungen die Ventile (71, 72, 12) des Gesamtkreislaufs (90) zur Durchführung der Beatmung schaltet und zumindest mit Motorkontroller (2) und Sensoren (5) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hauptbehälter (15) ausgangsseitig und der Oxygenatoreinheit (101) eingangsseitig eine beide verbindende Peristaltikpumpe (11) zum Transport des Gases (22) oder der Flüssigkeit (21) vom Hauptbehälter (15) aus über Schlauchleitungen (162, 161) zum Oxygenator (10) angeordnet ist, wobei das dritte Ventil (12) mit einem Zusatzbehälter (20) für Gas (22) in Verbindung steht und das dritte Ventil (12) aus zwei Dreiwegeventilen (121, 122) besteht, wobei an das erste Dreiwegeventil (121) der Zusatzbehälter (131) für Flüssigkeit (21) und der Zusatzbehälter (20) für Gas (22) angeschlossen sind und an das zweite Dreiwegeventil (122) das erste Dreiwegeventil (121) und die Schlauchleitung (163) angeschlossen sind, wobei das dritte Ventil (12) wahlweise manuell betätigbar oder mit der Steuereinheit (18) über eine Signalleitung schaltbar verbunden ist, wobei die Steuereinheit (18) je nach Bedarf die Beatmungsform steuert und mit hardwaremäßigen Funktionseinheiten und zumindest mit folgenden programmtechnischen Funktionsblöcken ausgebildet ist: – mit einem ersten Funktionsblock (40) zur Berechnung von Beatmungsparametern für die Gasbeatmung, für die vollständige Flüssigkeitsbeatmung und für die Kombination ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beatmung mit Gas und mit Flüssigkeit, wobei die Vorrichtung enthält

– einen Tubus zur Beatmung mit einem angeschlossenen Drucksensor,
– eine Inspirationspumpe, die über eine Schlauchleitung mit einem ersten Ventil an den Tubus angeschlossenen ist und von einem Motorkontroller gesteuert wird,
– eine Exspirationspumpe, die über eine Schlauchleitung mit einem zweiten Ventil an den Tubus angeschlossen ist und von dem Motorkontroller gesteuert wird,
– eine Oxygenatoreinheit, die eingangsseitig mit der Exspirationspumpe über eine vom zweiten Ventil gesteuerte Schlauchleitung in Verbindung steht,
– einen Hauptbehälter, der mit der Inspirationspumpe über eine vom ersten Ventil gesteuerte Schlauchleitung in Verbindung steht und der von einem ihm zugeordneten Thermostat temperaturstabilisiert wird,
– einen Zusatzbehälter für Flüssigkeit, der über ein drittes Ventil mit einer Schlauchleitung zwischen dem Ausgang der Oxygenatoreinheit und dem Eingang des Hauptbehälters verbunden ist, wobei das Schlauchleitungssystem einen Gesamtkreislauf unterstützt,
– eine Waage, die mit einer Unterlage für den zu Beatmenden in Verbindung steht, zum Ermitteln der ventilierten Flüssigkeitsmenge des zu Beatmenden sowie
– eine Steuereinheit, die über Datenleitungen die Ventile des Gesamtkreislaufs zur Durchführung der Beatmung schaltet und mit Motorkontrollern und Sensoren in Verbindung steht.

Die Forschung zu Verfahren und Vorrichtungen zur Beatmung mit Fluiden im medizinischen Sektor umfasst inzwischen differenzierte operative Verfahren. Die Erfindung bezieht sich auf die weitere Erforschung der Effekte einer totalen Flüssigkeitsbeatmung (TLV) auf das Atmungsorgan Lunge von Kleintieren, deren Körpergewicht von 15 g bis 5 kg betragen kann. Das Körpergewicht bestimmt die zu verabreichende maximale Flüssigkeitsmenge zur Beatmung.
Das Verfahren wird eingesetzt, wenn die Spontanatmung ausfällt (Apnoe) oder insuffizient wird. Die herkömmliche Technik der Beatmung ist die Überdruck-Luftbeatmung, indem Luft durch externen Überdruck in die Lungen gepresst wird. Bei der Flüssigkeitsbeatmung (engl. liquid ventilation) kommt statt Atemluft eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit (Familie der Perfluorocarbone) zur Anwendung. Man unterscheidet folgende Flüssigkeitsbeatmungen:

– die vollständige Flüssigkeitsbeatmung (TLV) und
– die partielle Flüssigkeitsbeatmung (PLV).

Während die PLV bereits klinisch angewandt wird, bedarf es noch wesentlicher medizinischer Entwicklungsarbeit zum Einsatz des vollständigen Flüssigkeitsbeatmungsverfahrens (TLV).
Die partielle Flüssigkeitsbeatmung (PLV – partial liquid ventilation) und die vollständige Flüssigkeitsbeatmung (TLV – total/tidal liquid ventilation) bilden die zwei wichtigen Formen der Flüssigkeitsbeatmung. Die partielle Flüssigkeitsbeatmung beruht auf dem Austausch des Volumens der funktionellen Residualkapazität mit Perfluorocarbon. Die eigentliche Atmung findet mit einem Standardbeatmungsgerät und einem gasgefüllten Schlauchleitungssystem statt. Ebenso werden Beatmungsparameter der konventionellen Gasbeatmung gewählt. Das Perfluorocarbon hat, aufgrund seiner geringen Oberflächenspannung, vorwiegend die Aufgabe die Lunge offen zu halten, um eine größtmögliche Gasaustauschfläche zu gewährleisten. Da der zu Beatmende einen Teil des Perfluorocarbons bei dieser Beatmungsform abatmet, muss der Verlust, welcher in der Literatur bei einem erwachsenen Mann mit 50–60 ml pro Stunde gemäß http://www.innovationsreport.de/html/berichte/medizin_gesundheit/bericht965.html kontinuierlich ausgeglichen werden. Die richtige Einstellung der Beatmungsparameter und die Auswirkungen dieser kombinierten Beatmungsform auf die Lungendynamik sind weitestgehend unbekannt, so dass sich bis heute kein standardisierter Ablauf etabliert hat. Die vollständige Flüssigkeitsbeatmung ist hingegen technisch wesentlich anspruchsvoller zu realisieren. Hierzu gehören ein flüssigkeitsgefülltes Schlauchleitungssystem, Pumpeinheiten, Oxygenator und Ventile, die das Applizieren von Flüssigkeitsvolumina ermöglichen. Das Perfluorocarbon übernimmt den gesamten Gastransport in und aus der Lunge. Die richtige Wahl der Beatmungsparameter, das Ankoppeln und Entkoppeln des zu Beatmenden, die ausreichende Oxygenierung und die CO₂-Entfernung sowie die technische Umsetzung sind Problemstellungen.
Die zur Flüssigbeatmung verwendeten Substanzen sind Perfluorocarbone, die die Eigenschaft haben, eine sehr niedrige Oberflächenspannung zu haben. Das heißt, die Perfluorocarbone verbreiten sich sehr gut in der Lunge und sind doppelt so schwer wie Wasser. Das hohe spezifische Gewicht der flüssigen Substanz und die hohe Transportkapazität für die Atemgase ist die Basis des Flüssigkeitsbeatmungsverfahrens.
Eine Flüssigkeits-Gas-Beatmung ist in der Druckschrift US 6 694 977 B1 beschrieben, in der das Perfluorocarbon eingesetzt wird, das mit Gas, also hier Sauerstoff, angereichert wird.
Ein Problem besteht darin, dass in dem angegebenen Verfahren ausschließlich Flüssigkeitsbeatmungen angegeben sind, wobei das Gas in die Flüssigkeit eingeleitet wird.
Von einem anderen Gesichtpunkt aus sind verschiedene Steuerungen der herkömmlichen Beatmungsverfahren in der Druckschrift Hulten: Biomedizinische Technik, Therapie und Rehabilitation, Springer-Verlag, TÜV Rheinland, ISBN 3-88585-901-7, 1992 beschrieben, wobei mit Gasen in Abhängigkeit von der Beeinflussung der Einatmung und Ausatmung durch das Gerät oder den Probanden gearbeitet wird:

– CMV-Controlled Mechanical Ventilation,
– AMV-Assisted mechanical Ventilation
– DMV-Demand Mechanical Ventilation.

Handelsübliche Gasbeatmungsgeräte werden elektrisch oder pneumatisch angetrieben und werden durch die Kontrolle der Parameter

– Durchströmung
– Hubvolumen
– Druck

– eine flowkontrollierte Beatmung (FCV),
– eine volumenkontrollierte Beatmung (VCV),
– eine druckkontrollierte Beatmung (PCV).

Ein Problem besteht darin, dass der manuell ausgeführte Wechsel von einem Beatmungsgerät zum anderen Beatmungsgerät stets einen Risikofaktor darstellt. Da derzeit immer zumindest zwei verschiedene getrennt agierende Beatmungsgeräte mit unterschiedlichem Fluid erforderlich sind, ist auch die Kostenbelastung entsprechend höher.
In der Physiologie wird unter Ventilationsmechanik die Analyse und Darstellung der statischen Druck-Volumen-Beziehungen (im eingeschwungenen Zustand) und der Druck-Volumen-Beziehungen während eines Ventilationszyklus verstanden. Nur ein Teil des Gasgemisches, das die Lunge nach maximaler Einatmung enthält, kann ventilatorisch bewegt und damit direkt spirometrisch erfasst werden. Physiologische Größen der Medizin besitzen immer eine hohe biologische Variabilität. Auch die Größe der Lungenvolumina hängt stark von den individuellen anatomischen Gegebenheiten (besonders Alter, Geschlecht, Körpergröße und -gewicht) ab. Diesem Umstand muss, besonders bei der mechanischen Beatmung, Rechnung getragen werden, indem die einzustellenden Parameter im Vorfeld individuell bestimmt werden. Die eigentliche Atmung findet auf zellulärer Ebene statt und nur die Lungenventilation kann durch apparative Maßnahmen unterstützt bzw. übernommen werden. Da die Sauerstoffversorgung aller Körperzellen eine lebenswichtige Funktionalität des menschlichen Organismus darstellt, fällt der maschinellen Beatmung eine herausragende Rolle in der Anästhesiologie und Intensivtherapie zu. Die eiserne Lunge stellt den ersten weit verbreiteten Einsatz von Beatmungstechnik dar. Dabei befindet sich der gesamte Köper, mit Ausnahme des Kopfes, in einer Druckkammer, wobei die Abdichtung über eine Halsmanschette aus Gummi erfolgt. In der Kammer wird periodisch Unterdruck erzeugt, wodurch sich der Thorax ausdehnt. Dadurch strömt Luft über Mund/Nase in die Lunge. Die Exspiration erfolgt durch den Wechsel von Unterdruck zu Überdruck in der Kammer. Diese Art der Ventilation erfolgt passiv und ist die schonendste Beatmungsvariante, da sie der physiologischen Spontanatmung ähnelt. Aufgrund des hohen technischen Aufwandes, dem steigenden Bedarf an Beatmungsgeräten im intensivmedizinischen und home-care Bereich und der geringen Lebensqualität bei Verwendung der Unterdruckkammern, haben sich zusammen mit der Entwicklung der Intubationstechnik aktiv beatmende Geräte immer stärker durchgesetzt und bilden heute den Standard der modernen Beatmungstechnik. Die Ventilation erfolgt hierbei durch Erzeugung eines Überdrucks, wodurch das entsprechende Atemvolumen dem Patienten appliziert wird. Die Exspiration erfolgt spontan und passiv durch das Zusammenziehen des gedehnten Thorax. Das Ziel jedes Beatmungskonzeptes ist die zuverlässige Unterstützung bzw. Übernahme der Atmung. Eine zusätzliche Rolle, speziell bei der intensivmedizinischen Langzeitbehandlung, spielt die Entwöhnung von der maschinellen Beatmung hin zur selbstständigen Spontanatmung während des Genesungsprozesses. Dazu stehen verschiedene Beatmungsmodi zur Verfügung, wobei die Parameter Druck, Volumen, Volumenstrom, Atemfrequenz und Gaszusammensetzung individuell angepasst werden müssen.
Grundlegend können die Beatmungsverfahren in kontrollierte Beatmung (volumenkontrolliert oder druckkontrolliert) und assistierte Spontanatmung eingeteilt werden, mit daraus abgeleiteten Mischformen. Die kontrollierte Beatmung findet vorwiegend Anwendung, wenn die Atemmuskulatur und/oder der Atemantrieb zu schwach sind, um die Spontanatmung aufrechtzuerhalten.
Bei der volumenkontrollierten Beatmung wird ein eingestelltes Tidalvolumen, unabhängig vom auftretenden intrapulmonalen Druck, während der Inspirationszeit appliziert. Die daraus resultierenden Drücke können in Abhängigkeit von Resistance und Compliance des Lungengewebes und den Atemwegen sehr groß sein, sodass bei Erreichen der einstellbaren Alarmgrenze ein Überdruckventil am Beatmungsgerät geöffnet wird.
Bei der druckkontrollierten Beatmung wird während des Inspirationszyklus solange Luft in die Lunge gedrückt, bis der eingestellte Spitzendruck erreicht ist. Dabei kann das verabreichte Volumen in Abhängigkeit vom Gewebezustand stark variieren und es besteht die Gefahr, dass das Atemminutenvolumen zu hoch oder zu niedrig wird. Die Exspiration erfolgt bei beiden Beatmungsformen nach dem Öffnen des Exspirationsventils passiv.
Ein konventionelles Beatmungsgerät ist in der Vorlesungsreihe Prof. Ralf Hinderer: Therapeutische Technik, WS 2009/2010, Hochschule Mittweida, angegeben, das enthält

– Leitungen für Stromversorgung, Sauerstoff und Druckluft,
– eine Gasmisch- und Dosiereinrichtung zur Erzeugung des Inspirationsgases mit einer Sauerstoffkonzentration zwischen 21 und 100 Vol.-% und Bereitstellung der benötigten Gasmengen,
– einen Atemgasanfeuchter zur Erwärmung und Befeuchtung des Inspirationsgases,
– einen Inspirationsschlauch und einen Exspirationsschlauch,
– ein Exspirationsventil, das während Inspirationsphase geschlossen, während Exspirationsphase geöffnet ist,
– ein PEEP-Ventil, wobei, wenn das Exspirationsventil nicht bis zum Ende der Exspiration geöffnet bleibt, es zu einem positiven endexspiratorischen Druck kommt,
– einen Flowsensor, der den Fluss des Exspiratonsgases misst.

Das Gasmischungs- und Dosiersystem wird häufig als geschlossenes bzw. halboffenes System realisiert, da dem Atemgas oft Narkosemittel und Medikamente zugesetzt werden, die nicht an die Umgebung abgegeben werden sollen. Das exspirierte Atemgas wird in Filtern gesäubert, Kohlendioxid CO₂ wird von Absorbermaterial gebunden und frischer Sauerstoff wird aus Druckflaschen periodisch dem System zugemischt. Das Narkotikum wird ebenfalls extrahiert, anschließend wieder verflüssigt und kann erneut verwendet werden.
Ein druckkontrolliertes, zeitgesteuerten Flüssigkeitsbeatmungssystem ist in der Druckschrift Kenichi Matsuda, MD; Shigeki Sawada, MD; Robert H. Bartlett, MD; Ronald B. Hirschl, MD: Effect of ventilatory variables an gas exchange and hemodynamics during total liquid ventilation in a rat model, Crit Care Med 2003 Vol. 31, No. 7 beschrieben, wobei der Aufbau aus zwei höhenverstellbaren Reservoirs, einem Wärmetauscher, einer Peristaltikpumpe, einer Oxygenator- und Kondensatoreinheit, sowie dem Schlauchsystem und einem elektromechanischem Ventil besteht. Die Peristaltikpumpe pumpt das Perfluorocarbon aus dem unteren Reservoir durch den Wärmetauscher in das obere Reservoir. Dabei erfolgt die Erwärmung auf physiologische 37°C. Die Sauerstoffanreicherung erfolgt im oberen Reservoir durch einen Blasenoxygenator. Über einen Überlauf fließt das Perfluorocarbon zurück in das untere Reservoir, das verdunstete Perfluorocarbon wird über einen Kondensator zurückgewonnen. Die Inspiration und die Exspiration werden über ein zeitgesteuertes elektromechanisches Ventil realisiert. Der Inspirationsdruck und der Exspirationsdruck werden über die eingestellte Höhe beider Reservoirs geregelt. Das ventilierte Volumen wird über den Füllstand in beiden Reservoirs und über die Waage kontrolliert.
Ein volumenkontrolliertes und zeitgesteuertes Beatmungssystem ist in der Druckschrift Stefano Tredici MD; Eisaku Komori MD; Akio Funakubo PhD; David O. Grant MS; Joseph L. Bull PhD; Robert H. Bartlett MD; Ronald B. Hirschl MD: A prototype of a liquid ventilator using a novel hollow-fiber oxygenator in a rabbit model, Crit Care Med 2004 Vol. 32, No. 10 beschrieben, wobei im Beatmungssystem eine gesteuerte Kolbenpumpe das Kernstück bildet. Das Perfluorocarbon wird durch den Oxygenator direkt über den endotrachealen Tubus (ETT) in die Lunge des zu Beatmenden gepumpt. Während der Exspiration wird das Volumen aktiv abgesaugt und durch eine Blasenfalle und einen Wärmetauscher zurück in den Zylinder geführt. Die Oxygenation erfolgt im Gegenstromverfahren mit 100% Sauerstoff im Membranoxygenator. Der dabei austretende Perfluorocarbon-Dampf wird über einen Kondensator verflüssigt und in einem Auffangbehälter gesammelt. Dieser Verlust von Perfluorocarbon wird durch entsprechende Zugabe im Exspirationsschenkel ausgeglichen. Das applizierte Tidalvolumen und die endexspiratorischen sowie endinspiratorischen Volumina werden über eine Waage ermittelt. Zur Steuerung der Flussrichtung werden Einwegeventile verwendet.
Ein weiteres volumenkontrolliertes und zeitgesteuertes System ist in der Druckschrift James Courtney Parker; Adel Sakla; Francis M. Donovan; David Beam; Annu Chekuri; Mohammad Al-Khatib; Charles R. Hamm; Fabien G. Eyal: A microprocessor-controlled tracheal insufflation-assisted total liquid ventilation system, Med Biol Eng Comput, 2009, 47: 931–939 beschrieben, wobei sich der Aufbau hauptsächlich durch die Verwendung eines doppellumigen endothrachealen Tubus unterscheidet, mit dessen Hilfe unterschiedliche Beatmungsmodi realisiert werden können. Ein erster Modus ist rein zeitgesteuert. Dabei rotiert eine erste Pumpe kontinuierlich und transportiert das verwendete Perfluorocarbon. Zwei Ventile steuern die Flussrichtung und schalten zwischen Inspiration und Exspiration um. Der erste Modus findet während der Befüllung der Lunge mit Perfluorocarbon Anwendung. Anschließend wird der zweite Modus aktiviert und das Tidalvolumen erhöht. Der zweite Modus wird durch den endexspiratorischen Reservoirdruck, gemessen mittels eines ersten Drucksensors kontrolliert, um Volumenkorrekturen durchzuführen. Die Ventilöffnungszeiten können manuell überschrieben werden, um einen konstanten Zufluss und Abfluss sicherzustellen. Der dritte Modus arbeitet äquivalent zum zweiten Modus, mit dem Unterschied, dass die endexspiratorische Druckkontrolle direkt am endotrachealen Tubus erfolgt. Zusätzlich zu allen drei Modi können zwei weitere Pumpen zeitgesteuert arbeiten.
Über den zweiten Kanal des doppellumigen Tubus wird zusätzliches Volumen durch die zweite Pumpe appliziert, welches mit der dritten Pumpe wieder entfernt wird. Dieses Pumpenprinzip ermöglicht die bessere Durchmischung mit frisch oxygeniertem Perfluorocarbon sowie die Auswaschung des Totraumvolumens und soll so den Gasaustausch fördern. Zum System gehören weiterhin der Oxygenator sowie ein Kondensator und eine Temperiereinheit. Vor jedem Atemzyklus errechnet eine Steuereinheit in Abhängigkeit von einstellbaren Parametern die benötigten Zeiten und ventilierten Volumina. Weicht der gemessene endexspiratorische Reservoirdruck bzw. Lungendruck vom eingestellten Druck ab, wird ein Differenzdruck ermittelt und direkt in ein Volumen umgerechnet, welches im nächsten Atemzyklus zusätzlich appliziert oder entfernt werden muss. Obwohl der endexspiratorische Druck zur Kontrolle der Atemzyklen verwendet wird, handelt es sich um ein volumengesteuertes System, da die Druckdifferenzen unmittelbar in Volumina umgerechnet werden um ein konstantes, einstellbares Volumen zu ventilieren.
Ein anderes volumenkontrolliertes und zeitgesteuertes System ist in der Druckschrift Raymond Robert; Philippe Micheau; Hervé Walti: A supervisor for volumecontrolled tidal liquid ventilator using independent piston pumps, Biomedical Signal Processing and Control 2, 2007, 267–274 beschrieben, das sich von den vorgenannten Beatmungssystemen durch die Verwendung von zwei unabhängig ansteuerbaren Kolbenpumpen für die Inspiration und Exspiration unterscheidet. Damit können Korrekturen der applizierten und entfernten Volumina individuell umgesetzt werden und die Dynamik des Beatmungszyklus wird erhöht. Weiterhin sind zwei miteinander verbundene Oxygenatoren, Wärmetauscher, Reservoir und Kondensator im Kreislauf eingebunden. Die Ventile steuern die Flussrichtung und werden zeitgesteuert angesprochen. Für die Messung des pulmonalen Druckes wird ein Drucksensor am endothrachealen Tubus verwendet, wobei die Messung jeweils in der endinspiratorischen und endexspiratorischen Pausenzeit erfolgt, indem bestimmte Ventile geschlossen sind. Ein Ventil wird während der Präparationsphase geschlossen, um das verwendete Perfluorocarbon im zyklischen Kreislauf zu oxygenieren und zu temperieren. Die Volumenkontrolle erfolgt einerseits über eine Füllstandsanzeige am Reservoir, andererseits wird das verschobene Volumen in den Kolbenpumpen mittels Potentiometer erfasst. Entsprechend der eingestellten Parameter werden daraus die Ventilöffnungszeiten und die Motorensteuerbefehle berechnet.
Ein weiteres und dem vorgenannten Verfahren zur Beatmung ähnliches Verfahren ist in der Druckschrift EP 1 424 090 B1 beschrieben, wobei ein System zur vollständigen Flüssigkeitsbeatmung mit einer Lösung zur Sauerstoffanreicherung in der Flüssigkeit angegeben wird.
Die Probleme bestehen darin, dass die beiden Systeme einen großen Bauelementaufwand aufweisen.
Die Druckschrift US 2010/0 012 122 A1 betrifft eine Flüssigkeitsbeatmungseinrichtung, die umfasst

– einen Behälter, der eine Beatmungsflüssigkeit enthält,
– einen Patientenanschluss, der die Beatmungsflüssigkeit aus dem Behälter erhält,
– eine Pumpe, die die Beatmungsflüssigkeit vom Behälter zum Patienten führt,
– eine Steuereinheit für die Pumpe, und
– ein Behältnis zum Speichern der Beatmungsflüssigkeit.

In der Druckschrift Wolfson et al.: A new experimental approach for the study of cardiopulmonary physiology during early development, Journal of Applied Physiology, 1988, September 1, 65(3), S. 1436–1443, ISBN 8750-7587 ist ein Gerät zur Flüssigkeitsbeatmung von Lebewesen beschrieben. Bei lokaler Narkose wird bei einer Beatmung aufgewärmtes und sauerstoffangereichertes flüssiges Fluorcarbonat mittels einer mechanisch gestützten Flüssigkeitsbeatmungseinrichtung in die Lunge geführt. Dabei wird auch eine Vorrichtung beschrieben, mit der ausschließlich eine Flüssigkeitsbeatmung und keine Gasbeatmung durchgeführt werden kann.
Die Druckschrift Gomez et al.: Computer-Assisted Piston-Driven Ventilator for Total Liquid Breathing, International Journal of Biological and Life Sciences, 2005, Spring, 1(2), S. 91–102, ISSN 2010-3624 betrifft eine totale Flüssigkeitsbeatmung (TLV), die mit einem Gaswechsel bei Lebewesen mit Lungenschaden unterstützt werden kann. Die Flüssigkeitsbeatmungseinrichtung besitzt eine computergestützte Messung der Lungenmechanik und läuft kolbengesteuert. Darin wird ebenfalls nur ein Gerät für eine Flüssigkeitsbeatmung (TLV) beschrieben, man benötigt aber für die Versuche noch ein zusätzliches Gasbeatmungsgerät. Darüber hinaus verwendet das Gerät nur einen Motor, so dass keine getrennte Inspiration und Exspiration stattfindet. Zudem wird die doppelte Anzahl an Ventilen und Kolben benötigt, was einen hohen Aufwand an Bauelementen bedeutet.
Des Weiteren ist eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsventilation und eine Regelverfahren dafür in der Druckschrift WO 94/08652 A1 beschrieben.
Ein anderes Gerät zur Flüssigkeitsbeatmung ist in der Druckschrift WO 99/24100 A1 beschrieben, bei dem der Patient an zwei Dreiwegventilen zum Leiten von Flüssigkeit angeschlossen ist, wobei die Flüssigkeit aus einem Flüssigkeits-Reservoir in eine Regerationsvorrichtung und einem Patienten-Lungensystem und zum Reservoir zurückgeführt wird. Eine Steuereinrichtung steuert die Funktionsweise der Dreiwegeventile und der Pumpengeschwindigkeit des Motors, um eine Nutzersteuerung der Parameter von Inspiration und Expiration zu erlauben.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beatmung anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass eine Beatmung mit Gas und Flüssigkeit jeweils druckkontrolliert und volumenkontrolliert durchgeführt werden kann. Außerdem soll die künstliche und kontrollierte kombinierte Beatmung mit Gas und mit Flüssigkeit mit nur einer einzigen Vorrichtung realisiert werden. Des Weiteren soll eine Durchführung einer vollständigen Flüssigkeitsbeatmung und einer normalen mechanischen Beatmung mit Gas erreicht werden, so dass eine Aufwands- und Kosteneinsparung erreicht werden können.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung zur Durchführung von Gasbeatmungen und von Flüssigkeitsbeatmungen enthält zur Flüssigkeitsbeatmung

– einen Tubus zur Beatmung mit einem angeschlossenen Drucksensor,
– eine Inspirationspumpe, die über eine Schlauchleitung mit einem ersten Ventil an den Tubus angeschlossenen ist und von einem Motorkontroller gesteuert wird,
– eine Exspirationspumpe, die über eine Schlauchleitung mit einem zweiten Ventil an den Tubus angeschlossen ist und von dem Motorkontroller gesteuert wird,
– eine Oxygenatoreinheit, die eingangsseitig mit der Exspirationspumpe über eine vom zweiten Ventil gesteuerte Schlauchleitung in Verbindung steht,
– einen Hauptbehälter, der mit der Inspirationspumpe über eine vom ersten Ventil gesteuerte Schlauchleitung in Verbindung steht und der von einem ihm zugeordneten Thermostat temperaturstabilisiert wird,
– einen Zusatzbehälter für Flüssigkeit, der über ein drittes Ventil mit einer Schlauchleitung zwischen dem Ausgang der Oxygenatoreinheit und dem Eingang des Hauptbehälters verbunden ist, wobei das Schlauchleitungssystem einen Gesamtkreislauf unterstützt,
– eine Waage, die mit einer Unterlage für den zu Beatmenden in Verbindung steht, zum Ermitteln der ventilierten Flüssigkeitsmenge des zu Beatmenden sowie
– eine Steuereinheit, die über Datenleitungen die Ventile des Gesamtkreislaufs zur Durchführung der Beatmung schaltet und zumindest mit Motorkontroller und Sensoren in Verbindung steht,

– mit einem ersten Funktionsblock zur Berechnung von Beatmungsparametern für die Gasbeatmung, für die vollständige Flüssigkeitsbeatmung und für die Kombination der beiden Beatmungen mit einem Wechsel zwischen Gasbeatmung und Flüssigkeitsbeatmung, wobei der Funktionsblock in einer ersten Funktionseinheit enthalten ist,
– mit einem zweiten Funktionsblock zur Motorensteuerung, der in einer zweiten Funktionseinheit enthalten ist, und
– einem dritten Funktionsblock zur Datenerfassung, der in einer dritten Funktionseinheit enthalten ist.

Die Peristaltikpumpe weist eine Drehrichtung auf, die das anliegende Gas oder die anliegende Flüssigkeit in den Schlauchleitungen zwischen dem Hauptbehälter und der Oxygenatoreinheit bewegt.
Die Inspirationspumpe kann zumindest aus einer mit einem ersten Kolben enthaltenden ersten Spritze, einem an den ersten Kolben angeschlossenen ersten Linearmotor sowie dem Motorkontroller bestehen.
Die Exspirationspumpe kann zumindest aus einer mit einem zweiten Kolben enthaltenden zweiten Spritze, einem an den zweiten Kolben angeschlossenen zweiten Linearmotor sowie dem Motorkontroller bestehen.
Die Oxygenatoreinheit kann einen inneren Gasaustauschkreislauf aufweisen, zu dem ein Oxygenator, eine Gas-Membranpumpe und ein Atemkalk-Behälter gehört, die in dem Gaskreislauf in Reihe miteinander verbunden angeordnet sind. Die flüssigkeitsführenden und/oder gasführenden Leitungen des Gesamtkreislaufes können ein Schlauchleitungssystem bilden.
Der für eine Beatmung mit Gas und/oder mit Flüssigkeit und wieder zum Gas zurück vorgesehene Hauptbehälter kann in einem Umgebungsbehälter eingebettet sein, der zum Thermostat gehört, der eine konstante Temperatur des Fluids im Hauptbehälter einstellt und das Fluid im Hauptbehälter temperaturstabilisiert.
In der den Oxygenator ausgangsseitig und den Hauptbehälter eingangsseitig verbindenden Schlauchleitung ist das dritte Ventil vorgesehen, das mit dem Zusatzbehälter für Flüssigkeit und dem Zusatzbehälter für Gas in Verbindung steht und wahlweise manuell betätigbar oder von der Steuereinheit aus schaltbar gesteuert ist.
Zumindest die meisten der Ventile können Quetschventile für die jeweils durchgehenden Schlauchleitungen der Inspirationspumpe und der Exspirationspumpe darstellen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Beatmung mit Gas ohne einen Wechsel zur Flüssigkeitsbeatmung mit folgenden Schritten durchgeführt werden:

A. Innenbefüllung der Vorrichtung mit 100%igem Sauerstoff zur Herausdrängung von restlichem Stickstoff aus der Lunge des zu Beatmenden,
B. Einstellung der Beatmungsparameter für die Luftbeatmung und
C. Durchführung der konventionellen Luftbeatmung.

Zur Beatmung mit Flüssigkeit und einem Wechsel zur abschließenden Gasbeatmung können unter Einsatz der vorgenannten Vorrichtung folgende Schritte durchgeführt werden:

A. Innenbefüllung der Vorrichtung mit 100%igem Sauerstoff zur Herausdrängung von restlichem Stickstoff aus der Lunge des zu Beatmenden,
D. Wechsel zur Flüssigkeitsbeatmung, D1. Einstellung der Beatmungsparameter auf Flüssigkeitsbeatmung, D2. Zirkulation der Flüssigkeit im Gesamtkreislauf, D3. Befüllung der Inspirationsspritze mit Flüssigkeit, D4. Pumpen der Flüssigkeit in die Lunge, D5. Luftabsaugung über die Exspirationseinheit,
E. Wechsel von der Flüssigkeitsbeatmung zur Luftbeatmung, E1. Öffnung des Gesamtkreislaufes, E2. Pumpen der Flüssigkeit in den Zusatzbehälter, E3. Ersetzen der Flüssigkeit durch Luft in den Spritzen, E4. Einstellung der Beatmungsparameter für die Luftbeatmung und E5. Start und Durchführung der konventionellen Luftbeatmung.

Zur Beatmung mit Gas und mit Flüssigkeit mit einem abschließenden Wechsel zur Gasbeatmung können unter Einsatz der vorgenannten Vorrichtung folgende Schritte durchgeführt werden:

A. Innenbefüllung der Vorrichtung mit 100%igem Sauerstoff zur Herausdrängung von restlichem Stickstoff aus der Lunge des zu Beatmenden,
B. Einstellung der Beatmungsparameter für die Luftbeatmung und
C. Durchführung der konventionellen Luftbeatmung,
D. Wechsel zur Flüssigkeitsbeatmung, D1. Einstellung der Beatmungsparameter auf Flüssigkeitsbeatmung, D2. Zirkulation der Flüssigkeit im Gesamtkreislauf, D3. Befüllung der Inspirationsspritze mit Flüssigkeit, D4. Pumpen der Flüssigkeit in die Lunge, D5. Luftabsaugung über die Exspirationseinheit,
E. Wechsel von der Flüssigkeitsbeatmung zur Luftbeatmung, E1. Öffnung des Gesamtkreislaufes, E2. Pumpen der Flüssigkeit in den Zusatzbehälter, E3. Ersetzen der Flüssigkeit durch Luft in den Spritzen, E4. Umstellung der Beatmungsparameter für die Luftbeatmung und E5. Start und Durchführung der konventionellen Luftbeatmung.

Die programmtechnischen Mittel des eingesetzten Steuerungsprogramms werden in drei getrennte Funktionsblöcke, die hardwaregestützten Funktionseinheiten zugeordnet sind, unterteilt, die je nach Bedarf parallel abgearbeitet werden und deren Bearbeitungsdauer pro Zyklus nicht voneinander abhängig ist, wobei in der Steuereinheit gespeichert werden:

– ein erster Funktionsblock zur Berechnung der Beatmungsparameter, der eine Einstellung, Änderung, Anzeige und Berechnung der Beatmungsparameter für Gasbeatmung oder Flüssigkeitsbeatmung oder für die Kombination der beiden Beatmungen durchführt,
– ein zweiter Funktionsblock zur Motorensteuerung, der die im ersten Funktionsblock ermittelten Werte übernimmt und zur Ansteuerung der Motoren über den Motorenkontroller und für das Schalten der Ventile zuständig ist, und
– ein dritter Funktionsblock zur Datenerfassung, der kontinuierlich die gesammelten Messdaten des Drucksensors und des Kraftaufnehmers der Waage vom USB-6009 Messmodul ausliest und die Messdaten anzeigt,

Die Motoreninitialisierung stellt die Kommunikation zwischen der Steuereinheit und dem Motorkontroller her, indem die Einstellungen für die RS-232-Schnittstelle übergeben werden.
Die Statusabfrage ist ein erstes Sicherheitsmerkmal für die Vorrichtung, wobei bei Einschalten der Motorkontroller die Endschalterfahrten der Motoren ausgeführt werden, um die Nullposition und den maximalen Verstellweg zu ermitteln.
Die Messmodulinitialisierung führt die Kommunikation zwischen der Steuereinheit und dem USB 6009 Messmodul durch, indem die Funktionen für die Datenkanäle erstellt werden.
Grundlage der vorliegenden Erfindung mit einer totalen Gasbeatmung und totalen Flüssigkeitsbeatmung sowie mit einer kombinierten totalen Gasbeatmung und totalen Flüssigkeitsbeatmung ist die Realisierung der vier Beatmungsformen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung:

– Beatmung mit Gas/Luft – druckkontrolliert,
– Beatmung mit Gas/Luft – volumenkontrolliert,
– Beatmung mit Flüssigkeit – druckkontrolliert,
– Beatmung mit Flüssigkeit – volumenkontrolliert.

Jede Beatmungsform (Gas oder Flüssigkeit) kann jeweils mit zwei Beatmungsmustern (druckgesteuert oder volumengesteuert), die in der Steuereinheit gespeichert sind, durchgeführt werden. Je nachdem, ob die Vorrichtung mit Flüssigkeit oder mit Gas gefüllt ist, wird mit dem entsprechenden Fluid beatmet. Für den Wechsel zwischen Luft und Flüssigkeit wird im laufenden Betrieb einfach das Fluid getauscht. Durch den Austausch nur eines Fluids kann die vollständige Flüssigkeitsbeatmung und die vollständige Luftbeatmung des zu Beatmenden in den entsprechenden Gewichtsgrenzen realisiert werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit durch einen entsprechenden Regelkreis eine rückgekoppelte Beatmung, z. B. bei Atmungsunterstützung durchzuführen. Die Auswertung der Wirkungen der vollständigen Flüssigkeitsbeatmung (TLV) auf die Oberfläche der Lunge kann mit der Optischen Kohärenz Tomografie (OCT) erfolgen.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Schläuchen, Ventilen, Pumpen, Sensoren wird die Beatmung über einen Inspirationskreislauf und einen Expirationskreislauf realisiert. Ist die Vorrichtung mit Flüssigkeit gefüllt, erfolgt Flüssigkeitsbeatmung und entsprechend, wenn die Vorrichtung mit Luft gefüllt ist, eine normale Beatmung mit Luft. Weiterhin enthält die Vorrichtung einen Oxygenerator, mit dem das Medium in der geschlossenen Vorrichtung (Zustand) mit Sauerstoff angereichert wird. Ein Atemkalk-Behälter eliminiert das anfallende Kohlendioxid aus der Vorrichtung in einem Kreislauf.
Es kann eine Kombination der alternierenden mechanischen Beatmung mit Luft und mit Flüssigkeit in der Vorrichtung gegeben sein. Bei der Flüssigkeitsbeatmung wird die funktionelle Residualkapazität der Lunge (d. h. das Volumen, das nach dem Ausatmen normalerweise luftgefüllt bleibt) mit Perfluorocarbon gefüllt, und es werden wie bei der herkömmlichen Gasbeatmung Gas-Tidalvolumina auf den intrapulmonalen Perfluorocarbon-Spiegel appliziert.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin:

– Einsatz einer einzigen Vorrichtung mit Fluidwechsel im laufenden Betrieb,
– Variation des Betriebes druckgesteuert und volumengesteuert,
– Vollständige Flüssigkeitsbeatmung oder normale mechanische Gasbeatmung sind möglich,
– die zu untersuchenden Beatmenden können vorzugsweise ein Gewicht von 15 g bis 5 kg haben und
– eine Kostenreduzierung.

Durch die Regulierung der Atmung soll je nach Stoffwechsellage, d. h. sowohl in Ruhe als auch unter Belastung – eine angepasste Ventilation gewährleistet werden. Die Erfindung erlaubt somit, eine mechanische Beatmung mit mindestens zwei Fluiden, insbesondere mit Luft und mit Flüssigkeit mit ein und derselben Vorrichtung sowohl druckgesteuert als auch volumengesteuert durchzuführen.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Beatmung mit Gas und/oder Flüssigkeit,
2 einen Schaltplan einer Schaltungselektronik der Ventilsteuerung und Drucksensorelektronik mit externer Anschlussbelegung und
3 eine schematische Darstellung der Programmstruktur und des Datenaustausches zwischen den Funktionsblöcken in Funktionseinheiten der Steuereinheit.
Im Folgenden werden die 1 und 3 gemeinsam betrachtet. In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Beatmung mit Gas 22 und mit Flüssigkeit 21 und dargestellt, wobei die Vorrichtung 1 enthält,

– einen Tubus 17 zur Beatmung mit einem angeschlossenen Drucksensor 3,
– eine Inspirationspumpe 6, die über eine Schlauchleitung 164 mit einem ersten Ventil 71 an den Tubus 17 angeschlossenen ist und von einem Motorkontroller 2 gesteuert wird,
– eine Exspirationspumpe 7, die über eine Schlauchleitung 165 mit einem zweiten Ventil 72 an den Tubus 17 angeschlossen ist und von dem Motorkontroller 2 gesteuert wird,
– eine Oxygenatoreinheit 101, die eingangsseitig mit der Exspirationspumpe 7 über eine vom zweiten Ventil 72 gesteuerte Schlauchleitung in Verbindung steht,
– einen Hauptbehälter 15, der mit der Inspirationspumpe 6 über eine vom ersten Ventil 71 gesteuerte Schlauchleitung in Verbindung steht und der von einem ihm zugeordneten Thermostat 14 temperaturstabilisiert wird,
– einen Zusatzbehälter 131 für Flüssigkeit 21, der über ein drittes Ventil 12 mit einer Schlauchleitung 163 zwischen dem Ausgang der Oxygenatoreinheit 101 und dem Eingang des Hauptbehälters 15 verbunden ist, wobei das Schlauchleitungssystem 16 einen Gesamtkreislauf 90 für die beiden Fluids 21, 22 verbindend unterstützt,
– eine Waage, die mit einer Unterlage für den zu Beatmenden in Verbindung steht, zum Ermitteln der ventilierten Flüssigkeitsmenge des zu Beatmenden sowie
– eine Steuereinheit 18, die über Datenleitungen zumindest die Ventile 71, 72 des Gesamtkreislaufs 90 zur Durchführung der Beatmung schaltet und mit dem Motorkontroller 2 und zumindest mit dem Drucksensor 3 in Verbindung steht.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem Hauptbehälter 15 ausgangsseitig und der Oxygenatoreinheit 101 eingangsseitig eine beide verbindende Peristaltikpumpe 11 zum Transport des jeweiligen Fluids vom Hauptbehälter 15 aus über Schlauchleitungen 162, 161 zum Oxygenator 10 der Oxygenatoreinheit 101 angeordnet, wobei das dritte Ventil 12 mit einem Zusatzbehälter 20 für Gas 22 in Verbindung steht und wobei die Steuereinheit 18 mit hardwaremäßigen Funktionseinheiten und zumindest mit folgenden, in 3 gezeigten, programmtechnischen Funktionsblöcken:

– einem ersten Funktionsblock 40 zur Berechnung von Beatmungsparametern für die Gasbeatmung, für die vollständige Flüssigkeitsbeatmung und für die Kombination der beiden Beatmungen in einer ersten Funktionseinheit,
– einem zweiten Funktionsblock 41 zur Motorensteuerung in einer zweiten Funktionseinheit und
– einem dritten Funktionsblock 42 zur Datenerfassung in einer dritten Funktionseinheit

Die Peristaltikpumpe 11 weist eine Drehrichtung auf, die das jeweils anliegende Fluid in den Schlauchleitungen 164, 165 zwischen Hauptbehälter 15 und Oxygenatoreinheit 101 bewegt.
Die Inspirationspumpe 6 kann zumindest aus einer mit einem ersten Kolben 63 enthaltenden ersten Spritze 61, einem an den ersten Kolben 63 angeschlossenen ersten Linearmotor 12 sowie dem Motorkontroller 2 bestehen.
Die Exspirationspumpe 7 kann zumindest aus einer mit einem zweiten Kolben 64 enthaltenden zweiten Spritze 62, einem an den zweiten Kolben 64 angeschlossenen zweiten Linearmotor 19 sowie dem Motorkontroller 2 bestehen.
Die Oxygenatoreinheit 101 weist einen Gaskreislauf 23 auf, zu dem zumindest ein Oxygenator 10, eine Gas-Membranpumpe 9 und ein Atemkalk-Behälter 8 gehören, die in dem inneren Gasaustauschkreislauf 23 in Reihe miteinander verbunden angeordnet sind. Die flüssigkeits- und/oder gasführenden Leitungen 161, 162, 163 sowie 164, 165 des Gesamtkreislaufes 90 bilden ein Schlauchleitungssystem 16.
Der für die Aufnahme des Fluids 21, 22 vorgesehene Hauptbehälter 15 kann in einem becherartigen Umgebungsbehälter 13 eingebettet sein, der zum Thermostat 14 gehört, der eine konstante Temperatur des Fluids 21, 22 im Hauptbehälter 15 einstellt.
In der verbindenden Schlauchleitung 163 kann das dritte Ventil 12 vorgesehen sein, das mit dem Zusatzbehälter 131 mit Flüssigkeit 21 und einem Zusatzbehälter 20 mit Gas 22 in Verbindung steht und von der Steuereinheit 18 aus schaltbar gesteuert ist.
Erfindungsgemäß besteht das dritte Ventil 12, wie in 1 gezeigt ist, aus zwei Dreiwegeventilen 121 und 122, wobei an das erste Dreiwegeventil 121 der Zusatzbehälter 131 mit Flüssigkeit 21 und der Zusatzbehälter 20 mit Gas 22 angeschlossen sind und an das zweite Dreiwegeventil 122 das erste Dreiwegeventil 121 und die Schlauchleitung 163 angeschlossen sind, wobei das Ventil 12 wahlweise manuell betätigbar oder mit der Steuereinheit 18 über eine Signalleitung (nicht eingezeichnet) schaltbar verbunden ist.
Zumindest die Ventile 71, 72 können Quetschventile für die durchgehenden Schlauchleitungen der Inspirationspumpe 6 und der Exspirationspumpe 7 darstellen.
Zur Beatmung mit Gas 22 und mit Flüssigkeit 21 mit einem abschließenden Wechsel zur Gasbeatmung können unter Einsatz der vorgenannten Vorrichtung 1 folgende Schritte durchgeführt werden:

A. Innenbefüllung der Vorrichtung 1 mit 100%igem Sauerstoff zur Herausdrängung von restlichem Stickstoff aus der Lunge des zu Beatmenden,
B. Einstellung der Beatmungsparameter für die Luftbeatmung und
C. Durchführung der konventionellen Luftbeatmung,
D. Wechsel zur Flüssigkeitsbeatmung, D1. Einstellung der Beatmungsparameter auf Flüssigkeitsbeatmung, D2. Zirkulation der Flüssigkeit 21 im Gesamtkreislauf 90, D3. Befüllung der Inspirationsspritze 61 mit Flüssigkeit 21, D4. Pumpen der Flüssigkeit 21 in die Lunge, D5. Luftabsaugung über die Exspirationspumpe 7,
E. Wechsel von der Flüssigkeitsbeatmung zur Luftbeatmung, E1. Öffnung des Gesamtkreislaufes 90, E2. Pumpen der Flüssigkeit 21 in den Zusatzbehälter 131, E3. Ersetzen der Flüssigkeit 21 durch Luft 22 in den Sprittzen 61, 62, E4. Einstellung der Beatmungsparameter für die Luftbeatmung und E5. Start und Durchführung der konventionellen Luftbeatmung.

Zur Beatmung mit Flüssigkeit 21 und einem Wechsel zur abschließenden Gasbeatmung können unter Einsatz der vorgenannten Vorrichtung 1 folgende Schritte durchgeführt werden:

A. Innenbefüllung der Vorrichtung 1 mit 100%igem Sauerstoff zur Herausdrängung von restlichem Stickstoff aus der Lunge des zu Beatmenden,
D. Wechsel zur Flüssigkeitsbeatmung, D1. Einstellung der Beatmungsparameter auf Flüssigkeitsbeatmung, D2. Zirkulation der Flüssigkeit 21 im Gesamtkreislauf 90, D3. Befüllung der Inspirationsspritze 61 mit Flüssigkeit 21, D4. Pumpen der Flüssigkeit 21 in die Lunge, D5. Luftabsaugung über die Exspirationspumpe 7,
E. Wechsel von der Flüssigkeitsbeatmung zur Luftbeatmung, E1. Öffnung des Gesamtkreislaufes 90, E2. Pumpen der Flüssigkeit 21 in den Zusatzbehälter 131, E3. Ersetzen der Flüssigkeit 21 durch Luft 22 in den Spritzen 61, 62, E4. Einstellung der Beatmungsparameter für die Luftbeatmung und E5. Start und Durchführung der konventionellen Luftbeatmung.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann aber auch eine Beatmung mit Gas 22 ohne einen Wechsel zur Flüssigkeitsbeatmung mit folgenden Schritten durchgeführt werden:

A. Innenbefüllung der Vorrichtung 1 mit 100%igem Sauerstoff zur Herausdrängung von restlichem Stickstoff aus der Lunge des zu Beatmenden,
B. Einstellung der Beatmungsparameter für die Luftbeatmung und
C. Durchführung der konventionellen Luftbeatmung.

Ausgehend von den aufgeführten Beatmungsgeräten des Standes der Technik haben sich Hauptkomponenten herausgestellt, die zwingend für die erfolgreiche Flüssigkeitsbeatmung notwendig sind. Dazu gehört eine Pumpvorrichtung zur aktiven Beförderung des Tidalvolumens in die Lunge hinein und heraus, eine Oxygenatoreinheit, um das Perfluorocarbon mit Sauerstoff anzureichern und Kohlenstoffdioxid herauszulösen, ein Wärmetauscher zur Erwärmung des Perfluorocarbons auf physiologische 37°C, wodurch das Absinken der Körperkerntemperatur verhindert wird, sowie Ventile zur Flussrichtungsregulierung und eine geeignete Steuerroutine, die es dem Benutzer ermöglicht, aktiv auf die Beatmungsparameter zuzugreifen und geeignete Rückinformationen von der Vorrichtung abzubilden.
1 zeigt einen schematischen Überblick über die Anordnung der Komponenten und den Volumenfluss des Perfluorocarbons während der Beatmung. Die Beschreibung der Funktionsweise erfolgt zunächst ausgehend vom Beginn eines Atemzyklus mit der Inspiration. Die Vorrichtung 1 soll für die Beschreibung vollständig mit Perfluorocarbon befüllt sein, wobei die prinzipielle Arbeitsweise vom Perfluorocarbon oder von der Luft unabhängig ist. Außerordentliche Zustände, wie das Befüllen der Vorichtung mit Perfluorocarbon und der Wechsel des Ventilationsmediums im laufenden Betrieb, werden nach der Beschreibung des kontinuierlichen Beatmungsmodus erläutert.
Die Funktionsweise besteht darin, dass während der Beatmung die Peristaltikpumpe 11 kontinuierlich mit 15 ml/min Perfluorocarbon 21 aus dem Hauptbehälter 15 durch die Oxygenatoreinheit 101 fördert, um genügend Sauerstoff im Perfluorocarbon 21 zu binden und gebundenes Kohlendioxid CO₂ aus dem Perfluorocarbon 21 zu lösen. Dafür wird herkömmlicher Atemkalk in einem Atemkalk-Behälter 8 und ein Perfusatoxygenator 10 mit einem Füllvolumen von 19 ml verwendet. Die Erwärmung des Perfluorocarbon auf 37°C im Hauptbehälter 15 erfolgt im doppelwandigen Reservoir mit einem Becher-Behälter 13 mittels des Thermostats 14. Beginnend mit der Inspiration wird der erste Kolben 63 einer ersten Spritze 61 (abhängig vom ventilierten Tidalvolumen) motorisch bewegt, so dass Perfluorocarbon 21 in die Lunge gedrückt wird. Das Magnetventil 71 öffnet dazu den Inspirationszweig 70, wohingegen das Magnetventil 72 den Exspirationszweig 80 geschlossen hält. Das Volumen ist dabei abhängig vom Vortrieb der Motoren 24, 19, wobei der Vortrieb im Steuerprogramm entsprechend der Spritzengröße und den eingestellten Beatmungsparametern errechnet wird. Zeitgesteuert wird die Inspiration beendet und das Ventil 71 schließt den Inspirationszweig 70, gleichzeitig öffnet das Ventil 72 den Exspirationszweig 80. Mit beginnender Exspiration wird der zweite Kolben 64 einer zweiten Spritze 62 ebenfalls motorisch bewegt, so dass das applizierte Volumen aktiv aus der Lunge gepumpt wird. Gleichzeitig mit der Exspiration zieht die Inspirationsspritze 61 oxygeniertes Perfluorocarbon 21 aus dem Hauptbehälter 15 an, wohingegen die Exspirationsspritze 62 während der Inspirationszeit einen Teil ihres Volumens über die Oxygenatoreinheit 101 in den Gesamtkreislauf 90 zurückführt. Der pulmonale Druck wird währenddessen kontinuierlich mittels Differenzdrucksensor 3 direkt am Lungentubus 17 gemessen. Dabei ergibt sich ein genauer zeitlicher Ablauf der Motorensteuerung und Ventilsteuerung und die Unterschiede bei druck- bzw. volumenkontrollierten Beatmungsmodi.
Als Flüssigkeit 21 kann aus der Gruppe der Perfluorocarbone Perfluorodecalin (C₁₀F₁₈) ausgewählt werden, dessen chemische Eigenschaften im Weiteren näher erläutert werden. Diese sind auch in Tabelle 1 im Vergleich zu anderen Perfluorocarbonen und weiteren medizinisch relevanten Medien aufgeführt.
Perfluorodecalin 21 besteht aus vollständig fluorierten zehnatomigen Kohlenstoffketten, ist farblos und geruchslos, sowie biologisch, thermisch und chemisch inert. Vorteilig ist der hohe Siedepunkt mit 142°C, wodurch die Verdunstungsrate bei Raumtemperatur gering gehalten werden kann. Die hohe Dichte mit 1,917 kg/l sorgt, im Zusammenhang mit der Oberflächenspannung von 15 mN/m, für eine gute Verteilung des Perfluorocarbons innerhalb der Lunge allein aufgrund der Schwerkraft. Die Bindungsfähigkeit für gasförmigen Sauerstoff beträgt 49 ml pro 100 ml Flüssigkeit und für gasförmiges Kohlenstoffdioxid 140 ml pro 100 ml Flüssigkeit. Damit kann knapp dreimal so viel Gas gebunden werden, wie die gleiche Menge Blut transportieren kann. Wesentlicher Vorteil für die Bildgebung von zu untersuchenden und zu beatmenden Lungenflächen mittels Optischer Kohärenz Tomografie ist der optische Brechungsindex von n = 1,31. Der geringe Unterschied zum Brechungsindex des umgebenden Gewebes (n = 1,33) minimiert die Streuverluste auf dem Weg der nahinfraroten Strahlung durch das Gewebe und die Artefakte bei der anschließenden Bildrekonstruktion.
Die Beatmung beginnt immer mit einer konventionellen Gasventilation mit 100% Sauerstoff. Die Beatmungsparameter werden entsprechend eingestellt und die Beatmung durchgeführt. Der Wechsel zur Flüssigkeitsbeatmung erfolgt mithilfe eines Zusatzbehälters 131 mit Flüssigkeit 21, welches über das Ventil 12 zu dem Gesamtkreislauf 90 zugeschaltet werden kann. Der Zusatzbehälter 131 für Flüssigkeit 21 ist oberhalb des doppelwandigen Flüssigkeitsreservoirs 13 angebracht, so dass das als Flüssigkeit eingesetzte Perfluorodecalin aufgrund der Schwerkraft hineinläuft. Die Peristaltikpumpe 11 lässt das Perfluorodecalin im Gesamtkreislauf 90 zirkulieren, wobei darauf geachtet werden muss, dass genügend Flüssigkeit 21 zur Verfügung steht, da allein im Oxygenator 10 ein Volumen von 19 ml zum Befüllen benötigt werden. Die Beatmungsparameter werden auf Flüssigkeitsbeatmung umgestellt und eine Befüllungssequenz wird gestartet, wodurch die Inspirationsspritze 61 mit genügend Perfluorodecalin 21 befüllt wird. Im weiteren Verlauf wird ausschließlich Perfluorodecalin 21 in die Lunge gepumpt und die restliche Luft im Schlauchleitungssystem 16 über die Exspirationspumpe 9 nach und nach abgesaugt. Die Verwendung von 100% Sauerstoff 22 am Anfang der Beatmung hat zwei Vorteile:
Zum einen wird Stickstoff aus der Lunge gespült, welches nicht im Perfluorodecalin 21 gebunden werden kann,
zum anderen wird der Sauerstoff 22 nach und nach im Perfluorodecalin 21 gelöst, so dass eine vollständige Befüllung des Schlauchleitungssystems 16 möglich wird. Wird am Anfang auf die Sauerstoffspülung verzichtet, können sich Luftblasen bilden, die aufgrund des geringen Schlauchinnendurchmessers haften bleiben. Geschieht dies genau vor dem endotrachealen Tubus 17, werden diese Luftblasen zusätzlich in die Lunge gedrückt, was die Flüssigkeitsbeatmung stören kann. Der Wechsel von der Flüssigkeitsbeatmung zur Luftbeatmung erfolgt durch Öffnung des Gesamtkreislaufes 90. Dadurch wird das Perfluorodecalin 21 durch die Peristaltikpumpe 11 nicht zurück in den Hauptbehälter 15 gepumpt, sondern in einen Auffangbehälter 131. Durch Starten der Befüllungssequenz wird verbleibende Flüssigkeit 21 aus den Spritzen 61, 62 gedrückt und durch Luft 22 ersetzt. Anschließend erfolgt die Umstellung der Beatmungsparameter und die konventionelle Ventilation mit Luft 22 kann gestartet werden. Der Wechsel von der Gasbeatmung zur Flüssigkeitsbeatmung dauert etwa 3 Minuten und der Wechsel 21–22 zurück auf Gas/Luftbeatmung etwa 5 Minuten.
Die Verwendung zweier voneinander getrennter Spritzen 61, 62 für die Inspiration und Exspiration hat den großen Vorteil, dass auftretende Volumenunterschiede individuell verarbeitet werden. Zusätzlich können verschiedene Beatmungsmodi realisiert werden, die mit nur einer Pumpeinheit technisch schwer umsetzbar sind. Dazu gehören beispielsweise verschiedene Inspirations-Verhältnisse zu Exspirations-Verhältnisse und unterschiedliche positive und negative Flowphasen innerhalb eines Atemzyklus. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik vorgestellten Beatmungsgeräten, wird auf eine Kondensatoreinheit zur Rückgewinnung von gasförmigem Perfluorocarbon beim Aufbau des Prototypen verzichtet, da bisherige Beatmungen keinen signifikanten Verlust von Perfluorocarbon über den Beatmungszeitraum von bis zu zwei Stunden gezeigt haben. Begründet wird dies einerseits durch den hohen Siedepunkt des verwendeten Perfluorocarbons mit 142°C, andererseits durch den Sättigungsdampfdruck bei 37°C von 14 mmHg. Zur Kontrolle der ventilierten Flüssigkeitsmenge und der in der Lunge verbleibenden funktionellen Residualkapazität ist eine Unterlage 4 auf einem Kraftsensor 5 gelagert, dessen Signal über eine Datenerfassungskarte an die Steuereinheit 18 übermittelt wird. Entscheidend für die Flüssigkeitsbeatmung ist das Gastransportmedium.
Weitere Komponenten sind Hardwarebestandteile, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, dem Beatmungsgerät, eingesetzt sind. Dazu gehören die Antriebsmotoren 24, 19 für die Spritzen 61, 62. Es handelt sich um zwei Linearmotoren mit einem jeweiligen vorgegebenen Verstellweg und dazugehörigem Motorkontroller 2. Gleichzeitig bieten die Motoren 24, 19 eine reproduzierbare Positioniergenauigkeit von ±5 μm und eine axiale Zug- bzw. Druckkraft von 15 N. Mit einer maximalen Verstellgeschwindigkeit von 15 mm / s sind die Motoren 24, 19 für die gängigen Beatmungsfrequenzen ausreichend dimensioniert.
Für die Motorenkontrolle sind entsprechenden Routinen vorgesehen, die direkt in die programmtechnischen Mittel des Steuerungsprogramms eingebunden werden können. Die Kommunikation zwischen Motorenkontroller 2 und der Steuereinheit 18 in Form eines Personalcomputers erfolgt wahlweise über USB- oder RS-232-Schnittstelle.
Zur Flussrichtungsregulierung werden als Ventile 71, 72 zwei magnetisch betriebene Mikro-Schlauchquetschventile mit einer Gleichstromversorgungsspannung von 12 V ausgewählt. Die Quetschventile 71, 72 halten einem Differenzdruck von 0,8 bar stand und sind auch für Gas im geschlossenen Zustand bei Verwendung von Silikonschläuchen 16 der maximalen Härte von 50 Shore undurchlässig. Die Ventile 71, 72 besitzen kurze Schaltzeiten und eine geringe Mindestwartezeit zwischen den Einschaltvorgängen im angestrebten Arbeitsbereich. Die Vorteile dieser Quetschventile 71, 72 sind die Trennung der mediumführenden Teile von der Mechanik, die Vermeidung von zusätzlichem Totraum und die Möglichkeit des Durchflusses in beide Richtungen. Die Bezeichnung 3/2-Wegeventil bedeutet, dass es zwei Schaltzustände und drei Prozessanschlüsse gibt. Im Falle der verwendeten Quetschventile 71, 72 können zwei Schläuche 16 eingelegt werden und während des Betriebes ist stets ein Anschluss geöffnet und der andere geschlossen.
Für das fluidführende Schlauchleitungssystem 16 wird ein handelsüblicher Silikonschlauch ausgewählt, z. B. mit einem Innendurchmesser von 1,98 mm, einem Außendurchmesser von 3,18 mm und einer Härte von 50 Shore. Der maximale Außendurchmesser und die maximale Härte werden durch die Ventilwahl definiert. Mit dem gegebenen Innendurchmesser ergibt sich für eine Schlauchlänge von 10 cm ein Totraumvolumen von 308 μl, was besonders bei der Dimensionierung der Verbindungswege zwischen Spritzen 61, 62 und Lungentubus 17 berücksichtigt werden muss und einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss bei der Ventilation kleiner Tidalvolumina hat.
Die Verbindung der Schläuche 16 mit anderen Komponenten und die Verbindung untereinander erfolgt vorzugsweise über Luer-Lock-Anschlüsse und Miniaturschlauchverbinder.
Für die Inspirationseinheit 6 und die Exspirationseinheit 7 werden, abhängig vom gewünschten Tidalvolumen, Perfusorspritzen bzw. Feindosierspritzen mit zentrischem Luer- oder Luer-Lock-Anschluss verwendet. Das Füllvolumen variiert dabei von 1 ml bis hin zu 50 ml, was maßgeblich für die Konstruktion von Spritzen-Halterungseinheiten ist.
Der eingesetzte Drucksensor 3 wird mit 5 V betrieben und wandelt die Differenz zwischen Systemdruck und Umgebungsdruck in ein Spannungssignal um, welches erfasst wird und ein Maß für den pulmonalen Druck ist.
Für die Zirkulation des Perfluorocarbons im Gesamtkreislauf 90 wird eine herkömmliche Peristaltikpumpe 11 mit maximal zwei Förderkanälen eingesetzt.
Der für die Temperierung des Perfluorocarbons genutzte Thermostat 14 ist mit einem 10 Liter Wasserbehälter und einer Pumpeinheit ausgestattet und es können Temperaturen von bis zu 160°C erreicht werden. Der Thermostatanschluss erfolgt über zwei Wasserschläuche an das doppelwandige Reservoir 13. Die Temperierung auf die angestrebten 37°C erfolgt damit in weniger als 10 Minuten und wird über die gesamte Zeit der Beatmung konstant gehalten.
Für die Volumenkontrolle ist ein Kraftaufnehmer 5 vorgesehen. Er ist für Zug und Druckbelastung gleichermaßen geeignet und misst Kräfte bis 50 N mit einer relativen Kennwertabweichung von 0,2%. Die Spitze des Kraftaufnehmers 5 wird zur korrekten Messung senkrecht belastet und bildet daher einen von drei konstruktiv vorgesehenen Auflagern der Unterlage 4. Zwei zusätzliche Lager befinden sich auf einem Bügel im Abstand von 14 cm. Die dreieckige Anordnung der Auflager gestattet die waagerechte und verkippungsfreie Lagerung der Unterlage 4 ohne zusätzliche Justage. Die Korrektur des Messsignals erfolgt in Abhängigkeit vom Abstand der Lunge zum Auflager des Kraftsensors 5 über das Hebelgesetz. Die Korrektur wird mittels programmtechnischer Mittel vorgenommen, nachdem der Abstand gemessen und eingegeben wird.
Für die Sauerstoffanreicherung des Perfluorocarbons und die Kohlendioxideliminierung ist ein Hohlfaser-Membranoxygenator 10 eingesetzt, wie er in neonatalen Herz-Kreislaufmaschinen zum Einsatz kommt. Der Gasaustausch erfolgt im Gegenstromverfahren, wobei eine Gesamtaustauschfläche von 0,25 m² zur Verfügung steht. Die einzelnen Fasern besitzen einen Innendurchmesser von 250 μm und eine Länge von 140 mm. Dadurch entsteht im Gesamtkreislauf 90 ein zusätzliches Volumen von 19 ml. Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und deren Zirkulation, wird daher auch bei geringen Tidalvolumina von beispielsweise 0,2 ml eine Gesamtflüssigkeitsmenge von mind. 30 ml eingesetzt. Im angeschlossenen Gasaustauschkreislauf befindet sich ein Atemkalk-Behälter 8 mit Atemkalk, in welchem das Kohlendioxid CO₂ chemisch gebunden wird. Das Erreichen der Sättigungsgrenze des Atemkalks wird durch einen Farbumschlag von weiß zu rosa erkennbar.
Es ist eine Halterungseinheit für die unterschiedlichen Spritzentypen 61, 62 vorgesehen, die formschlüssige Verbindung der Spritzenkolben mit den Schlitten der Linearmotoren 24, 19 und die Lagerung der Unterlage 4.
Für den flexiblen Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, des Beatmungsgerätes, werden unterschiedliche Spritzen 61, 62 in dem Beatmungsgerät eingesetzt und deren Wechsel bedienerfreundlich gestaltet. Vorhanden sind Perfusorspritzen mit 1, 3, 5, 10, 20 und 50 ml Füllvolumen. Durch den dreiteiligen Aufbau, bestehend aus Zylinder, Stempel und Gummidichtung, ist ein reibungsarmer Langzeitbetrieb möglich. Der genormte zentrische Luer-Anschluss sorgt für den unkomplizierten An- und Abschluss an das Schlauchleitungssystem 16 und dient als unveränderliche einseitige Einspannung. Im Gegensatz dazu verändern sich in Anhängigkeit vom Füllvolumen die Spritzenlänge und der Durchmesser, so dass die zweite Einspannung zur Fixierung der Spritze an deren Größe anpassbar gestaltet werden muss. Da die Kolben 63, 64 der Spritzen 61, 62 ebenfalls unterschiedliche Abmessungen haben, ist auch deren Fixierung auf den Schlitten der Linearmotoren 24, 19 entsprechend konstruiert. Dafür wurde eine formschlüssige Verbindung gewählt, um Bewegungsspiel zu vermeiden und die Motorenbewegung ohne Gangunterschiede auf die Kolbenbewegung zu übertragen, so dass die reproduzierbare Bewegungsgenauigkeit nur noch von der Positioniergenauigkeit der Motoren 24, 19 abhängig ist.
Die Unterlage 4 ist verschwenkbar mit dem Gesamtaufbau der Vorrichtung 1 verbunden, da ein häufiges Drehen der Unterlage 4 nötig ist.
Der Kraftaufnehmer 5 wird in der Mitte der Halterungseinheit befestigt. Seine zu belastende Sensorspitze bildet einen von drei Auflagepunkten der Unterlage 4. Die beiden anderen Auflagepunkte entstehen durch zwei senkrecht zueinander angeordneten V-Nuten der Halterungseinheit. Die Unterlage 4 ist dahingehend modifiziert, dass drei dreieckig angeordnete Kugelspitzen angebracht sind, die in die Auflagepunkte der Halterungseinheit und des Kraftsensors 5 eingesetzt werden können, wodurch eine justagefreie Handhabung ermöglicht wird.
Zur Vorrichtung 1 gehört der Thermostat 14 mit einer Pumpe, um die Flüssigkeit, z. B. das Perfluorocarbon, auf 37°C zu erwärmen. Zur Verkürzung der dazu benötigten Zeit, erfolgt die Temperierung am doppelwandigen Reservoir. Das verwendete doppelwandige Reservoir besteht aus einer 50 ml Spritze als Hauptbehälter 15 im Inneren eines Becher-Behälters 13 mit 500 ml Füllvolumen. Die Spritze 15 ist mit einem Anschluss am oberen Ende modifiziert, durch den das Perfluorocarbon 21 in die Spritze 15 fließen kann. Der Abfluss erfolgt über den Standardausgang am unteren Ende. Der Zu- und Abflussschlauch wird durch Bohrungen im Becher-Behälter 13 an die Spritze 15 geführt. Die Bohrungen, sowie die Anschlüsse an der Spritze 15 und deren Kolben, sind mit Epoxidharz verschlossen, um das Eindringen von Wasser zu vermeiden. Für den Anschluss der Thermostatpumpschläuche sind zwei zusätzliche Schlauchverbinder mit entsprechendem Durchmesser in die Wand des Becher-Behälters 13 geklebt. Mit diesem Aufbau kann das Perfluorocarbon 21 im Hauptbehälter 15 erwärmt werden, indem das warme Wasser des Thermostates 14 um den Hauptbehälter 15 herum zirkuliert.
In der Steuereinheit 18 kann eine in 2 gezeigte Schaltungselektronik 25 vorhanden sein und es sind programmtechnische Mittel zur Steuerung der zugehörigen Schaltungselektronik 25 gespeichert.
Die Schaltungselektronik 25 erfüllt im Wesentlichen drei Aufgaben.
Dazu gehört

– Durchschalten und Sperren der 12 V Spannungsversorgung zumindest für die Magnetventile 71, 72 mittels eines externen Signals,
– eine kontinuierliche Spannungsversorgung des Drucksensors 3 mit 5 V und
– die Verstärkung von Druck-Messsignalen.

2 zeigt den schematischen Schaltplan der Schaltungselektronik 25, dessen Layout auf einer genormten Lochrasterplatine umgesetzt ist. Die Spannungsversorgung für die gesamte Schaltungselektronik 25 erfolgt über ein 12 V Gleichspannungsnetzteil 26, wobei die Schaltungselektronik 25 über den Schalter 27 am Gehäuse zugeschaltet wird. Zum Schutz der Schaltungselektronik 25 vor möglichen Spannungsspitzen ist eine Sicherung 28 in Reihe zum Schalter 27 vorgesehen. Die Glättung der Eingangsspannung erfolgt mittels 1 mF Kondensator 29. Parallel dazu ist eine Leuchtdiode 30 mit entsprechendem Vorwiderstand 31 geschaltet, die den eingeschalteten Betriebszustand visualisiert. Die beiden verwendeten Magnetventile 71, 72 werden über zwei MOS-Feldeffekttransistoren 32, 33 geschaltet, indem die Gatespannungen verändert werden. Zum Durchschalten der 12 V Versorgungsspannung für den Betrieb der Ventile 71, 72, wird dafür an den Gateeingang der Transistoren ein 5 V Gleichspannungssignal angelegt. Das Signal wird über die digitalen Ports der externen USB 6009 Messkarte 48 entsprechend der Steuerroutine des PC-Programms generiert, wodurch die unterschiedlichen Ventilöffnungszeiten realisiert werden. Der restliche Teil der Schaltungselektronik 25 sorgt für die Spannungsversorgung des Drucksensors 3 und die Verstärkung des Differenzdrucksignals. Mithilfe eines Konstantspannungswandlers 34 werden die 12 V auf eine Ausgangsspannung von 5 V transformiert, mit deren Hilfe der Drucksensor betrieben wird. Das Differenzdrucksignal wird in Form einer Spannungsdifferenz zwischen den Anschlössen „Signal +” und „Signal –” in eine Verstärkerschaltung geführt. Der eingesetzte Operationsverstärker 35 wird mit +6 V und –6 V betrieben. Beide Spannungen entstehen durch Aufspaltung der 12 V Versorgungsspannung mithilfe der beiden gleichdimensionierten R-C-Glieder 36, 37, deren Verbindungspunkt als virtuelle Masse für den Operationsverstärker 35 dient. Aufgrund der gewählten Vorwiderstände 38, 39 kann mit der Schaltungselektronik 25 eine tausendfache Verstärkung des Differenzspannungssignals von mV zu Volt erreicht werden, so dass eine Messung über einen Analogeingang der USB 6009 Messkarte möglich wird.

Mit den eingesetzten, gespeicherten programmtechnischen Mitteln können auch die Beatmungsparameter eingestellt werden und die Motorensteuerung und Ventilöffnungszeiten entsprechend realisiert werden. Darüber hinaus erfolgt die Darstellung des gemessenen endotrachealen Drucksignals und verschiedener Steuerparameter. Die Umsetzung erfolgte mit einem datenflussorientierten Programmiersystem. Durch die getrennten Hierarchieebenen dieser Programmierart, kann eine bedienfreundliche Benutzeroberfläche geschaffen werden, welche frei von der eigentlichen Verdrahtung und den mathematischen Berechnungsalgorithmen ist und somit eine weitgehend intuitive Handhabung ermöglicht. Das Design der Benutzeroberfläche und die darauf dargestellten Bedienelemente orientieren sich an dem Aufbau und den Einstellungsmöglichkeiten konventioneller Beatmungsgeräte. Zum besseren Verständnis der folgenden Ausführungen werden noch einmal die einstellbaren Parameter in Abhängigkeit von druck- oder volumenorientierten Beatmungsmodi tabellarisch aufgeführt. Tabelle 1 Einstellbare Parameter in Abhängigkeit von druckkontrollierter oder volumenkontrollierter Beatmung (+ bedeutet, der Parameter ist einstellbar, – nicht einstellbar)

Einstellparameter	druckkontrolliert	volumenkontrolliert
Spritzentyp	+	+
Tidalvolumen (ml)	–	+
Spitzendruck (mbar)	+	–
Beatmungsfrequenz (bpm)	+	+
Flow (ml/min)	–	+
Rampenanstieg	+	–
Insp/Exsp Ratio	+	+
PEEP (mbar)	+	+
Insp. halten	+	+
Exsp. halten	+	+
pos. Flow (sec)	+	–
Exsp. Pause (sec)	+	+

Die Einheiten der Einstellparameter sind nicht veränderbar und dienen als Umrechnungsgrundlage in den vorgegebenen Berechnungsschritten, d. h. ein vorgegebener Wert des Tidalvolumens beispielsweise muss in ml eingegeben werden, um die spritzentypabhängige Umrechnung in einen benötigten Motorenverstellweg richtig zu vollziehen.

– Spritzentyp: entspricht der verwendeten Spritzengröße 1, 3, 5 und 50 ml,
– Tidalvolumen (ml): entspricht dem ventilierten Atemzugvolumen pro Zyklus,
– Spitzendruck (mbar): maximaler Druck bis zu dem inspiriert wird,
– Beatmungsfrequenz (bpm): Anzahl der Atemzüge pro Minute,
– Flow (ml/min): Volumenfluss pro Minute; ergibt bei der volumenkontrollierten Beatmung die Zeit, innerhalb derer das eingestellte Tidalvolumen inspiriert wird,
– Rampenanstieg: variiert den Anstieg des applizierten Drucksignals bei der druckkontrollierten Beatmung; je steiler, desto schneller wird der eingestellte Spitzendruck erreicht,
– Insp./Esxp. Ratio: Verhältnis von Inspirationszeit zu Exspirationszeit; einstellbar sind 1:1, 1:2 und 1:4,
– PEEP (mbar): Druck, bei dessen Erreichen die Exspiration beendet wird,
– Insp. halten: die Inspirationspause wird solange verlängert, wie diese Schaltfläche gedrückt ist, erst anschließend erfolgt die Exspiration,
– Exsp. halten: die Exspirationspause wird solange verlängert, wie diese Schaltfläche gedrückt ist, erst anschließend erfolgt die Inspiration,
– pos. Flow (sec): stellt die Inspirationszeit bei der druckkontrollierten Beatmung ein, während der Volumen appliziert werden kann; der Anstieg wird durch die Schaltfläche Rampenanstieg bestimmt,
– Exsp. Pause (sec): Zeit nach der aktiven Exspiration, nach der erneut die Inspiration beginnt; eine entsprechende Inspirationspause ergibt sich aus den anderen Beatmungsparametern und wird automatisch berechnet.

Die datenflussorientierten programmtechnischen Mittel bieten eine Vielzahl fertiger Programmbausteine zur Lösung individueller Problemstellungen. Dafür werden vorhandenen Grundelemente miteinander verdrahtet, um komplexere Programmfunktionalitäten zu erzeugen. Allerdings bedeutet datenflussorientierte Programmierung, dass Elemente des Programms nur dann ausgeführt werden können, wenn alle benötigten Daten am Eingang zur Verfügung stehen. Der Vorteil liegt in der parallelen Bearbeitung von Elementen, die nicht voneinander abhängig sind. Darüber hinaus spielt auch die Bearbeitungszeit eine entscheidende Rolle, so müssen einige Programmteile warten, bis andere abgearbeitet wurden.
Daher werden programmtechnische Mittel des eingesetzten Steuerungsprogramms in drei getrennte Funktionsblöcke 40, 41, 42 unterteilt, die parallel abgearbeitet werden können und deren Bearbeitungsdauer pro Zyklus nicht voneinander abhängig ist. Die grundlegende Funktionsblockstruktur ist in 3 dargestellt. Der erste Funktionsblock 40 zur Berechnung der Beatmungsparameter behandelt die Einstellung, Änderung, Anzeige und Berechnung von Beatmungsparametern für die Gasbeatmung, für die vollständige Flüssigkeitsbeatmung und für die Kombination der beiden Beatmungen. Der zweite Funktionsblock 41 zur Motorensteuerung übernimmt die im ersten Funktionsblock 40 ermittelten Werte und ist für die Ansteuerung der Motoren 24, 19 und das Schalten zumindest der Ventile 71, 72 zuständig. Der dritte Funktionsblock 42 zur Datenerfassung liest kontinuierlich die gesammelten Messdaten des Drucksensors 3 und des Kraftaufnehmers 5 vom USB-6009 Messmodul 48 aus und zeigt die Messdaten dem Benutzer an. Zusätzlich werden die Messdaten des Drucksensorsignals an den zweiten Funktionsblock 41 übergeben, um die Motorenbewegung bei Erreichen von Grenzdrücken zu stoppen. Das Kreislauf-Symbol 43 bedeutet die wiederholte Ausführung der Funktionsblöcke 40, 41, 42 bis zum Beenden des Programms. Die Pfeile kennzeichnen die Datenübergabe von einem Funktionsblock aus an andere Funktionsblöcke. Die Motoreninitialisierung 44, die Statusabfrage 45 und die Messmodulinitialisierung 46 werden einmalig beim Programmstart abgearbeitet. Das Benutzerinterface 47 wird während der Programmausführung permanent abgefragt und aktualisiert, so dass Wertänderungen an die Funktionsblöcke 40, 41, 42 übergeben werden können und Daten aus den Funktionsblöcken 40, 41, 42 angezeigt werden.
Die Motoreninitialisierung 44 stellt die Kommunikation zwischen der Steuereinheit 18, insbesondere dem PC und dem Motorkontroller 2 her, indem die Einstellungen für die RS-232-Schnittstelle 48 (in 1 gezeigt) übergeben werden. Die Einstellungen werden speziell für den Messplatzcomputer 18 getroffen und müssen für jeden anderen PC angepasst werden. Die Statusabfrage 45 ist das erste Sicherheitsfeature für das Beatmungsgerät 1. Wird der Motorkontroller 2 eingeschaltet, müssen die Endschalterfahrten der Motoren 24, 19 ausgeführt werden, damit die Nullposition und der maximale Verstellweg ermittelt werden können. Wird dies nicht gemacht, könnten die Motoren 24, 19 Schaden nehmen, da die Schlitten ungebremst anschlagen, oder über den maximalen Verstellweg verfahren werden und aus der Führung fallen. Die Statusabfrage 45 erkennt, ob die Endschalterfahrt ausgeführt wurde und verhindert gegebenenfalls das Starten der Beatmung, bis die Verfahrlimits ermittelt wurden. Die Messmodulinitialisierung 46 stellt die Kommunikation zwischen Personalcomputer 18 und der USB 6009 Messmodul 48 her, indem die Aufgaben und Funktionen für die Datenkanäle erstellt werden. Momentan werden je Datenkanal 240 Messpunkte pro Sekunde ermittelt. Datenleitung: Kanal eins 49 (in 1 gezeigt) liefert das Kraftsensorsignal, Datenleitung: Kanal zwei 50 (in 1 gezeigt) das Drucksignal.
Durch die Regulierung der Atmung soll je nach Stoffwechsellage, d. h. sowohl in Ruhe als auch unter Belastung – eine angepasste Ventilation gewährleistet werden.
Die Erfindung erlaubt somit, eine mechanische Beatmung mit mindestens zwei unterschiedlichen Fluiden, insbesondere mit Luft/Gas und mit Flüssigkeit mit ein und derselben Vorrichtung 1 sowohl druckgesteuert als auch volumengesteuert durchzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Motorkontroller
3: Drucksensor
4: Unterlage
5: Kraftsensor
6: Inspirationspumpe
7: Exspirationspumpe
8: Atemkalk-Behälter
9: Gas-Membranpumpe
10: Oxygenator
101: Oxygenatoreinheit
11: Peristaltikpumpe
12: drittes Ventil
121: erstes Dreiwegeventil
122: zweites Dreiwegeventil
13: Becher-Behälter
131: Zusatzbehälter für Flüssigkeit
14: Thermostat
15: Hauptbehälter
16: Schlauchleitungssystem
161: Schlauchleitung
162: Schlauchleitung
163: Schlauchleitung
164: Schlauchleitung
165: Schlauchleitung
17: Tubus
18: Steuereinheit
19: zweiter Motor
20: Zusatzbehälter für Gas
21: Flüssigkeit
22: Gas
23: Gasaustauschkreislauf
24: erster Motor
25: Schaltungselektronik
26: Gleichspannungsnetzteil
27: Schalter S1
28: Sicherung
29: Kondensator
30: Leuchtdiode
31: Vorwiderstand
32: erster MOS-FET
33: zweiter MOS-FET
34: Konstantspannungswandler
35: Operationsverstärker
36: erstes RC-Glied
37: zweites RC-Glied
38: Vorwiderstand
39: Vorwiderstand
40: erster Funktionsblock zur Berechnung von Beatmungsparametern
41: zweiter Funktionsblock zur Motorensteuerung
42: dritter Funktionsblock zur Datenerfassung
43: Kreislauf-Symbol
44: Motoreninitialisierung
45: Statusabfrage
46: Messmodulinitialisierung
47: Benutzerinterface
48: RS-232-Schnittstelle/USB
49: Datenleitung: Kanal eins
50: Datenleitung: Kanal zwei
61: erste Spritze
62: zweite Spritze
63: erster Kolben
64: zweiter Kolben
70: Inspirationszweig
71: erstes Ventil
72: zweites Ventil
80: Exspirationszweig
90: Gesamtkreislauf

Claims

Vorrichtung (1) zur Durchführung von Gasbeatmungen und von Flüssigkeitsbeatmungen, enthaltend zur Flüssigkeitsbeatmung – einen Tubus (17) zur Beatmung mit einem angeschlossenen Drucksensor (3), – eine Inspirationspumpe (6), die über eine Schlauchleitung (164) mit einem ersten Ventil (71) an den Tubus (17) angeschlossenen ist und von einem Motorkontroller (2) gesteuert wird, – eine Exspirationspumpe (7), die über eine Schlauchleitung (165) mit einem zweiten Ventil (72) an den Tubus (17) angeschlossen ist und von dem Motorkontroller (2) gesteuert wird, – eine Oxygenatoreinheit (101), die eingangsseitig mit der Exspirationspumpe (7) über eine vom zweiten Ventil (72) gesteuerte Schlauchleitung (161) in Verbindung steht, – einen Hauptbehälter (15), der mit der Inspirationspumpe (6) über eine vom ersten Ventil (71) gesteuerte Schlauchleitung (162) in Verbindung steht und der von einem ihm zugeordneten Thermostat (14) temperaturstabilisiert wird, – einen Zusatzbehälter (131) für Flüssigkeit (21), der über ein drittes Ventil (12) mit einer Schlauchleitung (163) zwischen dem Ausgang der Oxygenatoreinheit (101) und dem Eingang des Hauptbehälters (15) verbunden ist, wobei das Schlauchleitungssystem (16) einen Gesamtkreislauf (90) unterstützt, – eine Waage, die mit einer Unterlage (4) für den zu Beatmenden in Verbindung steht, zum Ermitteln der ventilierten Flüssigkeitsmenge des zu Beatmenden sowie – eine Steuereinheit (18), die über Datenleitungen die Ventile (71, 72, 12) des Gesamtkreislaufs (90) zur Durchführung der Beatmung schaltet und zumindest mit Motorkontroller (2) und Sensoren (5) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hauptbehälter (15) ausgangsseitig und der Oxygenatoreinheit (101) eingangsseitig eine beide verbindende Peristaltikpumpe (11) zum Transport des Gases (22) oder der Flüssigkeit (21) vom Hauptbehälter (15) aus über Schlauchleitungen (162, 161) zum Oxygenator (10) angeordnet ist, wobei das dritte Ventil (12) mit einem Zusatzbehälter (20) für Gas (22) in Verbindung steht und das dritte Ventil (12) aus zwei Dreiwegeventilen (121, 122) besteht, wobei an das erste Dreiwegeventil (121) der Zusatzbehälter (131) für Flüssigkeit (21) und der Zusatzbehälter (20) für Gas (22) angeschlossen sind und an das zweite Dreiwegeventil (122) das erste Dreiwegeventil (121) und die Schlauchleitung (163) angeschlossen sind, wobei das dritte Ventil (12) wahlweise manuell betätigbar oder mit der Steuereinheit (18) über eine Signalleitung schaltbar verbunden ist, wobei die Steuereinheit (18) je nach Bedarf die Beatmungsform steuert und mit hardwaremäßigen Funktionseinheiten und zumindest mit folgenden programmtechnischen Funktionsblöcken ausgebildet ist: – mit einem ersten Funktionsblock (40) zur Berechnung von Beatmungsparametern für die Gasbeatmung, für die vollständige Flüssigkeitsbeatmung und für die Kombination der beiden Beatmungen mit einem Wechsel zwischen Gasbeatmung und Flüssigkeitsbeatmung, wobei der Funktionsblock (40) in einer ersten Funktionseinheit enthalten ist, – mit einem zweiten Funktionsblock (41) zur Motorensteuerung, der in einer zweiten Funktionseinheit enthalten ist, und – einem dritten Funktionsblock (42) zur Datenerfassung, der in einer dritten Funktionseinheit enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Peristaltikpumpe (11) eine Drehrichtung aufweist, die das anliegende Gas (22) oder die anliegende Flüssigkeit (21) in den Schlauchleitungen (161, 162) zwischen dem Hauptbehälter (15) und der Oxygenatoreinheit (101) bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inspirationspumpe (6) zumindest aus einer mit einem ersten Kolben (63) enthaltenden ersten Spritze (61), einem an den ersten Kolben (63) angeschlossenen ersten Linearmotor (12) sowie dem Motorkontroller (2) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exspirationspumpe (7) zumindest aus einer mit einem zweiten Kolben (64) enthaltenden zweiten Spritze (62), einem an den zweiten Kolben (64) angeschlossenen zweiten Linearmotor (19) sowie dem Motorkontroller (2) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxygenatoreinheit (101) einen inneren Gasaustauschkreislauf (23) aufweist, in den ein Oxygenator (10), ein Atemkalk-Behälter (8) und eine Gas-Membranpumpe (9) eingebunden sind, die in dem Gasaustauschkreislauf (23) in Reihe miteinander verbunden angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsführende und/oder gasführenden Leitungen (161, 162, 163, 164, 165) des Gesamtkreislaufes (90) ein Schlauchleitungssystem (16) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbehälter (15) in einem Umgebungsbehälter (13) eingebettet ist, der zum Thermostat (14) gehört, der eine konstante Temperatur des Gases (22) oder der Flüssigkeit (22) innerhalb des Hauptbehälters (15) einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Ventile (71, 72) Quetschventile für die jeweils durchgehenden Schlauchleitungen der Inspirationspumpe (6) und der Exspirationspumpe (7) darstellen.