DE102014001218A1 - Cost and space optimized realization for mixing of ventilation gases in blower units - Google Patents
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Abstract
Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Beatmung eines Patienten unter Berücksichtigung einer Atemgasadditivbeimischung. Es wird eine Beatmungsvorrichtung im Wesentlichen bestehend aus einen Basisgerät, einem Atemschlauch und einer Kontaktvorrichtung vorgeschlagen, bei der ein durch eine externe Atemgasadditivquelle bereitgestellter Atemgasadditiv-Volumenstrom in das Basisgerät eingebracht und mit dem bereitgestellten Atemgasvolumenstrom wenigstens teilweise vermischt wird. Durch die ventilgesteuerte Zuführung des Atemgasadditiv-Volumenstromes unmittelbar in den Atemgasstrang und ein Additivdepot und somit in den taktweise an die Patientenlunge abzugebenden Atemgasvolumenstrom ist es möglich, die Additivkonzentration während des Exspirationsvorgangs, bei dem der Atemgasvolumenstrom in idealisierter Betrachtung Null ist, in beliebiger Konzentration anzureichern oder vollständig zu ersetzen.The method and the device are used to ventilate a patient taking into account a Atemgasadditivbeimischung. It is a respiratory device essentially consisting of a base unit, a breathing tube and a contact device proposed in which a provided by an external breath gas additive source breathing gas additive flow is introduced into the base unit and at least partially mixed with the provided respiratory gas volume flow. By the valve-controlled supply of Atemgasadditiv-volume flow directly into the Atemgasstrang and an additive depot and thus in the cyclically delivered to the patient lung respiratory gas volume flow, it is possible to enrich the additive concentration during the expiration, in which the respiratory gas volume flow in idealized consideration is zero, in any concentration or completely replace.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Beatmung eines Patienten, bei dem ein Basisgerät zur Bereitstellung von Atemgas für die Patientenbeatmung sowie ein innerhalb des Basisgerätes verlaufender Atemgasstrang mit wenigstens einem Additivdepot verwendet ist, dem ein Atemgasadditivvolumenstrom zugeführt wird.The invention relates to a method and a device for ventilating a patient, in which a base unit for supplying respiratory gas for patient ventilation and a running within the base unit Atemgasstrang is used with at least one additive depot to which a Atemgasadditivvolumenstrom is supplied.
Im Stand der Technik ist bekannt, dass Vorrichtungen zur Beatmung eines Patienten verwendet werden, die über eine Funktion verfügen, die das dem Patienten zuzuführende Atemgas mit einer weiteren Komponente in additiver Weise anzureichern.It is known in the prior art that devices are used for the ventilation of a patient, which have a function which in an additive manner enrich the breathing gas to be supplied to the patient with another component.
Derartige Vorrichtungen folgen dem prinzipiellen Aufbau bestehend aus einem Basisgerät, einem an dem Basisgerät festgelegten Atemschlauch und einer wiederum an dem Atemschlauch festgelegten Kontaktvorrichtung, welche den Atemschlauch mit dem Patienten verbindet. Das Basisgerät verfügt dem Grunde nach über eine Ansaugvorrichtung zur Ansaugung von Umgebungsluft, die geräteintern gegebenenfalls als durch einen Filter gereinigtes Atemgas dem an dem Basisgerät festgelegten Atemschlauch zur Verfügung gestellt wird.Such devices follow the basic structure consisting of a base unit, a fixed to the base unit breathing tube and in turn fixed to the breathing tube contact device which connects the breathing tube with the patient. Basically, the base unit has a suction device for the intake of ambient air, which is optionally provided inside the device as a breathable gas purified by a filter the specified on the base unit breathing tube available.
Dem Atemgas können vorrichtungsintern weitere, insbesondere gasförmige Komponenten in additiver Weise beigemischt werden. Insbesondere wird häufig Sauerstoff dem Atemgas beigemischt, um Patienten in Notfallsituationen dieses Lebensmittel im eigentlichen Sinn zuzuführen. Andere gasförmige Komponenten können zum Beispiel Distickstoffoxid (Lachgas) sein, das lange Zeit in der Medizin als Narkotikum verwendet wurde.The breathing gas can be added in the device further inside, in particular additional gaseous components in an additive manner. In particular, oxygen is often mixed with the respiratory gas in order to supply this food to patients in emergency situations in the true sense. Other gaseous components may be, for example, nitrous oxide (nitrous oxide), which has long been used in medicine as a narcotic.
Die
Das Zuschaltventil kann entweder innerhalb oder ausserhalb dieser bekannten Vorrichtung angeordnet sein. Die Vermischung erfolgt unabhängig von der internen oder externen Zuschaltventilanordnung immer vorrichtungsintern dadurch, dass der dosiert zugeführte Sauerstoff in die Atemgasstrecke beigemischt wird. Innerhalb dieser Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist eine Gebläsebox installiert, welche von dem Atemgas durchströmt wird und in die die Sauerstoffzuführung mündet, sodass an diese Stelle in der Vorrichtung die Sauerstoffbeimischung erfolgt.The sequence valve can be arranged either inside or outside this known device. The mixing takes place independently of the internal or external Zuschaltventilanordnung always inside the device in that the dosed oxygen supplied is added to the breathing gas route. Within this device according to the prior art, a blower box is installed, which is flowed through by the breathing gas and into which the oxygen supply flows, so that at this point in the device, the oxygen is added.
Neben dem Zuschaltventil ist weiterhin ein Rückschlagventil derart angeordnet erforderlich, dass bei entsprechenden Druckverhältnissen Atemgasdruck größer als der Sauerstoff-Zuführdruck das Rückschlagventil geschlossen ist und dadurch der Sauerstoffzuführschlauch nicht mit Atemgas geflutet werden kann.In addition to the Zuschaltventil a check valve is further arranged arranged such that at corresponding pressure conditions breathing gas pressure greater than the oxygen supply pressure, the check valve is closed and thereby the Sauerstoffzuführschlauch can not be flooded with breathing gas.
Für die Dosierung des Sauerstoffes als Beimischungskomponente zum Atemgas wird ein Verfahren zur Steuerung des Zuschaltventils offenbart. Neben der Sauerstoffzuführung in eine geräteinterne Gebläsebox ist ebenfalls bekannt, dass die Sauerstoffzuführung an einer Stelle des Beatmungsschlauches innerhalb der Vorrichtung erfolgt.For the metering of the oxygen as admixing component to the respiratory gas, a method for controlling the Zuschaltventils is disclosed. In addition to the oxygen supply in a device-internal fan box is also known that the oxygen supply takes place at a point of the breathing tube within the device.
Nachteilig an diesen Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik ist, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Atemgas ausschließlich durch Beimischung des Sauerstoffadditives einstellbar ist. Aus diesem Grund kann infolge der erforderlichen Volumenströmungsverhältnisse des Atemgasvolumenstromes und des Sauerstoffadditivvolumenstromes eine hohe, bis zu 100%ige Sauerstoffkonzentration nicht bereitgestellt werden. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass sehr hohe Sauerstoffadditivvolumenströme von bis zu 150 l/min erforderlich sind, um die Sauerstoffkonzentration innerhalb des anzureichernden Atemgases auf gewünschte Werte zu mischen.A disadvantage of these devices according to the prior art is that the oxygen concentration in the respiratory gas is adjustable exclusively by admixing the oxygen additive. For this reason, a high, up to 100% oxygen concentration can not be provided due to the required volume flow conditions of the respiratory gas volume flow and the oxygen additive volume flow. Another disadvantage is the fact that very high oxygen additive volume flows of up to 150 l / min are required in order to mix the oxygen concentration within the breathing gas to be enriched to desired values.
Zusätzlicher und gravierender Nachteil ist, dass die innerhalb der Vorrichtungen arbeitenden Gebläse zur Atemgas-Volumenstromerzeugung zwar in der Regel kontinuierlich arbeiten, aber aufgrund des Wechselspiels von Ein- und Ausatmung, d. h. der natürlichen Lungenfunktion von Lungenatmern, ein diskontinuierlicher Atemgasvolumenstrom durch die Vorrichtung bereitgestellt werden muss.An additional and serious disadvantage is that although the fans operating within the devices for generating breathing gas volume flow generally operate continuously, they are usually due to the interplay between inhalation and exhalation, ie. H. natural pulmonary function of pulmonary breaths, a discontinuous flow of respiratory gas flow through the device must be provided.
In der Ausatmungsphase findet innerhalb der Vorrichtung und durch das Gebläse hindurch keine Atemgasvolumenströmung statt. Folge ist, dass sowohl das Gebläse selbst nicht mit kühlendem Atemgasvolumenstrom durchströmt wird als auch weitere Bauteile wie zum Beispiel Elektronikkomponenten, welche ebenfalls durch den Atemgasvolumenstrom gekühlt werden in diese Phase ungekühlt sind. Schäden, Bauteilversagen oder verkürzte Lebensdauer dieser Komponenten sind mögliche Folgen.In the exhalation phase, no respiratory gas volume flow takes place within the device and through the fan. The result is that both the blower itself is not flowed through with cooling breathing gas flow as well as other components such as electronic components, which are also cooled by the respiratory gas volume flow are uncooled in this phase. Damage, component failure or shortened service life of these components are possible consequences.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art zu konstruieren, die dem Patienten eine möglichst genaue Menge, ggf. auch maximal hohe Additivkonzentration in der Atemluft zur Verfügung stellt.Object of the present invention is to construct a device of the aforementioned type, which provides the patient as accurate as possible, possibly also maximum high concentration of additive in the breathing air available.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die Kühlung der Basisgerätekomponenten in jedem Betriebszustand zu verbessern. Die Verbesserung der Kühlung soll keine oder nur unwesentlichen Einfluss auf die Additivkonzentration des Atemgasvolumenstroms haben.It is another object of the invention to improve the cooling of the base unit components in each operating condition. The improvement of Cooling should have no or only insignificant influence on the additive concentration of the respiratory gas volume flow.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zuführung des Atemgasadditives innerhalb des Basisgerätes an einem Punkt der strömungsführenden Gerätekomponenten in Strömungsrichtung des Atemgases gesehen hinter dem Gebläse erfolgt und zwischen Gebläse und der Additiveinspeisungsstelle ein Additivdepot vorgesehen ist.This object is achieved in that the supply of Atemgasadditives within the base unit at a point of the flow-guiding device components in the flow direction of the respiratory gas takes place behind the blower and between the blower and the Additiveinspeisungsstelle an additive depot is provided.
Durch die Zuführung des Atemgasadditives innerhalb des Basisgerätes an einem Punkt der strömungsführenden Gerätekomponenten in Strömungsrichtung des Atemgases gesehen hinter dem Gebläse ist es möglich, eine Kühlung des Gebläses zu realisieren. Durch eine entsprechend positionierte und ausgestaltete Kühlluft-Bypassleitung ist es möglich, dass sowohl die Komponentenkühlung in jedem Betriebszustand sichergestellt als auch die Atemgasadditivkonzentration nicht negativ beeinflusst wird.By supplying the breathing gas additive within the base unit at a point of the flow-guiding device components in the flow direction of the respiratory gas behind the blower, it is possible to realize a cooling of the blower. By a correspondingly positioned and configured cooling air bypass line, it is possible that both the component cooling ensured in each operating condition and the respiratory gas additive concentration is not adversely affected.
Zielgruppe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren zur Anreicherung von Atemgas mit Additiven sind vorzugsweise menschliche Patienten. Die Arbeitsweise der Lunge als Sauerstoffkatalysator ist taktend und somit diskontinuierlich. Ein Wechselspiel setzt sich zusammen aus Einatmen und Ausatmen. Bei dem Einatmungstakt wird Atemluft durch Expansion der Lunge angesaugt, bei dem Ausatmungstakt wird verwertete Atemluft als Abgas durch Kontraktion der Lunge ausgestoßen.Target group of the device according to the invention and methods for the enrichment of breathing gas with additives are preferably human patients. The operation of the lung as oxygen catalyst is clocking and thus discontinuous. An interplay consists of inhaling and exhaling. In the inhalation cycle breathing air is sucked in by expansion of the lungs, in the exhalation cycle, recovered breathing air is expelled as exhaust gas by contraction of the lung.
Einatmung und Ausatmung werden in der Medizin üblicherweise Inspiration und Exspiration genannt. Aufgrund dieser allen Säugetieren zu eigenen Arbeitsweise der Lunge muss auch ein Beatmungsgerät dieses Wechselspiel realisieren. Beatmungsgeräte werden prinzipiell dann angewendet, wenn die Lunge des Patienten das Wechselspiel nicht oder nicht ausreichend realisiert oder eine von der normalen Umgebungsluft, welche die Atemluft darstellt, abweichende Atemluftzusammensetzung erforderlich ist.Inhalation and exhalation are commonly called inspiration and expiration in medicine. Because of these all mammals to own working way of the lung also a ventilator must realize this interplay. Respirators are principally used when the patient's lungs do not or do not adequately perform the interplay or when a breathing air composition other than the normal ambient air, which is the breathing air, is required.
Eine Anwendung der Vorrichtung kann bei Patienten mit unterschiedlichen Krankheitsbildern an ventilatorischer Insuffizienz erfolgen. Typische Anwendungen sind obstruktive Ventilationsstörungen, z. B. COPD, Störungen der Atemmechanik, beispielsweise Skoliose, neuromuskuläre Erkrankungen, zentrale Atemregulationsstörungen oder obstruktives Schlafapnoesyndrom. Es ist möglich, die Vorrichtung als mobiles Notfallbeatmungsgerät einzusetzen. Aufgrund der technischen Ausgestaltung mit geräteinterner Additivspeicherung durch das Additivdepot ist die Vorrichtung als stationäres Gerät, für die Dauerbeatmung oder die mobile Beatmung geeignet.An application of the device can be done in patients with different clinical pictures of ventilatory insufficiency. Typical applications are obstructive ventilation disorders, e.g. As COPD, disorders of respiratory mechanics, such as scoliosis, neuromuscular disorders, central respiratory regulatory disorders or obstructive sleep apnea syndrome. It is possible to use the device as a mobile emergency ventilator. Due to the technical design with device-internal additive storage by the additive depot, the device is suitable as a stationary device, for continuous ventilation or mobile ventilation.
Aufgrund dieser Zusammenhänge ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet, dass innerhalb eines Wechselspiels aus Inspiration und Exspiration zunächst ein Atemgasvolumenstrom von dem Basisgerät über den Atemschlauch bzw. Patientenschlauch und der Kontaktvorrichtung in die Lunge des zu beatmenden Patienten appliziert wird.Because of these relationships, the device according to the invention is designed such that, within an interplay of inspiration and expiration, first a respiratory gas volume flow is administered from the base device via the breathing tube or patient tube and the contact device into the lung of the patient to be ventilated.
Nach Abschluss der Inspiration wird durch ein innerhalb der Kontaktvorrichtung angeordneten Patientenventils die Exspiration, d. h. die Exhalation des von der Lunge verwerteten Atemgases bewerkstelligt. Dazu ist das Patientenventil derart ausgebildet, dass ein entgegen der Atemgasvolumenstromrichtung bei der Inspiration gerichteter Volumenstrom des verwerteten Atemgases über das Patientenventil an die Umgebung abgegeben wird.Upon completion of the inspiration, expiration, i. E., By a patient valve disposed within the contact device. H. exhaled the respiratory gas used by the lung. For this purpose, the patient valve is designed in such a way that a volumetric flow of the recycled respiratory gas directed against the respiratory gas volume flow direction during inspiration is delivered to the environment via the patient valve.
Infolge des Wechselspiels und der Funktion des Patientenventils, das von der Lunge verwertete Atemgas in die Umgebung und nicht in den Patientenschlauch zu leiten, alterniert der Volumenstrom innerhalb des Patientenschlauches und dem Basisgerät nicht. Der Atemgasvolumenstrom innerhalb der Vorrichtung ist somit bei Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik unidirektional und getaktet. Diesen Umstand macht sich die erfindungsgemäße Lehre zu eigen, um den Anteil des vorzugsweise gasförmigen Additives zum Atemgas erheblich zu erhöhen bis hin zu einer 100%igen Anreicherung.Due to the interplay and function of the patient valve to direct the respiratory gas utilized by the lung into the environment and not into the patient tube, the flow within the patient tube and the base unit does not alternate. The respiratory gas volume flow within the device is thus unidirectional and clocked in devices according to the prior art. This fact makes the teaching of the invention own, in order to increase the proportion of preferably gaseous additive to the breathing gas considerably up to a 100% enrichment.
Durch die schaltbare und oder einstellbare Zuführung des Atemgasadditives über einen ersten Leitungsstrang innerhalb des Basisgerätes an einem Punkt der strömungsführenden Gerätekomponenten in Strömungsrichtung des Atemgases gesehen hinter dem Gebläse und somit in den taktweise an die Patientenlunge abzugebenden Atemgasvolumenstrom ist es möglich, die Additivkonzentration während des Exspirationsvorgangs, bei dem der Atemgasvolumenstrom in idealisierter Betrachtung Null ist, in beliebiger Konzentration anzureichern oder vollständig zu ersetzen.As a result of the switchable and / or adjustable delivery of the respiratory gas additive via a first wiring harness within the base unit at a point of the flow-guiding device components in the flow direction of the respiratory gas behind the fan and thus in the respiratory gas volume flow to be delivered cyclically to the patient lung, it is possible to control the additive concentration during the expiration process. in which the respiratory gas volume flow in Idealized consideration is zero, to enrich in any concentration or replace completely.
Dies ist dadurch möglich, dass sowohl die Additivzuleitungen als auch der Patientenschlauch und die innerhalb des Basisgerätes vorhandenen Leitungen und Schläuche, in Atemgasströmungsrichtung hinter dem druckerzeugenden Gebläse gelegen sind mit dem Additiv teilweise oder vollständig geflutet werden können. Ein in Atemgasströmungsrichtung hinter dem Gebläse und vor der Additiveinspeisungsstelle gelegenes Additivdepot erhöht das zur Verfügung stehende Speichervolumen. Dadurch kann die Additivkonzentration während des Exspirationsvorgangs, bei dem der Atemgasvolumenstrom in idealisierter Betrachtung Null ist, in beliebiger Konzentration anzureichern oder vollständig zu ersetzen.This is possible because both the additive feed lines and the patient tube and the lines and hoses present within the base unit, located downstream of the pressure-generating fan in the respiratory gas flow direction, can be partially or completely flooded with the additive. An additive reservoir located in the breathing gas flow direction downstream of the blower and upstream of the additive feed point increases the available storage volume. As a result, the additive concentration can be enriched or completely replaced during the expiration process in which the respiratory gas volume flow is zero on an idealized basis.
Während also bei einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik das Additiv dem Atemgas während der Volumenstrombewegung beigemischt wird, nutzt die erfindungsgemäße Vorrichtung den durch den Exspirationsprozess verursachten Atemgas-Volumenstromstillstand dazu, das Atemgas teilweise oder vollständig im Additivdepot zu ersetzen und das ersetze Atemgas infolge entsprechenden Additivüberdruckes über eine Bypassleitung auszustoßen. Somit ist der Atemgasvolumenstrom nicht mehr nur unidirektional sondern vielmehr bidirektional, es wird eine alternierende Atemgasvolumenstromrichtung innerhalb des Basisgerätes und dem Patientenschlauch realisiert.Thus, while in an apparatus according to the prior art, the additive is admixed with the breathing gas during the flow of volumetric flow, the device of the invention causes the respiratory gas volume flow arrest caused by the expiration process to replace the respiratory gas partially or completely in the additive depot and replace the respiratory gas due to corresponding additive overpressure via a bypass line. Thus, the respiratory gas volume flow is no longer only unidirectional but rather bidirectional, it is realized an alternating Atemgasvolumenstromrichtung within the base unit and the patient tube.
Die Bypassleitung dient gleichzeitig auch als Gebläse-Kühlluftleitung dadurch, dass in der Exspirationsphase, d. h. in der Phase ohne Atemgasvolumenstrom in Richtung Patientenanschluss, das von dem Gebläse geförderte Atemgas in diese Gebläsekühlluftleitung eingeleitet wird. Dadurch wird auch in der Exspirationsphase ein Atemgasvolumenstrom als Nebenstrang aufrechterhalten. Der Ansaugbereich des Gebläses sowie das Gebläse selbst werden dadurch permanent von von einem Atemgasvolumenstrom durchströmt, der das Gebläse und dessen Leistungskomponenten infolge des Wärmetausches kühlt. In den Ansaugbereich kann eine Wärmetauschervorrichtung zur Kühlung weiterer Basisgerätekomponenten, beispielsweise Leistungsbauelemente oder Elektronik vorgesehen werden.At the same time, the bypass line also serves as fan-cooling air line in that in the expiration phase, d. H. in the phase without breathing gas volume flow in the direction of the patient connection, the breathing gas delivered by the fan is introduced into this fan cooling air line. As a result, a breathing gas volume flow is maintained as a secondary strand in the expiratory phase. The intake of the blower and the blower itself are thus constantly flowed through by a breathing gas volume flow, which cools the blower and its power components as a result of the heat exchange. In the intake region, a heat exchanger device for cooling other base unit components, such as power devices or electronics can be provided.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:In the drawings, embodiments of the invention are shown schematically. Show it:
Der Additivstrang wird im Wesentlichen durch einen Filter (
Der Atemgasstrang erstreckt sich Basisgeräteintern von einem Ansaugbereich mit Filter (
Der Notfallbeatmungsstrang wird gebildet durch eine Pneumatikleitungsanordnung aufweisend ein Rückschlagventil (
Der Strang mit Mehrfachfunktion ist der Bypass- bzw. Kühlluftstrang, der aus einer Pneumatikleitungsanordnung aufweisend ein Rückschlagventil (
Über eine externe, an den Additivanschluss (
Der Atemgasstrang erstreckt sich Basisgeräteintern von einem Ansaugbereich mit Filter (
Das Atemgas wird von dem Gebläse (
Der Atemgasstrom im Ansaugbereich wird auch als Kühlluftstrom für das Gebläse (
Die Vorrichtung zur Beatmung und Anreicherung von Atemgas mit Additiven (
Die Additivkonzentration im Atemgasvolumenstrom wird durch zwei technische Wirkungszusammenhänge innerhalb des Basisgerätes (
Der Additivspeicher (
Das Additivdepot (
In der Regel ist das Atemgasadditiv gasförmig und wird bevorzugt durch Sauerstoff gebildet. Im Fall eines gasförmigen Additives kann sich in dem Additivdepot ((
Über den zweiten, in dem Atemgasstrang angeordneten Volumenstromsensor (
Über das Rückschlagventil (
Das Rückschlagventil (
Durch das Zusammenspiel von Additivstrang und Atemgasstrang lassen sich sowohl druckabhängige als auch volumenstromabhängige Beatmungsregelungen realisieren. Während das Gebläse (
Um eine Additivkonzentration in dem Atemgasvolumenstrom von 21% bis 100% realisieren zu können, müssen die Volumenströme des Ventils (
Die absolute Messwertgenauigkeit spielt hierbei nicht die dominierende Rolle, sondern deren Abstimmung dahingehend, dass beide Volumenstromsensoren (
Das Drosselventil (
Ein weiterer Vorteil des Depots besteht darin, dass das Ventil (
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102009015928 A1 [0005] DE 102009015928 A1 [0005]
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