DE102014009895A1

DE102014009895A1 - Vorrichtung zur Beatmung

Info

Publication number: DE102014009895A1
Application number: DE102014009895.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ress; Henry Hahn; Matthias Huber-Schweizer; Wolfram Heinrich; Karl-Andreas Feldhahn
Original assignee: Loewenstein Medical Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Loewenstein Medical Technology SA
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2015-01-08

Abstract

Vorrichtung zur Beatmung mit einem Gerätegehäuse und einem ersten Luftweg mit einem Beatmungsgebläse zur Atemgasversorgung des Patienten und zusätzlich einem zweiten Luftweg mit einem weiteren Gebläse zur Kühlung des Beatmungsgebläses.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Atemgasfördereinrichtung und ein Verfahren zur Kompensation der O₂-Rückatmung eines Patienten bei der Beatmung.
Bei der Atemgasfördereinrichtung handelt es sich um ein Beatmungsgerät zur Beatmung eines Patienten, beispielsweise ein Beatmungsgerät mit einer zusätzlichen Sauerstoffzuführung zum Atemgas. Die Atemgasfördereinrichtung wird elektronisch geregelt, weist Sensorvorrichtungen zur Ermittlung von Atemgasparametern und/oder Parametern der Atemgas-Fördereinrichtung sowie ein Patientenschlauchsystem und ein Patienten Interface auf.
Die meisten Beatmungsgeräte arbeiten mit Radial- oder Axialgebläsen zur Erzeugung des Beatmungsdrucks. Der Motor und insbesondere dessen Lager werden durch die Beschleunigung und das Abbremsen extremen Belastungen ausgesetzt. Als Folge davon erwärmt sich der Gebläsemotor stark und bedarf der Kühlung. Bei der Beatmung eines Patienten mit geringem Flow und/oder hohem Druck kann das Beatmungsgebläse daher zu warm werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Kühlgebläse mit einem entsprechenden Luftweg zu entwickeln, der die entstehende Wärme des Beatmungsgebläses abführt.
In vielen Fällen reicht die Versorgung des Patienten nur mit Umgebungsluft (O2-Anteil: 21%) nicht aus und es muss Sauerstoff beigemischt werden.
Da der Sauerstoff dem angesaugten Luftstrom schon vor dem Beatmungsgebläse zugeführt wird, würde dieser bei Kühlung mittels Spülflow verloren gehen. Es entsteht dadurch ein unnötiger Sauerstoffverbrauch. Es ist Teil der Aufgabe, den Luftweg zur Kühlung so zu definieren, dass dieser unabhängig vom Beatmungsluftstrom ist.
Es ist zusätzlich Aufgabe der Erfindung das im Gerät befindliche rückgeatmete Sauerstoffluft-Gemisch zu entfernen um dem Patienten während der Einatmung immer die für die Beimischung relevante Sauerstoffdosierung zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein zusätzlicher Luftweg das Beatmungsgebläse bereichsweise umspült und somit die entstandene Wärme abführt. Gleichzeitig gewährleistet der Luftweg den Abtransport der rückgeatmeten Luft, indem das rückgeatmete Sauerstoffluft-Gemisch zur weiteren Kühlung genutzt und an die Umgebung abführt wird.
Vorrichtung zur Beatmung mit einem Gerätegehäuse und einem ersten Luftweg mit einem Beatmungsgebläse zur Atemgasversorgung des Patienten wobei die Vorrichtung zusätzlich einen zweiten Luftweg mit einem weiteren Gebläse aufweist.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Luftwege an zumindest einer Stelle pneumatisch verbunden sind.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Luftwege nicht pneumatisch verbunden sind und/oder separate Ausgänge zur Umgebungsluft haben.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die angesaugte Umgebungsluft durch den Filter im Gehäuse angesaugt wird und sich am Luftauslass des Filters in zwei Luftströme aufteilt.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der Luftweg ein Gebläse aufweist, welches abhängig von der Temperatur des Beatmungsgebläses aktiviert wird.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom den Kühlkörper des Beatmungsgebläses in einem geschlossenen Luftkanal umspült und so die Abwärme des Beatmungsgebläses abführt.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass am Geräteeingang/Filter und in der Leitung ansteht, ansaugt und dieses für den Kühlluftweg nutzt und es dann ebenfalls über den Austritt an die Umgebung abführt.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Luftweg angeordnetes Rückschlagventil der Absperrung entgegen der Förderrichtung dient und das Ansaugen ungefilterter Luft verhindert.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der vom Kühlgebläse bereitgestellte Luftstrom zur Kühlung weiterer Gerätekomponenten genutzt wird.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der vom Kühlgebläse bereitgestellte Luftstrom zum Durchspülen des Geräteinnenraums um evtl. auftretenden diffundierten Sauerstoff abzuführen.
Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich einen Gasweg aufweist über den dem ersten Luftweg Sauerstoff zugemischt wird.
Vorzugswiese wird der erfindungsgemäße zusätzliche Luftweg für Beatmungsgeräte mit zusätzlicher Sauerstoffzufuhr von Nutzen sein, um einen unnötigen Sauerstoffverbrauch und eine falsche Dosierung des Sauerstoffs zu vermeiden. Der Luftweg ist aber ebenfalls für Beatmungsgeräte ohne Sauerstoffzufuhr geeignet. Das Kühlgebläse ist so ausgelegt, dass bei Bedarf auch noch andere Gerätekomponenten gekühlt werden können. Zum Beispiel ein Abzweig zur Kühlung des Sauerstoffventils, des Akkus oder der Elektronik.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, mit dem zusätzlichen Gebläse die Gewährleistung des geforderten Brandschutzes nach EN 60601-1 (Anforderungen an die Sicherheit von medizinischen elektrischen Geräten) zu realisieren. Dies wäre ineffizient und ginge gegebenenfalls sogar mit einer erhöhten Brandgefahr einher.
Die erfindungsmäßige Ausführung wird anhand der folgenden Figuren dargestellt.
Figurenbeschreibung
1: schematische Darstellung der Luftwege bei der Einatmung
2: schematische Darstellung der Luftwege bei der Rückatmung
3, 3a: Beatmungsgebläse und Kühlluftweg
4: schematische Darstellung der Luftwege zur Gewährleistung des Brandschutzes
Die 1 zeigt schematisch die Luftströme für die Beatmung und die Kühlung des Gebläsemotors. Das Beatmungsgebläse (9) weist einen Einlass auf, über den Umgebungsluft angesaugt wird und einem Auslass auf, über den das verdichtete Atemgas dem Patienten zugeführt wird. Das Gehäuse (1), in dem sich das Beatmungsgebläse (9) befindet, weist eine Einlassöffnung (2') und eine Ausblasöffnung auf. Angesaugte Umgebungsluft wird durch den in der Einlassöffnung (2') angeordneten Filter (2) im Gehäuse (1) angesaugt und teilt sich am Luftauslass des Filters (2) auf. In den gemeinsamen Luftweg (123) wird die angesaugte Luft bis zu einer Abzweigung befördert, von der aus sich zwei pneumatisch getrennte Luftwege (3, 12) abzweigen. Über einen Einlassschlauch, der die Einlassöffnung über den gemeinsamen Luftweg (123) mit dem Einlass des Beatmungsgebläses (9) pneumatisch verbindet, wird ein erster Luftstrom (3) vom Beatmungsgebläse angesaugt. Über ein Beatmungsschlauchsystem (10), das die Ausblasöffnung des Beatmungsgebläses (9) bis zum Gehäuse und weiter zum Patienten pneumatisch verbindet wird das Atemgas unter Druck zum Patienten befördert. Über einen Einlassschlauch, der die Einlassöffnung (2') über den gemeinsamen Luftweg (123) mit dem Einlass des Kühlgebläses (13) pneumatisch verbindet, wird ein zweiter Luftstrom (12) vom Kühlgebläse angesaugt. Im Luftstrom (3) zum Beatmungsgebläse (9) ist eine Flowmesseinrichtung (8) angeordnet. Eine zweite Flowmessungeinrichtung (7) im Bereich eines Gasweges der der Sauerstoffzufuhr dient (5), ermittelt den Fluss an Sauerstoff. Die Sauerstoff-Zufuhr (5) wird über ein Sauerstoffventil (6), das als Proportionalventil ausgeführt sein kann, geregelt. Dem Sauerstoffventil kann ein nicht dargestellter Druckminderer vorgeschaltet sein. Sauerstoffquelle kann beispielsweise eine Sauerstoffflasche oder eine Sauerstoffleitung sein. Eine weitere nicht dargestellte Flowmessungeinrichtung kann im Bereich zwischen der Sauerstoffeinleitstelle (35), wo sich die angesaugte Umgebungsluft mit dem Sauerstoff vermischt, und dem Beatmungsschlauchsystem (10) vorgesehen werden, um den Gesamtfluss aus Angesaugter Umgebungsluft und Sauerstoff zu bestimmen. Die Messwerte der drei Flowsensoren werden verwendet, um die FiO2 zu bestimmen. Der mit O2 angereicherte Luftstrom wird durch das elektronisch gesteuerte Beatmungsgebläse (9) mit dem eingestellten Therapiedruck über ein Beatmungsschlauchsystem (10) mit einem angeschlossenen Patienten Interface (11) dem Patienten zugeführt.
Der Luftstrom (12) zur Kühlung des Beatmungsgebläses (9) wird durch das Kühlgebläse (13) erzeugt und führt zum Außenbereich des Beatmungsgebläses (9) und wird dort in einem geschlossenen Luftkanal (14) um den Kühlkörper (9a) des Beatmungsgebläses (9) geführt. Dieser Luftkanal (14) kann beispielsweise als eine als Manschette aus Silikon oder ähnlichen Kunststoffen, ausgebildeten sein.
Der Kühlkörper (9a) steht in engem Materialkontakt zu dem Beatmungsgebläse und weist durch seine Rippenform eine große Oberfläche auf, über die die Luft des Kühlluftstroms fließt und so die Wärme des Beatmungsgebläses mitnimmt. Die Luft wird durch einen Austritt (15) im Gehäuse (1) an die Umgebung abgegeben. Der Luftstrom um den Kühlkörper (9a) des Beatmungsgebläses (9) ist in 3a als Pfeil dargestellt. Der Luftstrom wird im Bereich des Eingangs (14a) eingeleitet, um den Kühlkörper (9a) herumgeführt und im Bereich des Ausgangs (14b) wieder abgeleitet. Der Kühlkörper (9a) mit den Kühlrippen ist zusätzlich in 3b dargestellt. Das Kühlgebläse wird abhängig von der Temperatur am Kühlkörper (9a) gesteuert bzw. bei auftretender Rückatmung konstant betrieben. Das Kühlgebläse wird abhängig von der Temperatur am Kühlkörper aktiviert, wenn eine definierbare Temperatur des Beatmungsgebläses erreicht ist. Das Kühlgebläse wird, abhängig von einem sensorisch mittels einer Flowmessungeinrichtung bestimmbaren rückwärts gerichteten Gasstrom aktiviert, wenn ein definierbarer Gasstrom von Flowmesseinrichtung ermittelt wird.
2 zeigt schematisch die Luftströme für die Beatmung und die Kühlung und Kompensation bei der Rückatmung des Patienten. Bei einigen Patienten, die ein großes Atemvolumen haben, wird die ausgeatmete Luft beziehungsweise ein Teil der ausgeatmeten Luft ins Beatmungsgerät zurückgeatmet. Dabei erhöht sich der Sauerstoffgehalt in der Luftsäule des Beatmungsgerätes (1). Um zu verhindern, dass dem Patienten bei der Einatmung dann eine falsche, erhöhte Sauerstoffkonzentration zur Verfügung steht, wird das Kühlgebläse (13) betrieben und saugt das Sauerstoffluftgemisch, das am Geräteeingang/Filter (2) und in der Leitung (3) ansteht, an und nutzt dieses für den Kühlluftweg und führt es dann ebenfalls über den Austritt (15) an die Umgebung ab und gewährleistet so eine Kompensation der Rückatmung.
Bei der nächsten Einatemphase wird dem Patienten wieder der voreingestellte Sauerstoffanteil bereitgestellt und es kommt zu keiner fehlerhaften Sauerstoffkonzentration in der Beatmungsluft.
Ein in dem Kühlluftweg (12) angeordnetes Rückschlagventil (16) dient der Absperrung entgegen der Förderrichtung, damit keine ungefilterte Luft angesaugt werden kann. Diese Gefahr könnte auftreten, wenn z. B. der Eingangsfilter (2) verschmutzt ist oder die Saugleistung des Beatmungsgebläses (9) höher als die Saugleistung des Kühlgebläses (13) ist. Somit ist immer sichergestellt, dass die Ansaugluft gefiltert ist.
Die 4 zeigt schematisch den Luftstrom für die Beatmung und den Luftstrom zur Kühlung. Angesaugte Umgebungsluft wird durch den Filter (2) im Gehäuse (1) angesaugt. Der Luftstrom (3) zum Patienten ist gleich dem in 1 bereits beschriebenem Luftweg. Die O2-Zufuhr (4) wird über ein Sauerstoffventil (6) geregelt. Der mit O2 angereicherte Luftstrom wird durch das elektronisch gesteuerte Beatmungsgebläse (9) mit dem eingestellten Therapiedruck, über ein Beatmungsschlauchsystem (10) mit einem angeschlossenen Patienten Interface (11), dem Patienten zugeführt.
Der zweite Luftstrom (12) dient ebenfalls der Kühlung des Beatmungsgebläses (9) und wird zugleich genutzt, um den Geräteinnenraum zu durchspülen und evtl. auftretenden diffundierten Sauerstoff, zur Gewährleistung des Brandschutzes, abzuführen. Die Sauerstoff-Konzentration in einem medizintechnischen Gerät darf nach EN 60601-1 nicht höher als 25% sein.
Der Luftstrom (12) zur Kühlung des Beatmungsgebläses (9) wird durch das Kühlgebläse (13) erzeugt. Die Umgebungsluft (Sauerstoffanteil 21%) wird ebenfalls durch einen Filter (2') im Gehäuse (1) angesaugt und führt in einem geschlossenen Luftkanal (14) um das Beatmungsgebläse (9) und führt die auftretende Wärme ab. Danach wird der Luftstrom im Bereich (17) in den Innenraum des Beatmungsgerätes geleitet und umspült dort Bauteile wie z. B. die Elektronik (18) und wird durch einen Austritt (15) im Gehäuse (1) an die Umgebung abgegeben. So wird das Geräteinnere konstant auf 21% Sauerstoff gehalten. Zusätzlich wird dadurch überschüssige Wärme abgeführt.
Diese oben beschriebene Art der Motorkühlung würde jedoch, wie sich in Vorversuchen zeigte, bei dem vorliegenden Mischer dazu führen, dass zur Kühlung des Motors viel Sauerstoff verloren geht.
Daher wird ein zusätzliches Gebläse als Kühlgebläse eingesetzt, um Leistungselektroniken, den Motor und andere temperaturempfindliche Komponenten zu kühlen.
Im Luftstrom (3) zum Beatmungsgebläse (9) ist eine Flowmesseinrichtung (8) angeordnet. Eine zweite Flowmessungeinrichtung (7) im Bereich der Sauerstoffzufuhr (5), ermittelt den Fluss an Sauerstoff. Die Sauerstoff-Zufuhr (4) wird über ein Sauerstoffventil (6), das als Proportionalventil ausgeführt sein kann, geregelt. Dem Sauerstoffventil kann ein nicht dargestellter Druckminderer vorgeschaltet sein. eine weitere nicht dargestellte Flowmessungeinrichtung kann im Bereich zwischen der Sauerstoffeinleitstelle (35), wo sich die angesaugte Umgebungsluft mit dem Sauerstoff vermischt, und dem Beatmungsschlauchsystem (10) vorgesehen werden, um den Gesamtfluss aus Angesaugter Umgebungsluft und Sauerstoff zu bestimmen. Die Messwerte der drei Flowsensoren werden verwendet, um die FiO2 zu bestimmen. Die Regelung für den Sauerstoff erfolgt mit einer Flowmessung für die Umgebungsluft und einer zweiten Flowmessung für den Sauerstoff. Durch die Bestimmung beider Flüsse kann eine verbesserte Regelung erreicht werden. Bevorzugt erfolgt noch eine Bestimmung des Gesamtflows im Bereich stromabwärts der Sauerstoffeinleitstelle (35). Der beizumischende Sauerstoff wird – entsprechend der ermittelten Messwerte über ein Proportionalventil eingestellt und im Bereich der Sauerstoffeinleitstelle (35) vor dem Gebläse in das Beatmungsgerät eingeleitet.
Bevorzugt wird für die Regelung der Sauerstoffmenge ein schnelles Proportionalventil verwendet, dessen voller Hub bis zu 150 l an Sauerstoffvolumen innerhalb von 50 ms zumischen kann. Die Messung der Gasflüsse mittels der Flow-Sensoren muss schnell sein um eine genaue Regelung zu erreichen. Daher ist die Untergrenze für die Flow-Sensoren; zumindest 1 Messwert alle 50 ms, bevorzugt zumindest 1 Messwert alle 20 ms besonders bevorzugt 1 Messwert alle 10 ms.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 60601-1 [0021]
EN 60601-1 [0034]

Claims

Vorrichtung zur Beatmung mit einem Gerätegehäuse (1) und einem ersten Luftweg (3) mit einem Beatmungsgebläse (9) zur Atemgasversorgung des Patienten dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich einen zweiten Luftweg (12) mit einem weiteren Gebläse (13) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Luftwege (3, 12) an zumindest einer Stelle pneumatisch verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Luftwege (3, 12) nicht pneumatisch verbunden sind und/oder separate Ausgänge zur Umgebungsluft haben.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die angesaugte Umgebungsluft durch den Filter (2) im Gehäuse (1) angesaugt wird und sich am Luftauslass des Filters (2) in zwei Luftströme (3, 12) aufteilt.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Luftweg (12) ein Gebläse (13) aufweist, welches abhängig von der Temperatur des Beatmungsgebläses (9) aktiviert wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Luftstrom den Kühlkörper (9a) des Beatmungsgebläses (9) in einem geschlossenen Luftkanal (14) umspült und so die Abwärme des Beatmungsgebläses (9) abführt.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (13) am Geräteeingang/Filter (2) Umgebungsluft und in der Leitung (3) anstehenden Sauerstoff ansaugt und für den Kühlluftweg nutzt und es dann ebenfalls über den Austritt (15) an die Umgebung abführt.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Luftweg (12) angeordnetes Rückschlagventil (16) der Absperrung entgegen der Förderrichtung dient und das Ansaugen ungefilterter Luft verhindert.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der vom Kühlgebläse (13) bereitgestellte Luftstrom zur Kühlung weiterer Gerätekomponenten genutzt wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der vom Kühlgebläse (13) bereitgestellte Luftstrom zum Durchspülen des Geräteinnenraums um evtl. auftretenden diffundierten Sauerstoff abzuführen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich einen Gasweg (5) aufweist über den dem ersten Luftweg (3) Sauerstoff zugemischt wird.