DE102016009833A1

DE102016009833A1 - Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016009833A1
Application number: DE102016009833.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ullrich Hansmann; Karsten Hiltawsky; Ulf Pilz; Sebastian Schröter
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2016-08-15
Filing date: 2016-08-15
Publication date: 2018-02-15
Also published as: WO2018033224A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beatmen eines Patienten, die ein Exspirationsventil (10) mit einem Membranelement (11) zum Übertragen eines positiven endexspiratorischen Drucks und eine Pumpanordnung (2) zum Erzeugen des positiven endexspiratorischen Drucks, die fluidkommunizierend mit dem Membranelement (11) verbunden ist, aufweist, wobei die Pumpanordnung (2) eine Hochfrequenz-Pumpe (21) zum Erzeugen des positiv endexspiratorischen Drucks aufweist. Durch die Erfindung wird bewirkt, dass die Pumpanordnung (2) klein und günstig hergestellt werden kann. Weiter wird der Aufbau der Vorrichtung (1) vereinfacht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten, die ein Exspirationsventil mit einem Membranelement zum Übertragen eines positiven endexspiratorischen Drucks aufweist.
Vorrichtungen zum Beatmen eines Patienten sind z. B. Beatmungsgeräte oder Anästhesiegeräte. Beatmungsgeräte und Anästhesiegeräte werden dazu genutzt, Patienten, die entweder gar nicht selbstständig atmen können oder Hilfe beim Atmen benötigen, Atemluft bereitzustellen. Dazu tragen die Patienten eine Gesichtsmaske, die Mund und Nase abdeckt, oder einen Tubus, der in den Rachenraum und die Luftröhre des Patienten eingeführt wird. Die Gesichtsmaske bzw. der Tubus sind über ein Y-Stück mit einem Beatmungsgerät bzw. einem Anästhesiegerät verbunden. Das Y-Stück weist drei sternförmig über Kanäle miteinander verbundene Öffnungen auf. Eine der Öffnungen ist mit der Gesichtsmaske fluidkommunizierend verbunden. Das Beatmungsgerät drückt durch eine der beiden verbleibenden Öffnungen des Y-Stücks einen inspiratorischen Atemgasstrom in die Lunge des Patienten. Beim Ausatmen wird diese inspiratorische Verbindung des Y-Stücks zum Beatmungsgerät bzw. Anästhesiegerät gesperrt und der exspiratorische Atemgasstrom, der beim Ausatmen des Patienten entsteht, wird über die andere der verbleibenden Öffnungen des Y-Stücks geleitet.
Für eine Großzahl von Patienten ist es vorteilhaft, wenn nach dem Ausatmen ein gewisser Druck in der Lunge verbleibt, um zum Beispiel die Sauerstoffaufnahme in der Lunge zu erhöhen. Dazu wird an dem Ende des Y-Stücks, aus dem der exspiratorische Atemgasstrom fließt, ein Widerstand in Form eines Gegendrucks bereitgestellt. Dieser Gegendruck ist der positiv endexspiratorische Druck (positive end-exspiratory pressure PEEP).
Zur Erzeugung dieses Druckes, ist das exspiratorische Ende des Y-Stücks mit einem Exspirationsventil verbunden, dessen Schließdruck eingestellt werden kann. Solange der Atemgasstrom einen höheren Druck als den Schließdruck aufweist, öffnet das Ventil. Fällt der Druck des Atemgasstroms unter den Schließdruck, schließt das Ventil. Das Exspirationsventil befindet sich entweder an dem Y-Stück, innerhalb des exspiratorischen Schlauches, oder innerhalb des Beatmungs- oder Anästhesiegerätes an dessen exspiratorischem Eingang.
Es ist bekannt, elektrische Antriebe zur Erzeugung des positiv endexspiratorischen Drucks zu verwenden. Gemäß der DE 10 2005 011 596 B4 wird dazu ein Druckstab verwendet, der mittels einer Spule angetrieben wird. Die Position des Druckstabs wird mittels einer Messspule aufgenommen. Der Stab drückt auf ein Plättchen, das den exspiratorischen Atemgasstrom blockiert. Dieser elektrische Antrieb ist sehr schnell und gut regelbar. Allerdings ist sein Aufbau komplex und die Einleitung der Kraft in das Plättchen kann Querkräfte verursachen: Weiter ist der Antrieb bei negativer Kraft im dynamischen Betrieb nicht kraftschlüssig.
Alternativ sind auch pneumatische Antriebe bekannt. Sie sind einfacher aufgebaut als elektrische Antriebe und leiten die Kraft flächig auf das Ventilplättchen ein. Dabei werden bei pneumatischen Antrieben Querkräfte vermieden. Allerdings sind pneumatische Systeme generell langsamer und leichter schwingfähig als elektrische Antriebe. Dies ist in der sogenannten Compliance begründet, die das Verhältnis aus dem gesamten Gasvolumen des pneumatischen Systems und dem zu ändernden Gasvolumen beschreibt. Generell benötigen schnelle pneumatische Antriebe leistungsfähige Druckquellen, die schnell variiert werden können.
Dazu ist es bekannt, große leistungsfähige Pumpen zu nutzen, die kontinuierlich einen Druck erzeugen. Mittels eines Entlastungsventils kann der Druck schnell reguliert werden. Dies ist vor allem dann notwendig, wenn das Exspirationsventil gegen den kontinuierlich erzeugten Druck der Pumpe geöffnet werden soll. Diese Pumpen sind in der Regel Membran- oder Kolbenpumpen, die mit einer Frequenz von 20 Hz bis 100 Hz arbeiten. Dadurch werden gleichzeitig Druckstöße in diesem Frequenzbereich erzeugt, die auf die Ventilplättchen wirken können, wobei die Systemfrequenzen des Exspirationsventils in der Regel zwischen 0,1 Hz und ca. 500 Hz liegen. Um die Weitergabe der Druckstöße auf die Ventilplättchen zu vermeiden, ist ein Tiefpass vorgesehen, der in Form eines großen Drucktanks zwischen das Ventilplättchen und die Pumpe geschaltet ist. Für pneumatische Antriebe ist daher eine Mindestcompliance erforderlich, um die Druckpulsationen von den Ventilplättchen abzuschirmen. Diese Compliance resultiert vor allem aus dem großen Volumen des Drucktanks und dem Volumen der Schläuche. Die große Compliance verhindert eine hohe Dynamik der Anordnung. Aufgrund der Größe dieser Anordnung können die Antriebe lediglich über Schläuche mit dem Exspirationsventil verbunden sein. Weiter sind diese Antriebe sehr schwer.
2 zeigt den Stand der Technik. Das Beatmungsgerät weist ein Exspirationsventil 10 mit einem Membranelement 11 auf, das ein Exspirationskanal 13 der Maske 18 mit Y-Stück mittels einer Dichtungskomponente 12 verschließen kann. Das Membranelement 11 ist dabei in einem Exspirationsauslas 15 angeordnet. Weiter wird das Membranelement 11 von einer flexiblen Halterungskomponente 14 über einen ersten Verbindungsschlauch 32 mit einer Pumpanordnung 2 verbunden. Die Pumpanordnung 2 weist dabei eine Auslassöffnung 37 an einer Membran- bzw.- Kolbenpumpe 35 auf, durch die das von einer Pumpanordnung 2 geförderte Gas ausgelassen wird. Die flexible Halterungskomponente 14 verbindet dabei das Membranelement 11 mit der Auslassöffnung 37. Die Pumpanordnung 2 weist weiter einen großvolumigen Drucktank 33 auf, der als Tiefpass für die Pumpstöße der Pumpanordnung 2 fungiert. Der Drucktank 33 ist dabei über einen zweiten Verbindungsschlauch 34 mit der Membran- bzw. Kolbenpumpe 35 verbunden. Weiter ist ein Entlastungsventil 16 vorgesehen, das zur Regelung des positiv endexspiratorischen Druckes verwendet wird. Allein der Drucktank 33 weist dabei ein Volumen von mindestens ca. 30 ml auf, wobei das Volumen das zu ändernde Volumen, über das das Membranelement 11 angehoben wird, ca. 6 ml beträgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen leichten, einfach aufgebauten und schnell regelbaren Antrieb für ein Exspirationsventil bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten, die ein Exspirationsventil mit einem Membranelement zum Übertragen eines positiven endexspiratorischen Drucks und eine Pumpanordnung zum Erzeugen des positiven endexspiratorischen Drucks, die fluidkommunizierend mit dem Membranelement verbunden ist, aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Pumpanordnung eine Hochfrequenz-Pumpe zum Erzeugen des positiv endexspiratorischen Drucks aufweist.
Unter einer Hochfrequenz-Pumpe wird eine Pumpe verstanden, die eine Pumpfrequenz von mindestens 600 Hz aufweist.
Durch die Nutzung einer Hochfrequenz-Pumpe arbeitet die Pumpanordnung außerhalb der Systemfrequenzen des Exspirationsventils. Dadurch werden durch die Pumpstöße der Hochfrequenz-Pumpe keine Schwingungen im System erzeugt. Daher kann auf einen Drucktank verzichtet werden, der hohe Frequenzen dämpft, die innerhalb der Systemfrequenzen des Exspirationsventils liegen. Durch den Verzicht auf den Drucktank reduziert sich die Compliance der erfindungsgemäßen Pumpanordnung auf die Compliance der Hochfrequenz-Pumpe und der Verbindungskanäle mit dem Membranelement. Die Pumpanordnung benötigt daher keine Mindestcompliance mehr, um Schwingungen zu vermeiden. Die Compliance ist gegenüber herkömmlichen Pumpanordnungen deutlich reduziert, sodass eine hochdynamische Regelung des positiven endexspiratorischen Druckes allein durch die Ansteuerung der Hochfrequenz-Pumpe ermöglicht wird. Durch die Verringerung der Compliance ist weiter das Schwingungsverhalten verbessert. Dadurch, dass in der Pumpanordnung lediglich ein kleines Volumen vorhanden ist, werden nur hochfrequente Schwingungen des Membranelements durch die Pumpanordnung verstärkt. Die Schwingungen des Membranelements werden durch die Pumpanordnung nicht verstärkt. Damit ergibt sich ein verbessertes Schwingungsverhalten des Exspirationsventils.
Vorteilhafterweise ist die Hochfrequenz-Pumpe eine Piezo-Pumpe. Piezo-Pumpen haben den Vorteil, dass sie leistungsstark sind und bei Frequenzen im Kilohertzbereich betrieben werden können. Vorteilhafterweise werden Piezo-Pumpen dabei mit einer Frequenz über der hochfrequenten Hörschwelle (ca. 21000 Hz) betrieben, vorzugsweise bei einer Frequenz von 25000 Hz. Bei dieser Frequenz sind Piezo-Pumpen für das menschliche Gehör nicht wahrnehmbar, so dass weder das Krankenhauspersonal, noch der Patient Geräusche von dem Betrieb der Pumpanordnung wahrnehmen können. Weiter sind Piezo-Pumpen einfach aufgebaut und billig herzustellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Piezo-Pumpen sehr kleine Abmessungen aufweisen und damit das Gewicht der Pumpanordnung im Gegensatz zu den bekannten Systemen sehr deutlich verringern. Die Pumpanordnung kann damit direkt an dem Exspirationsventil angeordnet werden.
Mit Vorteil weist die Pumpanordnung eine Zwei-Wege-Pumpe auf, die in zwei Richtungen durchströmbar ist. Der Gasfluss in der Pumpanordnung, die regelmäßig von einer Ansaugöffnung zu einer Auslassöffnung gerichtet ist, kann in einer Zwei-Wege-Pumpe umgekehrt werden. Daher weist diese Pumpanordnung keine dedizierte Ansaugöffnung oder Auslassöffnung mehr auf.
Stattdessen weist die Zwei-Wege-Pumpe eine erste und eine zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung auf. In einem Hinflusszustand strömt das Fluid durch die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung in die Zwei-Wege-Pumpe ein und durch die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung aus der Zwei-Wege-Pumpe aus. In einem Rückflusszustand strömt das Fluid durch die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung in die Zwei-Wege-Pumpe ein und durch die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung aus der Zwei-Wege-Pumpe aus.
Sobald der Druck aus dem exspiratorischen Atemgasstrom höher als der positiv endexspiratorische Druck ist, kann das Membranelement damit ohne Zuhilfenahme eines Entlastungsventils oder anderer Hilfskomponenten lediglich durch den Druck des exspiratorischen Atemgasstromes geöffnet werden. Es kann damit auf ein Entlastungsventil verzichtet werden, dass in diesem Fall ansonsten den Druck auf der Pumpenseite verringert hätte.
Die Pumpanordnung kann zweckmäßigerweise weiter einen Pumpenstack aufweisen, der eine Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen aufweist. Die Hochfrequenz-Pumpen im Pumpenstack sind dabei in Reihe geschaltet. Das bedeutet, dass die Auslassöffnung der einen Pumpe in die Ansaugöffnung der zweiten Pumpe gerichtet ist. Alternativ ist es zweckmäßig, dass die Pumpanordnung eine Mehrzahl von parallel geschalteten Hochfrequenz-Pumpen aufweist. In diesem Fall sind die Auslassöffnungen der Hochfrequenz-Pumpen alle auf das gleiche Volumen gerichtet. Bei der Nutzung von mehreren Hochfrequenz-Pumpen können bei Ausfall einer Pumpe die weiteren Pumpen die fehlende Pumpleistung kompensieren. Weiter können mit einer Mehrzahl von vielen kleinen und günstigen Pumpen zuverlässig hohe Enddrücke erreicht werden. Die Abmessungen der Pumpanordnung können auf diese Weise flexibel gestaltet werden.
Es ist weiter zweckmäßig, wenn die Vorrichtung eine Steuereinheit für die Pumpanordnung aufweist, wobei die Steuereinheit mit einem Sensor für den Steuerdruck am Membranelement verbunden ist. Die Steuereinheit steuert dabei die Pumpanordnung in Abhängigkeit von dem Steuerdruck.
Vorteilhafterweise ist bei Vorhandensein mehrerer Hochfrequenz-Pumpen ein Gleichtaktmodul vorgesehen, das ausgebildet ist, die Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen im Gleichtakt anzusteuern. Das bedeutet, dass die Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen jeweils die gleiche Pumpleistung erzeugt. Der Vorteil einer Gleichtaktansteuerung liegt darin, dass die Hochfrequenz-Pumpen gleichmäßig abgenutzt werden.
Alternativ ist es weiter vorteilhaft, wenn die Steuereinheit ein Kaskadenmodul aufweist, das die Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen kaskadiert angesteuert. Damit ist gemeint, dass die Hochfrequenz-Pumpen nacheinander zugeschaltet werden, sobald höhere Leistungen erforderlich werden. Der Vorteil eines Kaskadenmoduls besteht darin, dass Leistungsänderungen feiner und schneller abgestimmt werden können, da die Leistungsänderung nur durch jeweils eine Hochfrequenz-Pumpe bewirkt wird.
Mit Vorteil weist die Steuereinheit ein Statusmodul auf, das den Status des Exspirationsventils und der Pumpanordnung bestimmen kann. Weiter ist dazu ein Kommunikationsmodul vorgesehen, dass die Statussignale zwischen den Pumpen und der Steuereinheit übermittelt. Auf diese Weise wird die Steuereinheit befähigt, den Öffnungswert des Exspirationsventils zu bestimmen und gleichzeitig die Leistung der Pumpen auszulesen. Damit kann die Steuereinheit jederzeit eine der jeweiligen Situation angemessene Steuerung der Pumpen durchführen.
Vorteilhafterweise weist die Pumpanordnung eine Spannungsquelle auf, die die Pumpanordnung mit zwei Steuerspannungen versorgt. Auf diese Weise kann die Pumpanordnung jederzeit mit einer niedrigen Vorspannung beaufschlagt werden. Diese niedrige Vorspannung wird auch dann angelegt, wenn die Pumpanordnung nicht benötigt wird. Sobald dann Leistung abgerufen werden soll, kann die Pumpanordnung deutlich schneller Leistung bereitstellen als wenn keine Vorspannung angelegt wäre. Damit wird die Dynamik der Pumpanordnung weiter erhöht.
Die Erfindung betrifft weiter einen Nachrüstsatz für eine Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten, die ein Exspirationsventil mit einem Membranelement zum Übertragen eines positiven endexspiratorischen Drucks aufweist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Nachrüstsatz eine Pumpanordnung zum Erzeugen des positiven endexspiratorischen Drucks aufweist, wobei die Pumpanordnung zum fluidkommunizierenden Verbinden mit dem Membranelement ausgebildet ist und eine Hochfrequenz-Pumpe zum Erzeugen des positiv endexspiratorischen Drucks aufweist.
Der Nachrüstsatz kann vorteilhaft eine Kopplungskomponente aufweisen, mit der die Pumpanordnung an ein Exspirationsventil einer Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten verbunden werden kann.
Weiterbildungen des Nachrüstsatzes sind aus der oben angeführten Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Steuervorrichtung für eine Pumpanordnung für eine Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten gemäß der oben angegebenen Beschreibung, wobei die Steuervorrichtung einen Istwert-Signaleingang für ein Ist-Druck-Signal und einen Sollwert-Signaleingang für einen Soll-Druck-Signal aufweist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Steuervorrichtung ein Komparatormodul, das zum Ermitteln der Abweichung zwischen dem Ist-Druck-Signal und dem Soll-Druck-Signal ausgebildet ist, und einen Steuersignal-Ausgang, der zum Ausgeben eines Steuersignals an die Pumpanordnung ausgebildet ist, aufweist.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Steuern einer Pumpanordnung für eine Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten nach der vorangegangenen Beschreibung, wobei die Vorrichtung einen Drucksensor an dem Membranelement aufweist, mit den erfindungsgemäßen Schritten: Erfassen eines Ist-Druck-Signals an dem Membranelement mit dem Drucksensor; Ermitteln eines Differenzsignals aus der Abweichung des Ist-Druck-Signals von einem bereitgestellten Soll-Druck-Signal; Ändern einer Steuerspannung für die Hochfrequenz-Pumpe in Abhängigkeit von dem Differenzsignal.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Hochfrequenz-Pumpe mit einer Frequenz von mindestens 600 Hz, vorzugsweise mindestens 1000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 10000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 21000 Hz, weiter vorzugsweise 25000 Hz arbeitet.
Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a, b: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten;
2: eine schematische Darstellung einer Pumpanordnung gemäß dem Stand der Technik;
3: eine schematische Darstellung einer Pumpanordnung mit einer Hochfrequenz-Pumpe;
4: eine schematische Darstellung einer Pumpanordnung mit einer Piezo-Pumpe, die in zwei Richtungen durchströmbar ist;
5a, b: eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Piezo-Pumpe, die in zwei Richtungen durchströmbar ist;
6: eine schematische Darstellung eines Pumpenstacks;
7: eine schematische Darstellung von einer Mehrzahl von parallel geschalteten Hochfrequenz-Pumpen; und
8: eine schematische Darstellung eines Nachrüstsatzes.
Eine Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten wird in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 referenziert.
Gemäß der 1a und 1b umfasst die Vorrichtung ein Beatmungsgerät 3, das über einen Inspirationsschlauch 17 mittels eines Kopplungsstücks mit den Atemwegen eines Patienten verbunden. Das Kopplungsstück ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Maske 18 mit Y-Stück. Anstatt einer Maske 18 kann auch ein Tubus (nicht dargestellt) eines intubierten Patienten genutzt werden. Anstatt eines Beatmungsgerätes 3 kann auch ein Anästhesiegerät vorgesehen sein.
Über den Inspirationsschlauch 17 wird der Patient, der die Maske 18 trägt, von dem Beatmungsgerät 3 mit Atemluft versorgt. Die Atemluft wird dabei unter Druck in die Atemwege des Patienten eingeführt. Beim Ausatmen des Patienten wird die Verbindung über den Inspirationsschlauch 17 gesperrt. Die ausgeatmete Luft des Patienten, die den Exspirationsatemgasstrom definiert, fließt über das Exspirationsventil 10 in die Umgebung ab. Das Exspirationsventil 10 bildet zusammen mit einer Pumpanordnung 2 ein PEEP-Ventil.
1a zeigt dabei eine Anordnung des Exspirationsventils 10 an dem Y-Stück der Maske 18. Alternativ kann das Exspirationsventil 10 wie in 1b dargestellt in das Beatmungsgerät 3 integriert sein.
Gemäß 3 weist die Pumpanordnung 2 eine Hochfrequenz-Pumpe 21 auf. Die Auslassöffnung 37 der Pumpe 21 ist mit der flexiblen Halterungskomponente 14 verbunden. Die Hochfrequenz-Pumpe 21 weist dabei ein Entlastungsventil 16 auf, um bei Beginn der Exspirationsphase den exspiratorischen Druck öffnen zu können. Über das Entlastungsventil 16 kann der Druck, der von der Hochfrequenz-Pumpe 21 auf das Membranelement 11 ausgeübt wird, verringert werden. Wie aus 3 ersichtlich, ist die Hochfrequenz-Pumpe 21 unmittelbar an dem Exspirationsventil 10 angeordnet. Da auf einen Drucktank 33, wie in 2 abgebildet, aufgrund der fehlenden Systemresonanzen zwischen der Pumpanordnung und dem Exspirationsventil 10 verzichtet werden kann, kann die Hochfrequenz-Pumpe 21 ohne einen Verbindungsschlauch an die flexible Halterungskomponente 14 angekoppelt werden.
Die Hochfrequenz-Pumpe 21 saugt über eine Ansaugöffnung 36 Luft an, die dann in das Volumen, das durch die flexible Halterungskomponente 14 und das Membranelement 11 gebildet wird, eingeleitet wird.
Die Hochfrequenz-Pumpe 21 ist über eine Pumpensignalleitung 44 mit einer Steuereinheit 4 verbunden. Über die Pumpensignalleitung 44 wird die Hochfrequenz-Pumpe 21 durch die Steuereinheit 4 gesteuert. Dazu ist an dem Membranelement 11 ein Drucksensor 46 vorgesehen. Der Drucksensor 46 ermittelt einen Steuerdruck-Istwert zwischen dem exspiratorischen Atemgasstrom und dem Volumen, das von den Membranelement 11 und der flexiblen Halterungskomponente 14 gebildet wird. Der Drucksensor 46 ist über eine Sensorsignalleitung 45 mit der Steuereinheit 4 verbunden. Die Pumpensignalleitung 44 verbindet dabei einen Steuersignal-Ausgang 48 mit der Hochfrequenz-Pumpe 21. Die Sensorsignalleitung 45 verbindet den Sensor 46 mit einem Ist-Wert-Eingang 47 der Steuereinheit 4. Weiter umfasst die Steuereinheit 4 einen Sollwert-Eingang 43. Mittels des Sollwert-Eingangs 43 wird der Steuereinheit 4 ein Steuerdruck-Sollwert für den positiv endexspiratorischen Druck übermittelt. Der Steuerdruck-Sollwert kann dabei manuell von einem Benutzer eingegeben werden oder über eine Steuersignalleitung von einer übergeordneten Steuerung übermittelt werden.
Weiter umfasst die Steuereinheit 4 ein Statusmodul 42, das den Öffnungsstatus des Exspirationsventils 10 bestimmt. In Abhängigkeit von dem Öffnungsstatus des Exspirationsventils 10 und dem von einem Komparatormodul 41 durchgeführten Vergleich zwischen dem von dem Sollwert-Eingang übermittelten Steuerdruck-Sollwert und dem von dem Drucksensor 46 übermittelten Steuerdruck-Istwert, wird ein Steuersignal an die Hochfrequenz-Pumpe 21 übermittelt.
Die Hochfrequenz-Pumpe 21 kann als Piezo-Pumpe ausgebildet sein. Piezo-Pumpen zeichnen sich dadurch aus, dass sie besonders klein sind und bei besonders hohen Frequenzen betrieben werden können. Das innere Volumen der Hochfrequenz-Pumpe 21 beträgt dabei weniger als 1 ml, vorzugsweise weniger als 0,5 ml. Auf diese Weise kann die Compliance der Pumpanordnung 2 besonders stark verringert werden. Weiter wird die Einsparung an Gewicht und Kosten weiter erhöht.
In 4 wird eine weitere Ausführungsform der Pumpanordnung 2 dargestellt. In dieser Ausführungsform weist die Hochfrequenz-Pumpe 21 eine Zwei-Wege-Pumpe 20 auf, die in zwei Richtungen durchströmt werden kann. Die Pumpengeometrie ist dabei so gewählt, dass die Pumpanordnung 2 kein Entlastungsventil mehr benötigt. Anstatt einer Ansaugöffnung 36 weist die Pumpanordnung 2 eine erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 22 auf. Durch die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 22 kann ein Fluid abhängig von den Druckverhältnissen in der Hochfrequenz-Pumpe 21 entweder in die Pumpanordnung 2 einströmen oder aus der Pumpanordnung 2 ausströmen.
Mittels 5 wird eine Zwei-Wege-Pumpe 20 näher erläutert. Die Zwei-Wege-Pumpe 20 ist dabei in einer Querschnittsdarstellung dargestellt. Die Zwei-Wege-Pumpe 20 umfasst ein Außengehäuse 24 mit einer zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23. Weiter weist das Außengehäuse 24 die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 22 auf. Die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 22 ist auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 am Außengehäuse 24 angeordnet. Innerhalb des Außengehäuses 24 ist eine Piezo-Pumpe 29 angeordnet. Die Piezo-Pumpe 29 weist eine Zwei-Wege-Pumpöffnung 291 auf. Die Zwei-Wege-Pumpöffnung 291 ist dabei fluchtend mit der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 angeordnet. Die Zwei-Wege-Pumpöffnung 291 und die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 haben eine gemeinsame Achse, sodass ein Gasstrom, der durch die Zwei-Wege-Pumpöffnung 291 strömt, durch die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 gerichtet ist. Weiter ist die Piezo-Pumpe 29 so in dem Außengehäuse 24 gelagert, dass zwischen der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 22 und der zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 ein Strömungskanal 282 gebildet wird. Die Piezo-Pumpe 29 weist weiter ein Piezo-Element 27 auf, das auf einem Federelement 28 gelagert und mit ihm fest verbunden ist. Das Federelement 28 ist über flexible Verbindungselemente 281 mit der Piezo-Pumpe 29 verbunden. Das Federelement 28 und das Piezo-Element 27 sind über Oszillatorleitungen 251 mit einem Wechselspannungsgenerator 25 verbunden. Weiter ist die Piezo-Pumpe 29 mit einer Abdeckplatte 26 der Zwei-Wege-Pumpe 20 verbunden.
Durch die Wechselspannung, die von dem Wechselspannungsgenerator 25 zwischen dem Federelement 28 und dem Piezo-Element 27 angelegt wird, ändert sich die Längenausdehnung des Piezo-Elements 27. Dadurch wird das Federelement 28 in eine Transversalschwingung versetzt. Die beiden extremen Schwingungszustände des Federelements 28 sind zwischen den beiden 5a und 5b ersichtlich. In 5a ist das Federelement 28 nach oben gewölbt hingegen ist in 5b flach bzw. leicht nach unten gewölbt ist. Wenn das Federelement 28 nach oben gewölbt wird, fließt Luft in den Innenraum der Piezo-Pumpe 29 durch die Zwei-Wege-Pumpöffnung 291. Die Luft wird dabei im Wesentlichen aus dem Strömungskanal 282 in die Piezo-Pumpe 29 eingesaugt. Es wird vergleichsweise wenig Luft aus der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 angesaugt.
Wenn das Federelement 28 in Richtung der Zwei-Wege-Pumpöffnung 291 verformt wird, verkleinert sich das Volumen der Piezo-Pumpe 29. Dabei wird das in der Piezo-Pumpe 29 befindliche Gas bzw. Fluid durch die Zwei-Wege-Pumpöffnung 291 ausgestoßen. Dabei entsteht ein gerichteter Strom. Dies ist durch die Pfeile gemäß 5b dargestellt. Der gerichtete Fluidstrom wird durch die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 ausgestoßen. Durch die gerichtete Bewegung des Stroms fließt der Strom nicht durch den Strömungskanal 282.
Wenn an der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 ein größerer Druck erzeugt wird, als die Piezo-Pumpe 29 erzeugt, wird die Fluidströmung im Strömungskanal 282 umgekehrt. Der von der Piezo-Pumpe 29 erzeugte gerichtete Fluidstrom wird dabei durch den größeren Druck, der an der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 anliegt, seitlich abgelenkt, sodass auch dieser Fluidstrom durch den Strömungskanal 282 fließt. In diesem Fall fließt die Fluidströmung von der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 durch den Strömungskanal 282 aus der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 22 nach außen ab.
6 zeigt eine Pumpanordnung 2, die eine Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen 21 aufweist. Diese Hochfrequenz-Pumpen 21 sind als Zwei-Wege-Pumpen 20 ausgebildet. Die zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnungen 23 der Zwei-Wege-Pumpen 20 sind jeweils auf die ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnungen 22 einer jeweiligen folgenden Zwei-Wege-Pumpe 20 ausgerichtet. Lediglich die oben gelegene Zwei-Wege-Pumpe 20, weist erste Zwei-Wege-Durchlassöffnungen 22 auf, die nicht von einer zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 einer anderen Zwei-Wege-Pumpe 20 gespeist wird. Weiter weist die unterste Zwei-Wege-Pumpe 20 eine zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 23 auf, die nicht auf eine erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 22 einer anderen Zwei-Wege-Pumpe 20 gerichtet ist. Da jede der Zwei-Wege-Pumpen 20 einen freien Strömungskanal 282 aufweist, kann lediglich eine einzige Zwei-Wege-Pumpe 20 betrieben werden, ohne dass Strömungswege zwischen der Umgebungsluft und dem Membranelement 11 blockiert sind. Die Strömungskanäle 282 bilden auf diese Weise einen Bypass um die Piezo-Pumpen 29 in den Zwei-Wege-Pumpen 20. Jede der Zwei-Wege-Pumpen 20 ist mit einem eigenen Wechselspannungsgenerator 25 über eine Oszillatorleitung 251 verbunden. Die Wechselspannungsgeneratoren 25 sind über Pumpensignalleitungen 44 mit der Steuereinheit 4 verbunden. Über die Steuereinheit 4 werden damit die Wechselspannungsgeneratoren 25 gesteuert, wobei die Wechselspannungsgeneratoren 25 über ein Kaskadenmodul 52 separat angesteuert werden. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Zwei-Wege-Pumpen 20 in jedweder Kombination einen bestimmten Druck erzeugen können. So kann zum Beispiel eine einzige Zwei-Wege-Pumpe 20 mit ihrer Maximalleistung betrieben werden und eine weitere Pumpe mit halber Leistung oder zwei Pumpen mit dreiviertel Leistung betrieben werden. Alterativ oder zusätzlich kann weiter ein Gleichtaktmodul 51 vorgesehen werden, mit dem die Pumpen so angesteuert werden, dass alle Pumpen mit gleicher Leistung arbeiten.
Die Zwei-Wege-Pumpen 20 sind in dieser Ausführungsform in einem Stack-Gehäuse 5 angeordnet. Das Stack-Gehäuse 5 ist dabei so ausgebildet, dass die Zwei-Wege-Pumpen 20 einen gemeinsamen Fluidstrom erzeugen.
In einer alternativen Ausführungsform gemäß 7 sind die Hochfrequenz-Pumpen 21 parallel geschaltet. Jede der Hochfrequenz-Pumpen 29 erzeugt einen eigenen Fluidstrom. Die Hochfrequenz-Pumpen 21 können dabei als Zwei-Wege-Pumpen 20 ausgebildet sein.
Auch in dieser Ausführungsform umfassen die Zwei-Wege-Pumpen 20 jeweils einen eigenen Wechselstromgenerator 25, der jeweils über eine eigene Oszillatorleitung 251 mit der jeweiligen Zwei-Wege-Pumpe 20 verbunden ist. Die Wechselstromgeneratoren 25 sind über Pumpensignalleitungen 44 mit einer Steuereinheit 4 verbunden. Die Steuereinheit 4 kann mittels eines Kaskadenmoduls 52 damit auch in dieser Ausführungsform die Pumpleistung jeder der Zwei-Wege-Pumpen 20 einzelnen unabhängig ansteuern. Alterativ oder zusätzlich kann weiter ein Gleichtaktmodul 51 vorgesehen werden, mit dem die Pumpen so angesteuert werden, dass alle Pumpen mit gleicher Leistung arbeiten. Somit ist auch in dieser Ausführungsform eine gleichgetakteten oder eine kaskadierte Ansteuerung der Zwei-Wege-Pumpen 20 ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung als Nachrüstsatz ausgebildet, die eine Pumpanordnung 2 mit einer Hochfrequenz-Pumpe 21 aufweist. Die Pumpanordnung 2 weist weiter ein Kopplungsmodul 50 auf, das ausgebildet ist eine fluidkommunizierende, gasdichte Verbindung mit einem Membranelement 11 einer Vorrichtung 1 zum Beatmen eines Patienten zu erzeugen. Ein derartiger Nachrüstsatz ist in 8 dargestellt. Der Nachrüstsatz 6 kann zum Ersetzen von bisher vorhandenen pneumatischen Antrieben von Membranelementen 11 von Vorrichtungen zum Beatmen 1 eingesetzt werden. Dazu werden das Verbindungsstück 31 und der Verbindungsschlauch 32 entfernt und stattdessen der Nachrüstsatz 6 mit dem Kopplungsmodul 50 an die flexible Halterungskomponente 14 angebracht. Auf diese Weise können auch Exspirationsventile 10, die bisher keinen Antrieb für das Membranelement 11 aufweisen und damit auch keinen positiv endexspiratorischen Druck bereitstellen können, nachgerüstet werden. Der Nachrüstsatz 6 kann ebenfalls mit einer Steuereinheit 4 ausgerüstet werden. Alternativ kann der Nachrüstsatz auch zum Verbinden mit einer bereits bestehenden Steuereinheit 4 ausgebildet sein. Dazu weist der Nachrüstsatz weiter ein Steuersignaleingang 53 auf.
Das Verfahren zum Steuern der Pumpanordnung 2 kann durch die Steuereinheit 4 durchgeführt werden. Dabei wird zunächst der Ist-Druck an dem Membranelement 11 durch den Drucksensor 46 erfasst und in ein Ist-Druck-Signal umgewandelt. Das Ist-Druck-Signal des Drucksensors 46 wird an die Steuereinheit 4 übermittelt. Weiter wird der Steuereinheit 4 ein Soll-Druck-Signal bereitgestellt. Die Steuereinheit 4 vergleicht dann mittels des Komparatormoduls 41 das Soll-Druck-Signal mit dem Ist-Druck-Signal. Aus der Abweichung zwischen den beiden Signalen ermittelt die Steuereinheit 4 dann ein Steuersignal für die Steuerspannung der Hochfrequenz-Pumpen 21, um die Abweichung zwischen dem Ist-Druck-Signal und dem Soll-Druck-Signal zu minimieren.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten
2: Pumpanordnung
3: Beatmungsgerät
4: Steuereinheit
5: Stack-Gehäuse
6: Nachrüstsatz
10: Exspirationsventil
11: Membranelement
12: Dichtungskomponente
13: Exspirationskanal
14: Halterungskomponente
15: Exspirationsauslass
16: Entlastungsventil
17: Inspirationsschlauch
18: Maske mit Y-Stück
20: Zwei-Wege-Pumpe
21: Hochfrequenz-Pumpe
22: Erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung
23: Zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung
24: Außengehäuse
25: Wechselspannungsgenerator
26: Abdeckplane
27: Piezo-Element
28: Federelement
29: Piezo-Pumpe
31: Verbindungsstück
32: Erster Verbindungsschlauch
33: Drucktank
34: Zweiter Verbindungsschlauch
35: Membran- bzw. Kolbenpumpe
36: Ansaugöffnung
37: Auslassöffnung
41: Komparatormodul
43: Sollwert-Eingang
44: Pumpensignalleitung
45: Sensorsignalleitung
46: Drucksensor
47: Ist Wert-Eingang
48: Steuersignal-Ausgang
50: Kopplungsmodul
51: Gleichtaktmodul
52: Kaskadenmodul
53: Steuersignaleingang
228: Strömungskanal
251: Oszillatorleitung
281: Verbindungselemente
282: Strömungskanal
291: Zwei-Wege-Pumpöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005011596 B4 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Beatmen eines Patienten, die ein Exspirationsventil (10) mit einem Membranelement (11) zum Übertragen eines positiv endexspiratorischen Drucks und eine Pumpanordnung (2) zum Erzeugen des positiv endexspiratorischen Drucks, die fluidkommunizierend mit dem Membranelement (11) verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpanordnung (2) eine Hochfrequenz-Pumpe (21) zum Erzeugen des positiv endexspiratorischen Drucks aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Pumpe (21) eine Piezo-Pumpe (20) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Pumpe (21) eine Zwei-Wege-Pumpe (20) ist, die in zwei Richtungen durchströmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpanordnung (2) eine Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen (21) aufweist, die in Reihe geschaltet in einem Stack-Gehäuse (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpanordnung (2) eine Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen (21) aufweist, die parallel geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpanordnung (2) an dem Membranelement (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Steuereinheit (4) für die Pumpanordnung (2) aufweist, wobei die Steuereinheit (4) mit einem Sensor (46) für den Steuerdruck verbunden ist, der am Membranelement (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) ein Gleichtaktmodul (51) aufweist, das zum Ansteuern einer Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen (21) im Gleichtakt ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) ein Kaskadenmodul (52) aufweist, das zum kaskadierten Ansteuern einer Mehrzahl von Hochfrequenz-Pumpen (21) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) ein Statusmodul (42) aufweist, das zum Bestimmen des Status des Exspirationsventils (10) und der einzelnen Hochfrequenz-Pumpen (21) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpanordnung (2) eine Spannungsquelle aufweist, die ausgebildet ist, zwei Steuerspannungen an eine Hochfrequenz-Pumpe (21) anzulegen.
Vorrichtung' nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Pumpe mit 600 Hz, vorzugsweise mindestens 1000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 10000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 21000 Hz, weiter vorzugsweise 25000 Hz, Pumpfrequenz betrieben wird.
Nachrüstsatz für eine Vorrichtung (1) zum Beatmen eines Patienten, die ein Exspirationsventil (10) mit einem Membranelement (11) zum Übertragen eines positiven endexspiratorischen Drucks aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachrüstsatz (6) eine Pumpanordnung (2) zum Erzeugen des positiven endexspiratorischen Drucks aufweist, wobei die Pumpanordnung (2) eine Hochfrequenz-Pumpe (21) zum Erzeugen des positiv endexspiratorischen Drucks und ein Kopplungsmodul (50) zum fluidkommunizierenden, gasdichten Verbinden mit dem Membranelement (11) aufweist.
Nachrüstsatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachrüstsatz (6) nach einem der Ansprüche 2–12 weitergebildet ist.
Steuervorrichtung für eine Pumpanordnung (2) für eine Vorrichtung (1) zum Beatmen eines Patienten nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (4) einen ist Wert-Signaleingang (47) für ein ist-Druck-Signal und einen Sollwert-Signaleingang (43) für ein Soll-Druck-Signal aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (4) ein Komparatormodul (41), das zum Ermitteln der Abweichung zwischen den ist-Druck-Signal und dem Soll-Druck-Signal ausgebildet ist, und einen Steuersignal-Ausgang (48), der zum Ausgeben eines Steuersignals an die Pumpanordnung (2) ausgebildet ist, aufweist.
Verfahren zum Steuern einer Pumpanordnung (2) für eine Vorrichtung (1) zum Beatmen eines Patienten nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen Drucksensor (46) an dem Membranelement (11) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: Bereitstellen eines Soll-Druck-Signals; Erfassen eines ist-Druck-Signals an dem Membranelement (11) mit dem Drucksensor (46); Ermitteln eines Differenzsignals aus der Abweichung des ist-Druck-Signals von dem bereitgestellten Soll-Druck-Signals; und Ändern einer Steuerspannung für die Hochfrequenz-Pumpe (21) in Abhängigkeit von den Differenzsignal.
System umfassend ein Ventil (10) mit einem Membranelement (11) zum Übertragen eines positiv endexspiratorischen Drucks und einer Pumpanordnung (2) zum Erzeugen des positiv endexspiratorischen Drucks, die fluidkommunizierend mit dem Membranelement (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpanordnung (2) eine Hochfrequenzpumpe (21) aufweist.
Nachrüstsatz nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass der Nachrüstsatz (6) nach einem der Ansprüche 1–12 weitergebildet ist.