DE102018004341A1

DE102018004341A1 - Beatmungsgerät und Verfahren zum Betrieb eines Beatmungsgeräts

Info

Publication number: DE102018004341A1
Application number: DE102018004341.0A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ullrich Hansmann
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2019-12-05
Also published as: WO2019228697A1; US20210196913A1; CN112188911A; CN112188911B

Abstract

Die Erfindung ist ein Beatmungsgerät (10), welches zumindest ein Exspirationsventil (12) und/oder zumindest ein Inspirationsventil (14) mit einem zur Beeinflussung einer Position eines Verschlusskörpers (20) des jeweiligen Ventils (12, 14) bestimmten Ventilantrieb (18) umfasst, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Beatmungsgeräts (10), wobei der Ventilantrieb (18) auf eine Ventilkammer (24) wirkt und ein Volumen in der Ventilkammer (24) die Position des Verschlusskörpers (20) bestimmt und wobei der Ventilantrieb (18) eine Mehrzahl von Piezopumpen (40, 42) umfasst, nämlich zumindest eine reguläre Piezopumpe (40) mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer (24) hin sowie zumindest eine inverse Piezopumpe (42) mit einer umgekehrten Wirkrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beatmungsgerät und ein Verfahren zum Betrieb eines Beatmungsgeräts, insbesondere ein mobiles, vom Patienten getragenes Beatmungsgerät, aber grundsätzlich genauso ein Beatmungsgerät in Form eines für einen klinischen Einsatz geeigneten Beatmungsgeräts, insbesondere in Form eines kombinierten Anästhesie- und Beatmungsgeräts. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Beatmungsgeräts.
Beatmungsgeräte sind an sich bekannt. Ein Beatmungsgerät oder ein Beatmungsgerät in Form eines kombinierten Anästhesie- und Beatmungsgeräts - im Folgenden zusammenfassend als Beatmungsgerät bezeichnet - fungiert in an sich bekannter Art und Weise als Atemgasfördereinheit, zum Beispiel indem das Beatmungsgerät an eine externe Gasversorgung angeschlossen ist oder selbst eine Atemgasfördereinheit umfasst, zum Beispiel in Form einer Pumpe, eines Lüfterrads oder dergleichen. Mittels des Beatmungsgeräts wird in ebenfalls an sich bekannter Art und Weise inspiratorisch der Druck auf Seiten des Beatmungsgeräts auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwert für den Atemwegsdruck angehoben, nämlich einen Wert oberhalb des sogenannten alveolaren Drucks, also des Drucks innerhalb der Patientenlunge. Dieser Druckunterschied führt zu einem Volumenstrom in Richtung auf die Patientenlunge. Bei erreichtem Druckausgleich verschwindet der Volumenstrom. Exspiratorisch wird der Prozess umgekehrt und der Druck auf Seiten des Beatmungsgeräts wird gegenüber dem alveolaren Druck abgesenkt, so dass sich ein Volumenstrom aus der Patientenlunge ergibt, bis auch hier ein Druckausgleich erfolgt ist.
Für einen solchen Betrieb eines Beatmungsgeräts sind eine Drucksteuerung, eine Volumensteuerung und diverse Mischformen mit unterschiedlichen Limitierungen bekannt. Beim Betrieb des Beatmungsgeräts werden in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise ein- und ausgangsseitige Ventile (Inspirationsventil, Exspirationsventil) angesteuert und definiert geöffnet oder geschlossen.
Bei bekannten Beatmungsgeräten erfolgt eine Entlastung des Exspirationsventils zu Beginn der exspiratorischen Phase durch einen beim Ausatmen des Patienten entstehenden und auf einen Verschlusskörper des Exspirationsventils wirkenden Staudruck. Der Patient muss also zumindest kurzfristig „gegen das Exspirationsventil atmen“, damit dieses öffnet. Dies wird unter Umständen vom Patienten wahrgenommen und dann gegebenenfalls als störend empfunden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend davon darin, ein Beatmungsgerät mit zumindest einem davon umfassten Ventil mit verbesserten dynamischen Eigenschaften anzugeben, insbesondere darin, ein Beatmungsgerät anzugeben, bei dem die oben skizzierten und für einen Patienten unangenehmen Wahrnehmungen vermieden werden.
Die hier vorgeschlagene Neuerung ist ein Beatmungsgerät, welches zumindest ein Exspirationsventil und/oder zumindest ein Inspirationsventil mit einem speziellen Ventilantrieb umfasst, nämlich einen Ventilantrieb, der zumindest eine hier und im Folgenden als Piezopumpe bezeichnete Pumpeinrichtung umfasst, wobei der Ventilantrieb und damit die oder jede davon umfasste Piezopumpe zur Beeinflussung einer Position eines Verschlusskörpers des jeweiligen Ventils bestimmt ist. Zur Beeinflussung der Position des Verschlusskörpers wirkt der Ventilantrieb auf eine Ventilkammer des Ventils durch Verlagerung eines Fluids in die Ventilkammer hinein oder aus der Ventilkammer hinaus und ein Volumen in der Ventilkammer bestimmt die Position des Verschlusskörpers. Bei dem mittels des Ventilantriebs in die Ventilkammer hinein oder aus der Ventilkammer hinaus verlagerten Fluid handelt es sich bevorzugt um ein Gas, insbesondere Umgebungsluft. Die Besonderheit des Beatmungsgeräts besteht darin, dass der Ventilantrieb eine Mehrzahl von Piezopumpen umfasst, nämlich zumindest eine Piezopumpe - reguläre Piezopumpe - mit einer Wirkrichtung zur Verlagerung eines Fluids zur Ventilkammer hin und zumindest zum Teil in die Ventilkammer hinein sowie zumindest eine Piezopumpe - inverse Piezopumpe - mit einer Wirkrichtung zur Verlagerung des Fluids von der Ventilkammer weg und zumindest zum Teil aus der Ventilkammer hinaus.
Die Wirkrichtung einer Piezopumpe ergibt sich aufgrund eines bei einer Aktivierung der Piezopumpe resultierenden Volumenstroms, also eines mittels der Piezopumpe erzeugten Volumenstroms des jeweiligen Fluids. Bei einer Piezopumpe mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer hin (reguläre Piezopumpe) ergibt sich bei deren Aktivierung ein Volumenstrom in Richtung auf die Ventilkammer und zumindest zum Teil in die Ventilkammer hinein. Bei einer Piezopumpe mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer weg (inverse Piezopumpe) ergibt sich bei deren Aktivierung ein Volumenstrom in einer entgegensetzten Richtung, also in einer Richtung von der Ventilkammer weg.
Mittels der oder jeder regulären Piezopumpe kann das Volumen in der Ventilkammer erhöht werden und mit einer solchen Volumenerhöhung schließt das jeweilige Ventil. Der Druck in der Ventilkammer bestimmt dabei (zusammen mit einer zur Ventilkammer gewandten Oberfläche des Verschlusskörpers) die „Zuhaltekraft“ des Ventils. Bei einem Ventilantrieb mit einer regulären Piezopumpe oder mehreren regulären Piezopumpen wird diese bzw. werden diese zum Öffnen des Ventils deaktiviert. Das Ventil öffnet allerdings nicht notwendig im Moment der Deaktivierung des Ventilantriebs. Vielmehr ist regelmäßig zum Öffnen des Ventils ein auf den Verschlusskörper wirkender Staudruck und nach einem anfänglichen Öffnen des Ventils ein gewisser Volumenstrom durch das Ventil notwendig. Bei einem als Exspirationsventil fungierenden Ventil bringt diesen Staudruck der Patient beim Ausatmen auf und nach dem anfänglichen Öffnen des Exspirationsventils hält der Volumenstrom in Form der ausgeatmeten Atemluft das Exspirationsventil offen. Das Öffnen des Ventils durch einen „außen“ anstehenden Staudruck wird im Folgenden als passives (nicht durch den Ventilantrieb selbst hervorgerufenes) Öffnen bezeichnet und führt zu einem nicht unerheblichen Durchströmungswiderstand des Ventils. Mittels zumindest einer inversen Piezopumpe ist ein aktives Öffnen des Ventils möglich, also ein durch den Ventilantrieb selbst hervorgerufenes Öffnen. Bei einer Aktivierung der zumindest einen von dem Ventilantrieb umfassten inversen Piezopumpe wird durch das mittels der inversen Piezopumpe ausgelöste Verlagern des Fluids von der Ventilkammer weg und zumindest zum Teil aus der Ventilkammer hinaus das Volumen in der Ventilkammer verringert, sodass eine entsprechende Positionsänderung des Verschlusskörpers des Ventils resultiert: das Ventil öffnet (wird aktiv mittels der zumindest einen inversen Piezopumpe geöffnet).
Das hier vorgeschlagene Beatmungsgerät löst die oben genannte Aufgabe, weil ein Ventil, welches sich mittels zumindest einer inversen Piezopumpe aktiv öffnen lässt, sich durch verbesserte dynamische Eigenschaften auszeichnet, denn das Öffnen kann sehr schnell erfolgen und der Verschlusskörper kann aktiv in Stellungen verfahren werden, für die ansonsten eine Strömung durch das Ventil nötig wäre. Das Ventil kann also zum Beispiel auch bei einer nur geringen Strömung durch das Ventil maximal geöffnet werden, sodass ein entsprechend reduzierter Durchströmungswiderstand resultiert. Das Ventil kann sogar unabhängig von einer Strömung durch das Ventil geöffnet werden.
Die jetzt gegebene Möglichkeit eines aktiven Öffnens eines Ventils mit einem miniaturisierten Ventilantrieb, also einem Piezopumpen umfassenden Ventilantrieb, erlaubt ein Öffnen des Ventils, insbesondere ein Öffnen eines als Exspirationsventil fungierenden Ventils, unabhängig von einem anstehenden Staudruck. Bei einem als Exspirationsventil fungierenden Ventil kann dieses folglich unmittelbar zu Beginn der Exspirationsphase aktiv geöffnet werden und bietet im geöffneten Zustand einen im Vergleich zu einem passiv öffnenden Ventil vernachlässigbar geringen Durchströmungswiderstand.
Bei einem als Exspirationsventil fungierenden aktiv öffnenden Ventil kann der beatmete Patient während der Exspirationsphase gleich zu deren Beginn ein großes Volumen ausatmen, ohne einen dabei zu überwindenden Widerstand zu bemerken. Bei einem als Exspirationsventil oder Inspirationsventil fungierenden, aktiv öffnenden Ventil ist zudem eine bisher in diesem Maße bisher nicht gekannte Dynamik bei der Steuerung eines Volumenstroms, also bei Absperrung oder Regelung des Durchflusses des Volumenstroms, durch das Ventil möglich. Dies ist besonders für transiente Vorgänge beim Übergang von einer inspiratorischen Phase zu einer anschließenden exspiratorischen Phase sowie beim Übergang von einer exspiratorischen Phase zu einer nachfolgenden inspiratorischen Phase während einer Beatmung eines Patienten vorteilhaft.
Die oben genannte Aufgabe wird auch mittels eines Verfahrens zum Betrieb eines Beatmungsgeräts der hier und im Folgenden beschriebenen Art gelöst. Bei einem solchen Betriebsverfahren ist vorgesehen, dass mittels zumindest einer inversen Piezopumpe dasjenige Ventil, welches die inverse Piezopumpe umfasst, aktiv geöffnet wird. Dieses aktive Öffnen kann bei dem oder jedem von dem Beatmungsgerät umfassten und als Exspirationsventil fungierenden Ventil und/oder bei dem oder jedem von dem Beatmungsgerät umfassten und als Inspirationsventil fungierenden Ventil erfolgen. Bei einem als Exspirationsventil fungierenden Ventil mit zumindest einer inversen Piezopumpe wird das Exspirationsventil mittels dieser zumindest einen inversen Piezopumpe aktiv geöffnet.
Zusammenfassend ergeben sich wesentliche Vorteile der hier vorgeschlagenen Neuerung vor allem aufgrund der möglichen gesteuerten oder geregelten Verringerung des Durchströmungswiderstands des jeweiligen Ventils, also aufgrund der Möglichkeit einer aktiven Verringerung des Durchströmungswiderstands. Dies gilt speziell bei einem als Exspirationsventil fungierenden Ventil. Die jetzt gegebene Möglichkeit der aktiven Verringerung des Durchströmungswiderstands eines Ventils erlaubt eine Erhöhung der Dynamik bei transienten, entlastenden Druckwechseln.
Die Neuerung kommt aufgrund des miniaturisierten Ventilantriebs speziell zur Verwendung bei einem mobilen, vom zu beatmenden Patienten getragenen oder allgemein einem dem Patienten räumlich unmittelbar zugeordneten Beatmungsgerät in Betracht. Zum Beispiel kommt die Verwendung bei einem Beatmungsgerät in Betracht, welches unmittelbar an eine vom Patienten getragene Patientenschnittstelle, zum Beispiel eine Atemmaske oder dergleichen, angekoppelt ist.
Die Neuerung ist nicht nur ein Beatmungsgerät mit zumindest einem Ventil mit einem zumindest eine inverse Piezopumpe umfassenden Ventilantrieb, sondern genauso ein solches Ventil selbst, also ein Ventil, insbesondere ein pneumatisches Ventil, mit einem zumindest eine inverse Piezopumpe umfassenden Ventilantrieb wie hier und im Folgenden beschrieben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin und sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Soweit die Unteransprüche Merkmale umfassen, welche das gegenständliche Beatmungsgerät in Form einer Konkretisierung eines davon umfassten Ventils oder in Form einer Konkretisierung eines Ventilantriebs eines solchen Ventils weiterbilden, gilt zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen, dass damit die betreffenden Merkmale auch unabhängig von einer Verwendung des jeweiligen Ventils in einem Beatmungsgerät als Basis für eine eventuelle Konkretisierung des Ventils selbst offenbart sind. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche sowie der Beschreibung bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen sowie einer allgemeineren Ausführungsform des gegenständlichen Beatmungsgeräts / Ventils nicht vorhanden ist. Jede Bezugnahme in der Beschreibung auf Aspekte nachgeordneter Ansprüche ist demnach auch ohne speziellen Hinweis ausdrücklich als Beschreibung optionaler Merkmale zu lesen. Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass das hier angegebene Beatmungsgerät auch entsprechend der abhängigen Verfahrensansprüche weitergebildet sein kann und umgekehrt. Eine Weiterbildung des Beatmungsgeräts entsprechend abhängiger Verfahrensansprüche zeichnet sich zum Beispiel dadurch aus, dass das Beatmungsgerät Mittel zur Ausführung des jeweiligen Verfahrensschritts oder der jeweiligen Verfahrensschritte umfasst. Bei einer Ausführungsform des Beatmungsgeräts ist vorgesehen, dass der Ventiltrieb die mindestens eine Piezopumpe mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer sowie die zumindest eine Piezopumpe mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer weg in einer seriellen Anordnung umfasst.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Beatmungsgeräts ist vorgesehen, dass der Ventiltrieb die mindestens eine Piezopumpe mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer sowie die zumindest eine Piezopumpe mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer weg in einer parallelen Anordnung umfasst.
Die Ausgestaltungen der Piezopumpen in seriellen und/ oder parallelen Anordnungen im Ventiltrieb bieten die Möglichkeit, den Ventiltrieb konstruktiv an die - üblicherweise zumeist beengten- Raum und Platzverhältnisse eines mobilen Beatmungsgerätes gut anpassen zu können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Beatmungsgeräts ist vorgesehen, dass der Ventilantrieb eines als Exspirationsventil oder als Inspirationsventil fungierenden Ventils genau eine inverse Piezopumpe und eine Mehrzahl von regulären Piezopumpen umfasst. Die genau eine inverse Piezopumpe ist für das aktive Öffnen des jeweiligen Ventils und gegebenenfalls ein schnelles aktives Öffnen ausreichend. Die Mehrzahl von regulären Piezopumpen erzeugen in der Ventilkammer einen ausreichenden Steuerdruck, um das Ventil auch gegen einen hohen Staudruck geschlossen zu halten.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Beatmungsgerätes ist vorgesehen, dass in dem Ventilantrieb an der zumindest einen Piezopumpe mit der Wirkrichtung zur Ventilkammer hin ein Rückschlagventil derart angeordnet ist, so dass kein Entweichen des Volumens aus der Ventilkammer gegen die Wirkrichtung ermöglicht ist.
Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des Beatmungsgerätes ist vorgesehen, dass in dem Ventilantrieb an der zumindest einen Piezopumpe mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer weg ein Rückschlagventil derart angeordnet ist, so dass kein Entweichen des Volumens aus der Ventilkammer gegen die Wirkrichtung ermöglicht ist.
Insbesondere der Einsatz von Rückschlagventilen in parallelen Anordnungen von Piezopumpen im Ventiltrieb bietet die vorteilhafte Möglichkeit, dass auch solche Piezopumpen eingesetzt werden können, welche ohne eine aktive Ansteuerung zumindest teilweise durchströmbar sind, also keinen unendlich großen Strömungswiderstand aufweisen. Die Anordnung von Rückschlagventilen ermöglicht in solchen Fällen, dass der Ventiltrieb insgesamt dann auch ohne aktive Ansteuerung der Piezopumpen sich in einem definierten Zustand befindet. Definierte und eindeutige Zustände der Komponenten sind vorteilhaft für die Implementierung von möglichst einfachen aber sicheren Steuerungs- und Regelungskonzepten für den Betrieb des mit Piezopumpen ausgestatteten Beatmungsgerätes, ohne, da es dann nicht erforderlich ist, die möglichen Betriebszustände mittels zusätzlicher Sensorik (Druck, Durchfluss), teilweise auch in redundanter Ausführung, zu überwachen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Beatmungsgeräts der hier und im folgenden beschriebenen Art ist vorgesehen, dass mittels eines einem Ventil des Beatmungsgeräts (als einem Exspirationsventil oder einem Inspirationsventil) räumlich zugeordneten Drucksensors ein Druckmesswert erfasst wird und dass mittels des Druckmesswerts als Istwert und einem vorgegebenen oder vorgebbaren Druckwert als Sollwert eine Position des Verschlusskörpers des jeweiligen Ventils geregelt wird. Dann erfolgt durch eine Ansteuerung des Ventilantriebs des jeweiligen Ventils nicht nur ein Öffnen oder ein Schließen oder ein teilweises Öffnen oder ein teilweises Schließen des Ventils, sondern eine geregelte Positionierung des Verschlusskörpers zum Erhalt einer jeweils gewünschten Drucksituation, zum Beispiel zur Einhaltung eines positiven endexspiratorischen Drucks (PEEP).
Bei einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Exspirationsventil zu Beginn einer Exspirationsphase aktiv geöffnet wird, damit der Patient zu Beginn der Exspirationsphase eine große Atemgasmenge ausatmen kann. Die Dauer, während derer das Exspirationsventil zu Beginn der Exspirationsphase aktiv geöffnet wird, ist dabei bevorzugt durch eine vorgegebene oder vorgebbare Zeitdauer bestimmt oder hängt von einem während der Exspirationsphase aufgenommenen Messwert ab. Bei einer messwertabhängigen Dauer, während derer das Exspirationsventil zu Beginn der Exspirationsphase aktiv geöffnet wird, ist vorgesehen, dass das Exspirationsventil zu Beginn der Exspirationsphase aktiv geöffnet wird und so lange geöffnet bleibt, bis ein Druckmesswert einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert unterschreitet. Der Druckmesswert wird mittels eines dem Exspirationsventil räumlich zugeordneten Drucksensors erfasst und der Druckmesswert kodiert einen Atemwegsdruck p_AW . Dafür ist der Drucksensor in Richtung des während der Exspiration über das Exspirationsventil abfließenden Volumenstroms stromaufwärts des Exspirationsventils, zumindest stromaufwärts des Verschlusskörpers des Exspirationsventils, angeordnet.
Eine automatische Ansteuerung der Ventilantriebe der von dem Beatmungsgerät umfassten Ventile, nämlich eine automatische Ansteuerung der von den Ventilantrieben jeweils umfassten Piezopumpen (reguläre und inverse Piezopumpen), erfolgt mittels einer dafür bestimmten Steuerungseinrichtung. Die Steuerungseinrichtung umfasst in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise eine Verarbeitungseinheit in Form von oder nach Art eines Mikroprozessors sowie einen Speicher, in den ein mittels der Verarbeitungseinheit ausführbares und als Steuerungsprogramm fungierendes Computerprogramm geladen ist. Beim Betrieb des Beatmungsgeräts wird das Steuerungsprogramm ausgeführt. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, sowie schließlich auch eine Steuerungseinrichtung oder ein Beatmungsgerät, in deren bzw. dessen Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand führen.
Es zeigen:

1 ein Beatmungsgerät mit einem Exspirationsventil und einem Inspirationsventil,
2 eine Piezopumpe,
3 eine symbolische Darstellung einer Piezopumpe,
4 einen Ventilantrieb einer als Exspirationsventil oder Inspirationsventil fungierenden Ventilanordnung mit einer Mehrzahl von jeweils gemäß 3 symbolisch dargestellten Piezopumpen,
5 das Beatmungsgerät gemäß 1 mit Momentaufnahmen der Stellungen des Inspirationsventils und Exspirationsventils während der Inspiration und Exspiration bei einer Beatmung eines Patienten,
6 einen Ventilantrieb wie in 4 mit Steuerungseinheiten zur Ansteuerung der von dem Ventilantrieb umfassten Piezopumpen,
7 einen zeitlichen Ablauf der Inspiration und Exspiration bei einer Beatmung eines Patienten sowie einzelne Druckwerte als Sollwerte für die vom Ventilantrieb des Exspirationsventils umfassten Piezopumpen,
8 den zeitlichen Ablauf wie in 7 mit einem aufgrund der Ansteuerung der vom Ventilantrieb des Exspirationsventils umfassten Piezopumpen resultierenden Volumenstromverlauf während der Exspirationsphase,
9 das Exspirationsventil des Beatmungsgeräts gemäß 1 mit einem dem Exspirationsventil räumlich zugeordneten Drucksensor,
10, 11 Kennlinienfelder,
12 das Inspirationsventil des Beatmungsgeräts gemäß 1 mit einem dem Inspirationsventil räumlich zugeordneten Drucksensor und
13 einen zeitlichen Ablauf der Inspiration und Exspiration bei einer Beatmung eines Patienten in Form eines aufgrund der Ansteuerung der Ventilantriebe des Inspirations- und Exspirationsventils resultierenden zeitlichen Verlaufs des Atemwegsdrucks und des Volumenstroms.

Die Darstellung in 1 zeigt in einer schematisch sehr stark vereinfachten Übersichtsdarstellung ein Beatmungsgerät 10, welches eine als Exspirationsventil 12 fungierende erste Ventilanordnung 12 und eine als Inspirationsventil 14 fungierende zweite Ventilanordnung 14 umfasst. Das Inspirationsventil 14 ist grundsätzlich optional. Allgemein umfasst ein Beatmungsgerät 10 gemäß 1 zumindest ein Exspirationsventil 12, also ein Exspirationsventil 12 oder ggf. mehrere Exspirationsventile 12, und im Falle einer Ausführung mit einem Inspirationsventil 14 ein Inspirationsventil 14 oder ggf. mehrere Inspirationsventile 14. Die weitere Beschreibung wird am Beispiel eines Beatmungsgeräts 10 mit genau einem Exspirationsventil 12 und genau einem Inspirationsventil 14 fortgesetzt. Mehr als ein Exspirations- und/oder Inspirationsventil 12, 14 ist dabei jeweils mitzulesen. Genauso ist zu berücksichtigen, dass das Inspirationsventil 14 grundsätzlich optional ist.
Zu jeder von dem Beatmungsgerät 10 umfassten Ventilanordnung 12, 14 gehören ein Ventilgehäuse 16 und ein Ventilantrieb 18. Mittels des Ventilantriebs 18 ist im Ventilgehäuse 16 ein Verschlusskörper 20, zum Beispiel ein scheibenförmiger Verschlusskörper 20 (Ventilplatte), beweglich. Der Verschlusskörper 20 wird mittels einer Membran 22 gehalten, insbesondere mittels einer entlang einer Umfangslinie des Verschlusskörpers 20 seitlich an diesen anschließenden Membran 22, und der Verschlusskörper 20 schließt zusammen mit der Membran 22 ein Volumen ein, das im Folgenden als Ventilkammer 24 bezeichnet wird. Mittels des Ventilantriebs 18 wird in diese Ventilkammer 24 ein Gas, zum Beispiel Umgebungsluft, hineingepumpt oder aus der Ventilkammer 24 herausgepumpt. Die Gasmenge im Innern der Ventilkammer 24 bestimmt die Position des Verschlusskörpers 20 und bestimmt demnach, ob das Ventil 12, 14 geöffnet oder geschlossen oder teilweise geöffnet oder teilweise geschlossen ist. Geschlossen ist das Ventil dann, wenn der Verschlusskörper 20 an einem als Krater 26 bezeichneten Rand eines Endes eines in das Ventilgehäuse 16 reichenden Leitungsstücks anliegt.
Jedes Ventil 12, 14 weist einen Verschlusskörper 20, eine den Verschlusskörper 20 haltende Membran 22 sowie eine mit dem Verschlusskörper 20 und der Membran 22 gebildete Ventilkammer 24 auf und in jedes Ventilgehäuse 16 ragt ein Ende eines mittels des Verschlusskörpers 20 verschließbaren Leitungsstücks hinein, dessen Ende als Krater 26 bezeichnet wird. Diese Teile sind in der Darstellung der beiden Ventile 12, 14 in 1 im Interesse einer besseren Übersicht jeweils nur bei einem der beiden Ventile 12, 14 bezeichnet.
Das Ventilgehäuse 16 des Exspirationsventils 12 ist entweder - wie gezeigt - zur Umgebung offen oder an das Exspirationsventil 12 ist ein zur Umgebung offenes Leitungsstück angeschlossen. Das Inspirationsventil 14 ist an eine Druckquelle 30, insbesondere eine Mitteldruckquelle, zum Beispiel eine Gasflasche, angeschlossen. Die Druckquelle 30 liefert im Falle einer als Mitteldruckquelle fungierenden Gasflasche zum Beispiel einen Druck von 500 mbar. Ein Ende (Krater 26) eines direkt oder indirekt von der Druckquelle 30 in das Ventilgehäuse 16 des Inspirationsventils 14 führenden Leitungsstücks ist mittels des Verschlusskörpers 20 des Inspirationsventils 14 verschließbar. Wenn das Inspirationsventil 14 öffnet, wenn also dessen Verschlusskörper 20 den Krater 26 freigibt, gelangt Gas aus der Druckquelle 30 in einen Luftweg 32 im Innern des Beatmungsgeräts 10.
Der Luftweg 32 hat in einer bei einer Beatmung eines Patienten üblichen Art und Weise die Form eines „Y“ und damit drei „Enden“. An einem ersten Ende befindet sich das Exspirationsventil 12. An einem zweiten Ende befindet sich das Inspirationsventil 14. Ein drittes Ende führt zum Patienten und dort zum Beispiel zu einer vom Patienten getragenen Atemmaske 34, einem Endotrachealtubus oder dergleichen (Patientenschnittstelle).
Bei offenem Inspirationsventil 14 und geschlossenem Exspirationsventil 12 gelangt von der Druckquelle 30 stammendes Gas über den Luftweg 32 im Innern des Beatmungsgeräts 10 zum Patienten (Inspiration; inspiratorische Phase). Wenn das Inspirationsventil 14 geschlossen und das Exspirationsventil 12 offen ist, findet ein Druckausgleich von der Patientenlunge zur Umgebung statt (Exspiration; exspiratorische Phase).
Diese Funktion des Beatmungsgeräts 10 sowie die Funktion der Ventile 12, 14 sind grundsätzlich bekannt. Die Besonderheit des hier vorgeschlagenen Beatmungsgeräts 10 besteht im Ventilantrieb 18 der Ventile 12, 14.
Jeder Ventilantrieb 18 umfasst eine Mehrzahl von im Folgenden kurz als Piezopumpen 40, 42 bezeichneten Pumpvorrichtungen, die auch als „Mikropumpen“ aufgefasst werden können. Solche Piezopumpen 40, 42 und deren Verwendung als Ventilantrieb 18 sind ebenfalls grundsätzlich an sich bekannt und zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen in der hier vorgelegten Beschreibung wird auf die älteren Anmeldungen der Anmelderin mit den amtlichen Aktenzeichen 10 2016 009 833.3 (Anmeldetag: 15.08.2016) sowie 10 2017 009 606.6 (Anmeldetag: 18.02.2016) verwiesen, die hiermit mit ihrem vollständigen Offenbarungsgehalt als in die hier vorgelegte Beschreibung einbezogen gelten sollen. Mit solchen Piezopumpen 40, 42 ergibt sich ein miniaturisierter Ventilantrieb 18 und insgesamt ein miniaturisiertes Ventil 12, 14. Ventile 12, 14 mit einem solchen Ventilantrieb 18 kommen deshalb speziell zur Verwendung bei einem mobilen Beatmungsgerät 10 der eingangs genannten Art in Betracht.
Die Darstellungen in 2 (2a, 2b) entsprechen den Darstellungen in 4a und 4b der oben zuletzt genannten älteren Anmeldung.
2 zeigt eine der Piezopumpen (Mikropumpen) 40 der 1 mit weiteren Details. Danach weist eine Piezopumpe 40 eine erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 und eine zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 auf, die durch einen Zwei-Wege-Kanal 106 verbunden sind. Aufgrund des Zwei-Wege-Kanals 106 ist jede Piezopumpe 40 durchströmbar und zwar in zwei Richtungen, nämlich zum einen von der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 zur zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 und zum anderen von der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 zur ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 (bidirektional durchströmbar).
Der Zwei-Wege-Kanal 106 verläuft zwischen einem Außengehäuse 108 und einem Innengehäuse 110 der Piezopumpe 40. Die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 ist im Außengehäuse 108 gebildet. Die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 ergibt sich aufgrund eines Abstands zwischen einem Rand des Außengehäuses 108 und dem angrenzenden Innengehäuse 110. Das Innengehäuse 110 ist mittels einer Abdeckplatte 112 verschlossen.
In dem Zwei-Wege-Kanal 106 ist im Innengehäuse 110 eine Pumpöffnung 114 angeordnet, die den Zwei-Wege-Kanal 106 mit einer Pumpenkammer 116 verbindet. In der Pumpenkammer 116 sind ein Piezoelement 118 und ein Pumpenmembranelement 120 angeordnet. Das Pumpenmembranelement 120 ist einerseits mit dem Piezoelement 118 und andererseits - über flexible Verbindungselemente 122 - mit dem Innengehäuse 110 verbunden. Das Piezoelement 118 wird mittels eines Wechselspannungsgenerators 124 in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise mit alternierenden elektrischen Spannungen beaufschlagt. Diese bewirken eine spannungsinduzierte Verformung des Piezoelements 118 und diese Verformung führt zu einer gesteuerten Schwingung des Pumpenmembranelements 120. Aufgrund einer mittels des Wechselspannungsgenerators 124 abgegebenen hochfrequenten Wechselspannung schwingt das Pumpenmembranelement 120 in der Pumpenkammer 116 mit hoher Frequenz und im Ergebnis werden durch die resultierende Volumenänderung der Pumpenkammer 116 Pumpstöße erzeugt (Funktion der Piezopumpe 40 als Hochfrequenzpumpe). Diese Pumpstöße können durch die Pumpöffnung 114 in den Zwei-Wege-Kanal 106 hinein wirken und bewirken eine Strömung eines jeweiligen Fluids, zum Beispiel Umgebungsluft, durch die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104.
Die Strömung durch die Pumpöffnung 114, die aus der Pumpenkammer 116 hinaus gerichtet ist, ist auf die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 gerichtet. Ein Pumpstoß durch die Pumpöffnung 114, der durch eine Verkleinerung des Volumens der Pumpenkammer 116 erzeugt wird, ist also direkt auf die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 gerichtet. In diesem Fall reißt die Strömung zwischen der Pumpöffnung 114 und der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 das Fluid im Zwei-Wege-Kanal 106 mit, sodass eine Strömung von der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 zur zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 erzeugt wird.
Bei einer Vergrößerung des Volumens der Pumpenkammer 116 wird das Fluid dagegen aus dem Zwei-Wege-Kanal 106 und durch die Pumpöffnung 114 in die Pumpenkammer 116 gesogen. Die Pumpöffnung 114 ist so weit von der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 entfernt angeordnet, dass dabei nur ein geringer Anteil an Fluid durch die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 in den Zwei-Wege-Kanal 106 und schließlich durch die Pumpöffnung 114 in die Pumpenkammer 116 fließt. Der größere Teil des Fluids wird über die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 in den Zwei-Wege-Kanal 106 und schließlich durch die Pumpöffnung 114 in die Pumpenkammer 116 gesaugt. Das so angesaugte Volumen kann mit einem anschließenden Pumpstoß wieder in Richtung auf die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 ausgestoßen werden, wobei dies die oben beschriebene Strömung von der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 zur zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 bewirkt.
Mittels solcher Pumpstöße, die von der Piezopumpe 40 mit derjenigen Frequenz abgegeben werden, mit der das Piezoelement 118 mittels des Wechselspannungsgenerators 124 angesteuert wird, wird zum Bewegen des Verschlusskörpers 20 (1) desjenigen Ventils 12, 14 (1), in dem die Piezopumpe 40 als Teil des Ventilantriebs 18 fungiert, die Ventilkammer 24 mit dem mittels der Piezopumpe 40 angesaugten Gas, insbesondere Umgebungsluft, gefüllt, so dass eine Bewegung des Verschlusskörpers 20 resultiert. Durch eine entsprechende Anzahl von Pumpstößen kann der Verschlusskörper 20 so weit bewegt werden, dass dieser an den Krater 26 des im Ventilgehäuse 16 mündenden Leitungsstücks gepresst wird. Die Anzahl der Pumpstöße und das damit in die Ventilkammer 24 gepumpte Gasvolumen bestimmt auch einen Druck im Innern der Ventilkammer 24 und damit einen Druck, mit dem der Krater 26 mittels des Verschlusskörpers 20 zugehalten wird. Die Anzahl der Pumpstöße pro Zeiteinheit sowie die Amplitude der Pumpstöße ist mittels einer entsprechenden Ansteuerung des Wechselspannungsgenerators 124 vorgebbar. Durch eine jeweilige Ansteuerung des Wechselspannungsgenerators 124 sind also einerseits die Geschwindigkeit der Bewegung des Verschlusskörpers 20 (zum Krater 26 oder von Krater 26 weg) sowie andererseits die im Innern der Ventilkammer 24 auf den Verschlusskörper 20 wirkende Kraft (jeweils in bestimmten Grenzen) vorgebbar.
Wenn hier und im Folgenden von einem mittels einer Piezopumpe 40 geförderten oder gepumpten Gas die Rede ist, handelt es sich bei dem Gas bevorzugt um Umgebungsluft. Grundsätzlich kommt anstelle eines Gases auch jedes andere fließfähige Medium (Fluid) in Betracht.
Wenn die Piezopumpe 40 ausgeschaltet ist, ist in dem Zwei-Wege-Kanal 106 keine gerichtete Strömung vorhanden. Vielmehr besteht dann zwischen der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 und der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 ein freier Strömungsweg durch den Zwei-Wege-Kanal 106. Eine Strömung durch den Zwei-Wege-Kanal 106 kann in beide Richtungen gerichtet sein (bidirektional durchströmbar). Es kann somit zwischen der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 und der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 ein Druckausgleich stattfinden. Daher wird kein Entlastungsventil oder dergleichen benötigt.
Die Darstellung in 3 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der detaillierten Darstellung einer Piezopumpe 40 in 2 und der schematischen Darstellung der Piezopumpen 40 in 1.
Dazu ist in 3 eine Piezopumpe 40 in der Form gezeigt, wie sie symbolisch in 1 dargestellt ist, allerdings hier noch zusätzlich, wenngleich funktional unerheblich, mit einer zu der Darstellung der Piezopumpe 40 in 2 „passenden“ Breite. Die symbolische Darstellung umfasst ersichtlich ein Rechteck und ein mit seiner Basis an das Rechteck angrenzendes Dreieck. Das Rechteck stellt die Piezopumpe 40 mit den in 2 erläuterten Einzelheiten dar. Das Dreieck stellt die Wirkrichtung der Piezopumpe 40 dar und weist in Richtung der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104 der Piezopumpe 40. Das Dreieck symbolisiert damit gewissermaßen eine Richtung des „Ausgangs“ der Piezopumpe 40. Bei der in 3 gezeigten Situation weist das Dreieck in Richtung auf die Ventilkammer 24 eines Ventilgehäuses 16. Dies bedeutet, dass der mittels der Piezopumpe 40 erzeugte Volumenstrom zur Ventilkammer 24 hin gerichtet ist und dass beim Betrieb der Piezopumpe 40 der resultierende Volumenstrom oder zumindest ein Teil des resultierenden Volumenstroms in die Ventilkammer 24 gelangt. Die Piezopumpe 40 schließt dafür direkt oder indirekt mit ihrem Außengehäuse 108 in geeigneter Form an das Ventilgehäuse 16 an, sodass sich ein definierter Strömungsweg vom Ausgang der Piezopumpe 40 (zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 104) zur Ventilkammer 24 ergibt. Zur Veranschaulichung dieses Anschlusses ist in der Darstellung in 3 exemplarisch das Außengehäuse 108 der Piezopumpe 40 in einer an das Pumpengehäuse 16 und dort an die Ventilkammer 24 anschließenden Form gezeigt (bei der Darstellung in 1 umfasst das Rechteck auch das dort nicht gezeigte Außengehäuse 108). Bei der Darstellung in 3 ist das Außengehäuse 108 darüber hinaus in einer Form gezeigt, bei der das Außengehäuse 108 im Bereich der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 102 einen Anschluss einer weiteren Piezopumpe 40, nämlich einen Anschluss eines Außengehäuses 108 einer weiteren Piezopumpe 40, erlaubt.
Die Darstellung in 4a zeigt auf Basis der Darstellung in 3 mit der dort erläuterten symbolischen Darstellung einer Piezopumpe 40 eine Ventilanordnung 12, 14, die als Exspirationsventil 12 oder als Inspirationsventil 14 in Betracht kommt, und mit einer von dem Ventilantrieb 18 umfassten Mehrzahl von Piezopumpen 40, 42, so wie dies bereits in 1 gezeigt war. Die von dem Ventilantrieb 18 umfassten Piezopumpen 40, 42 sind mittels ihrer Außengehäuse 108 fluidisch kommunizierend miteinander verbunden (also jeweils im Bereich der Zwei-Wege-Durchlassöffnungen 102, 104 miteinander verbunden), wobei zwischen dem Außengehäuse 108 einer Piezopumpe 40, 42 und dem Außengehäuse 108 einer im Ventilantrieb 18 anschließenden Piezopumpe 40, 42 zum Beispiel auch mittels zumindest eines Leitungsstücks die Verbindung zwischen einem Außengehäuse 108 und einem im Ventilantrieb 18 anschließenden Außengehäuse 108 hergestellt sein kann.
Die Darstellung in 4b zeigt daneben dieselbe Ventilanordnung 12, 14 ohne die Außengehäuse 108 der Piezopumpen 40 und ohne eventuelle Leitungsstücke zwischen einzelnen im Ventilantrieb 18 aufeinanderfolgenden Piezopumpen 40, 42. Die Darstellung in 4b umfasst sowohl dieselbe Anzahl von Piezopumpen 40, 42 wie die Darstellung in 4a als auch Piezopumpen 40, 42 in derselben Wirkrichtung wie in der Darstellung in 4a. Die Darstellung des Ventilantriebs 18 in 4b entspricht im Wesentlichen der Darstellung des Ventilantriebs 18 in 1. Damit ist der Zusammenhang zwischen der (schematisch stark vereinfachten) Darstellung in 1, wo die Piezopumpen 40, 42 ebenfalls nur symbolisch in Form eines Rechtecks und eines mit seiner Basis an das Rechteck anschließenden Dreiecks und ohne Außengehäuse 108 und eventuelle Verbindungselemente in Form von Leitungsstücken oder dergleichen gezeigt sind, und der detaillierten Darstellung des Ventilantriebs 18 in 4a sowie der detaillierten Darstellung der Piezopumpen 40, 42 in 2 hergestellt.
In der Darstellung in 4 (4a, 4b) ist eine Situation gezeigt, bei welcher der Ventilantrieb 18 exemplarisch drei oder mehr Piezopumpen 40, 42 umfasst. Die mittels des Dreiecks bei der symbolischen Darstellung der Piezopumpen 40, 42 veranschaulichte Wirkrichtung der Piezopumpen 40, 42 ist bei zumindest zwei Piezopumpen 40 zur Ventilkammer 24 hin gerichtet. Bei zumindest einer Piezopumpe 42 ist die Wirkrichtung umgekehrt. Deren Wirkrichtung ist also von der Ventilkammer 24 weg gerichtet. Diese Piezopumpe 42 mit „umgekehrter Wirkrichtung“ wird zur Unterscheidung als inverse Piezopumpe 42 bezeichnet, wobei sich „invers“ lediglich auf die Wirkrichtung bezieht. Die vorangehende Beschreibung der Funktion einer Piezopumpe 40 gilt genauso für eine inverse Piezopumpe 42, denn der Unterschied besteht lediglich in der Wirkrichtung, also gewissermaßen in der „Einbaurichtung“. Eine Piezopumpe 40 mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer 24 hin wird zur Unterscheidung von einer inversen Piezopumpe 42 als reguläre Piezopumpe 40 bezeichnet.
Der Hinweis auf die grundsätzliche Gleichheit einer regulären Piezopumpe 40 und einer inversen Piezopumpe 42 bezieht sich nur auf deren Funktionalität und nicht auf Dimensionen oder dergleichen. Dasselbe gilt generell für alle vom Ventilantrieb 18 umfassten Piezopumpen 40, 42. Alle Piezopumpen 40, 42 eines Ventilantriebs 18 können jeweils dieselben Dimensionen aufweisen. Dies ist aber keine Notwendigkeit und einzelne Piezopumpen 40, 42 können größer dimensioniert sein als andere. Dies schließt auch mögliche Unterschiede im Spannungshub und/oder im Frequenzbereich des Wechselspannungsgenerators 124 ein.
Die Piezopumpen 40, 42 bilden innerhalb des Ventilantriebs 18 einen Strang. Dies ist möglich, weil jede einzelne Piezopumpe 40, 42 bidirektional durchströmbar ist. Damit ist auch der gesamte Strang bidirektional durchströmbar. Auf die Position der inversen Piezopumpe 42 entlang des Strangs kommt es demnach nicht an. Die inverse Piezopumpe 42 kann sich - wie gezeigt - „am Ende“ des Strangs (innerhalb des Strangs am weitesten von der Ventilkammer 24 entfernt), „am Anfang“ des Strangs oder innerhalb des Strangs befinden.
Anstelle eines Strangs mit einer seriellen Anordnung von Piezopumpen 40, 42 ist genauso auch eine parallele Anordnung möglich. Die Beschreibung wird auf Basis der Darstellungen am Beispiel einer seriellen Anordnung fortgesetzt. Eine parallele Anordnung ist stets mitzulesen.
Der Ventilantrieb 18 kann eine, zwei, drei, vier, fünf oder mehr reguläre Piezopumpen 40 sowie eine, zwei oder mehr inverse Piezopumpen 42 umfassen. Bevorzugt ist die Anzahl der vom Ventilantrieb 18 umfassten regulären Piezopumpen 40 größer als die Anzahl inverser Piezopumpen 42. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst der Ventilantrieb 18 genau eine inverse Piezopumpe 42 und mehrere reguläre Piezopumpen 40. Diese Konfiguration wird als „n+1-Konfiguration“ bezeichnet, wobei damit ausgedrückt werden soll, dass der Ventilantrieb 18 eine grundsätzlich beliebige Anzahl von regulären Piezopumpen 40 und zumindest eine inverse Piezopumpe 42 umfasst.
Die Wirkung und damit auch die Funktion der inversen Piezopumpe 42 im Ventilantrieb 18 kann kurz wie folgt beschrieben werden: Die mit ihrer Wirkrichtung zur Ventilkammer 24 hin orientierten regulären Piezopumpen 40 bewirken im aktivierten Zustand einen Volumenstrom in Richtung auf die Ventilkammer 24 und fördern im aktivierten Zustand Gas zur Ventilkammer 24 und zumindest zum Teil in die Ventilkammer 24 hinein. Die Wirkrichtung der inversen Piezopumpe 42 und der bei deren Aktivierung resultierende Volumenstrom (ggf. ein Teilvolumenstrom bei gleichzeitiger Aktivierung zumindest einer regulären Piezopumpe 40) ist genau umgekehrt. Eine inverse Piezopumpe 42 fördert im aktivierten Zustand Gas von der Ventilkammer 24 weg und damit zumindest zum Teil auch Gas aus der Ventilkammer 24 heraus. Eine inverse Piezopumpe 42 pumpt also Gas aus der Ventilkammer 24 heraus und bewirkt damit eine Verringerung des Volumens der Ventilkammer 24. Die oder jede reguläre Piezopumpe 40 pumpt dagegen Gas in die Ventilkammer 24 hinein und bewirkt damit eine Vergrößerung des Volumens der Ventilkammer 24. Die Verringerung oder Vergrößerung des Volumens der Ventilkammer 24 führt zu einer entsprechenden Verlagerung des Verschlusskörpers 20.
Die Verwendung zumindest einer zusätzlichen, durchströmbaren und im Vergleich zu den sonstigen, regulären Piezopumpen 40 des Ventilantriebs 18 invers orientierten Piezopumpe 42 (inverse Piezopumpe 42) ermöglicht damit eine erweiterte Einstellbarkeit des ventilkammerseitig (steuerseitig) auf den Verschlusskörper 20 wirkenden Drucks. Mittels einer oder mehrerer regulärer Piezopumpen 40 kann der ventilkammerseitige Druck auf den Verschlusskörper 20 erhöht werden (zum Schließen des Ventils 12, 14 und zum Geschlossenhalten des Ventils 12, 14). Mittels einer oder mehrerer inverser Piezopumpen 42 kann der ventilkammerseitige Druck auf den Verschlusskörper 20 verringert werden. Die Verringerung des Drucks auf den Verschlusskörper 20 kann bis in den negativen Bereich gehen, so dass mittels einer inversen Piezopumpe 42 der Verschlusskörper 20 aktiv zumindest vom Krater 26 im Innern des Ventilgehäuses 16 gelöst werden kann. Dieses aktive Lösen des Verschlusskörpers 20 vom Krater 26 oder generell das aktive Zurückziehen des Verschlusskörpers 20 weg vom Krater 26 ist sogar ohne einen auf den Verschlusskörpers 20 wirkenden Gegendruck im Luftweg 32 im Innern des Beatmungsgeräts 10 möglich. Dies bedeutet, dass der Verschlusskörper 20 aktiv in Stellungen gefahren werden kann (zum Beispiel für eine maximale Öffnung des Ventils 12, 14), für die ansonsten eine Strömung durch das Ventil 12, 14 nötig wäre.
Die Darstellung in 5 (5a, 5b) zeigt nunmehr auf Basis der Darstellung in 1 und ohne sämtliche Bezugsziffern aus 1 den Gasstrom im Luftweg 32 im Innern des Beatmungsgeräts 10, und zwar einerseits (5a) von der Druckquelle 30 über das geöffnete Inspirationsventil 14 zum Patienten hin, zum Beispiel zu einer vom Patienten getragenen Atemmaske 34, und andererseits (5b) vom Patienten über das geöffnete Exspirationsventil 12 zur Umgebung oder zu einer Drucksenke.
Die Darstellung in 5a zeigt eine Momentaufnahme der Stellungen der Ventile 12, 14 während der inspiratorischen Phase (Inspirationsventil 14 offen; Exspirationsventil 12 geschlossen). Die Darstellung in 5b zeigt eine Momentaufnahme der Stellungen der Ventile 12, 14 während der exspiratorischen Phase (Exspirationsventil 12 offen; Inspirationsventil 14 geschlossen). Die sich dabei jeweils ergebenden Positionen des Verschlusskörpers 20 der Ventile 12, 14 werden mittels der jeweiligen Ventilantriebe 18 (1), also mit jeweils zumindest einer Piezopumpe 40 (1, 2), eingestellt.
Die Besonderheit des Ventilantriebs 18 des hier vorgeschlagenen Beatmungsgeräts 10 besteht darin, dass der Ventilantrieb 18 - der Ventilantrieb 18 des oder jedes Exspirationsventils 12 und/oder der Ventilantrieb 18 des oder jedes Inspirationsventils 14 - eine Mehrzahl von Piezopumpen 40, 42 umfasst und darunter zumindest eine inverse Piezopumpe 42 aufweist, wie dies beispielhaft in 1 und 4 gezeigt ist.
Beim Beginn einer jeden exspiratorischen Phase wird beim Ausatmen des Patienten das Exspirationsventil 12 geöffnet. Bisher - also zum Beispiel bei einem Ventilantrieb 18 mit genau einer regulären Piezopumpe 40 oder mit mehreren derartigen Piezopumpen 40 - erfolgt das Öffnen des Exspirationsventils 12 „passiv“ aufgrund des Druckunterschieds zwischen der Patientenlunge und der Umgebung. Der Druck in der Patientenlunge ist aufgrund der vorangehenden inspiratorischen Phase gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht. Die resultierende Druckdifferenz reicht bei deaktiviertem Ventilantrieb 18 des Exspirationsventils 12 aus, um das Exspirationsventil 12 zu öffnen, also dessen Verschlusskörper 20 vom Krater 26 des im Ventilgehäuse 16 des Exspirationsventils 12 endenden Luftwegs 32 im Innern Beatmungsgeräts 10 zu lösen. Aufgrund des deaktivierten Ventilantriebs 18 und damit ohne ventilkammerseitige (steuerseitige) Kraftwirkung auf den Verschlusskörper 20 und gegen den Lungendruck kann bei einem solchen Öffnen des Exspirationsventils 12 von einem passiven Öffnen des Exspirationsventils 12 gesprochen werden.
Dieses passive Öffnen des Exspirationsventils 12 wird vom Patienten mitunter als unangenehm empfunden und erfordert, dass der Patient mit einer entsprechenden Kraft gegen das Exspirationsventil 12 ausatmet. Je nach dem von der Ventilkammer 24 eingeschlossenen Volumen, einem Hub des Verschlusskörpers 20 und einer Elastizität der Einfassung (Membran 22) des Verschlusskörpers 20 können einige Millibar zum Öffnen des Exspirationsventils notwendig sein.
Mittels zumindest einer inversen Piezopumpe 42 im Ventilantrieb 18 des Exspirationsventils 12 ist ein aktives Öffnen des Exspirationsventils 12 möglich. Ein aktiv geöffnetes Exspirationsventil 12 - genauer ein Durchströmungswiderstand eines aktiv geöffneten Exspirationsventils 12 - wird vom Patienten beim Ausatmen entweder gar nicht oder jedenfalls deutlich weniger als ein passiv öffnendes Exspirationsventil 12 wahrgenommen.
Im statischen Zustand (1) wird - solange keine weiteren Kräfte wirken - der Abstand zwischen dem Verschlusskörper 20 und dem Kraterrand 26 durch die flexible Membran 22 bestimmt, welche als Aufhängung des Verschlusskörpers 20 fungiert. Wird nun ein zu steuernder Volumenstrom (Flow) in Richtung auf den Verschlusskörper 20 durch den Krater 26 geleitet, so drückt dieser mittels eines sich aufbauenden Drucks den Verschlusskörper 20 vom Krater 26 weg, um eine größere Öffnung zu erzielen. Der resultierende Druck wird zur Unterscheidung von dem auch als Steuerdruck bezeichneten ventilkammerseitigen Druck als Staudruck bezeichnet. Der Staudruck wird gegen eine zur Verformung der Membran 22 notwendige Kraft aufgebaut (Gegenkraft). Diese ventilkammerseitige Gegenkraft und ein resultierender Gegendruck werden bei der Exspiration als Strömungswiderstand (Durchströmungswiderstand) des Exspirationsventils 12 wahrgenommen.
Während der Inspirationsphase soll das Exspirationsventil 12 geschlossen sein (5a) und dessen Verschlusskörper 20 soll den Krater 26 mit einem gewissen Druck/einer gewissen Kraft verschließen. Bei Beginn der Exspirationsphase wird das Exspirationsventil 12 geöffnet (5b) und gerade in den ersten Momenten der Exspiration ist ein besonders geringer Durchströmungswiderstand des Exspirationsventils 12 wünschenswert. Ein besonders geringer Durchströmungswiderstand des Exspirationsventils 12 führt dazu, dass der Patient in diesen ersten Momenten der Exspirationsphase besonders leicht ein gewisses Volumen ausatmen kann.
Weiter oben war erläutert worden, dass mittels einer oder mehrerer inverser Piezopumpen 42 der ventilkammerseitige Druck auf den Verschlusskörper 20 verringert werden kann. Dies bedeutet, dass der Druck an der Steuerseite des Verschlusskörpers 20 nicht nur passiv (durch das Ausatmen des Patienten), sondern auch aktiv (durch Aktivierung der mindestens einen inversen Piezopumpe 42) entlastet werden kann. Damit kann der Verschlusskörper 20 aktiv in Stellungen gefahren werden, für die ansonsten eine (zum Beispiel beim Ausatmen resultierende und) gegen den Verschlusskörper 20 gerichtete Strömung durch Exspirationsventil 12 nötig wäre. Dieses aktive Öffnen des Exspirationsventils 12 bewirkt eine deutliche Reduktion des Durchströmungswiderstands des Exspirationsventils 12.
Die Darstellung in 6 zeigt nunmehr - basierend auf der Darstellung in 4b - eine als Exspirationsventil 12 fungierende Ventilanordnung mit genau fünf Piezopumpen 40, 42, nämlich vier regulären Piezopumpen 40 und einer inversen Piezopumpe 42. Dies ist eine n+1-Konfiguration wie oben beschrieben. Auch wenn hier eine Konfiguration mit genau fünf Piezopumpen 40, 42 (4 + 1) gezeigt ist, kommen auch andere Konfigurationen mit mehr oder weniger regulären Piezopumpen 40 und/oder mehr inversen Piezopumpen 42 in Betracht.
Zur Ansteuerung der Piezopumpen 40, 42 sind Steuerungseinheiten 44 vorgesehen und schematisch vereinfacht gezeigt. Zur Unterscheidung und zur leichteren Referenzierung sind die Steuerungseinheiten 44 symbolisch mit den Buchstaben „A“, „B“ und „C“ bezeichnet. Bei der gezeigten Situation steuert jeweils eine Steuerungseinheit 44 zwei reguläre Piezopumpen 40 an (Steuerungseinheit „A“, Steuerungseinheit „B“). Eine weitere Steuerungseinheit 44 (Steuerungseinheit „C“) steuert die inverse Piezopumpe 42 an. Die Steuerungseinheiten 44 können räumlich und/oder funktional zu einer Steuerungseinrichtung 46 zusammengefasst sein.
Ein in der Darstellung in 6 mittels eines ausgehend von der Steuerungseinheit 44 zu einer Piezopumpe 40, 42 weisenden Pfeils gezeigtes Steuersignal der Steuerungseinheit 44 ist ein Ausgangssignal eines von der jeweiligen Steuerungseinheit 44 umfassten Signalgenerators, insbesondere eines Signalgenerators in Form eines Wechselspannungsgenerators 124 (2). Das Steuersignal wirkt auf das jeweilige Piezoelement 118 der Piezopumpe 40, 42. Die beiden zur Ansteuerung jeweils zweier Piezopumpen 40 vorgesehenen Steuerungseinheiten 44 umfassen (nicht gezeigt) jeweils zwei voneinander unabhängige Signalgeneratoren zur unabhängigen Ansteuerung der beiden Piezopumpen 40. Grundsätzlich ist auch eine Ansteuerung mehrerer Piezopumpen 40 mittels einer Steuerungseinheit 44 und genau eines davon umfassten Signalgenerators möglich. Dann können allerdings die Piezoelemente 118 der einer Steuerungseinheit 44 zugeordneten Piezopumpen 40 nicht unabhängig voneinander angesteuert werden, also nicht mit unterschiedlichen Frequenzen und/oder unterschiedlichen Amplituden angesteuert werden.
Mittels jeder Piezopumpe 40, 42 kann zum Beispiel ein Druck von 25 mbar aufgebracht werden. Aufgrund des strangförmigen Zusammenschlusses (serielle Anordnung) der Piezopumpen 40, 42 innerhalb des Ventilantriebs 18 addieren sich die jeweils erzeugten Drücke und die resultierende Summe wirkt in der Ventilkammer 24 und auf den Verschlusskörper 20 (eine solche Addition ergibt sich genauso bei einer parallelen Anordnung). Ein mittels einer regulären Piezopumpe 40 aufgebrachter Druck wirkt druckerhöhend. Ein mittels der inversen Piezopumpe 42 aufgebrachter Druck wirkt drucksenkend. Wenn jede der Piezopumpen 40, 42 einen symbolisch mit p bezeichneten Druck erzeugen kann, kann mittels eines Zusammenschlusses von vier regulären Piezopumpen 40 sowie einer inversen Piezopumpe 42 der Steuerdruck in der Ventilkammer 24 in einem Bereich von -p bis Umgebungsdruck und bis +4p ( [-p .. 4p]) eingestellt werden. Bei einem mittels jeder Piezopumpe 40, 42 aufbringbaren Druck von p=25 mbar resultiert entsprechend ein Steuerdruckbereich von - 25 mbar bis +100 mbar.
Der aufgrund zumindest einer von dem Ventilantrieb 18 umfassten inversen Piezopumpe 42 resultierende Steuerdruckbereich kann dafür genutzt werden, um

- den Verschlusskörper 20 aktiv gegen den Krater 26 zu pressen (der Ventilantrieb 18 erzeugt einen hohen positiven Steuerdruck; das Ventil 12, 14 schließt),
- das Ventil 12, 14 passiv zu öffnen (alle Piezopumpen 40, 42 des Ventilantriebs 18 sind deaktiviert; der Ventilantrieb 18 erzeugt keinen Steuerdruck; die Position des Verschlusskörpers 20 ergibt sich aufgrund der Ruhelage der Membran 22) oder
- den Verschlusskörper 20 aktiv vom Krater 26 wegzuziehen (der Ventilantrieb 18 erzeugt einen negativen Steuerdruck; das Ventil 12, 14 öffnet über eine durch die Ruhelage der Membran 22 bestimmte Position hinaus).

Beim passiven Öffnen des Ventils 12, 14 (Ventilantrieb 18 deaktiviert) resultiert ein „normaler“ Durchströmungswiderstand. Beim aktiven Öffnen des Ventils 12, 14 (Ventilantrieb 18 erzeugt negativen Steuerdruck) resultiert ein im Vergleich zum „normalen“ Durchströmungswiderstand reduzierter Durchströmungswiderstand.
Die Darstellung in 7 zeigt eine Ausnutzung der additiven Kombination der mittels der vom Ventilantrieb 18 umfassten Piezopumpen 40, 42 erzeugten Drücke während zweier aufeinanderfolgender Atmungszyklen mit jeweils einer inspiratorischen Phase und einer anschließenden exspiratorischen Phase. Von oben nach unten sind jeweils über der Zeit t als Säulen exemplarisch einzelne Druckwerte dargestellt.
Ganz oben sind Sollwerte für den mittels des Ventilantriebs 18 beeinflussbaren Steuerdruck (ventilkammerseitiger Druck) des Exspirationsventils 12 gezeigt. Während der Inspiration / inspiratorischen Phase (symbolisch mit dem Großbuchstaben „I“ bezeichnet) soll das Exspirationsventil 12 geschlossen sein und wird mit einem Steuerdruck in Höhe von 25 mbar „zugehalten“. Während der Exspiration / exspiratorischen Phase (symbolisch mit dem Großbuchstaben „E“ bezeichnet) soll das Exspirationsventil 12 zumindest zum Teil geöffnet sein, allerdings zum Erhalt eines sogenannten positiven endexspiratorischen Drucks (PEEP) nicht ganz geöffnet sein, sodass ein Steuerdruck von 5 mbar vorgesehen ist.
In den drei darunter anschließenden Abschnitten der Darstellung in 7 ist gezeigt, wie dieser Steuerdruck durch Ansteuerung der von dem Ventilantrieb 18 umfassten Piezopumpen 40, 42 erzeugt wird. Dafür sind die drei weiteren Zeitstrahlen entsprechend der symbolischen Bezeichnung der drei Steuerungseinheiten 44 in 6 mit den Großbuchstaben „A“, „B“ und „C“ bezeichnet. Die über dem mit „A“ bezeichneten Zeitstrahl dargestellten Druckwerte sind also Sollwerte für die mittels der symbolisch mit „A“ bezeichneten Steuerungseinheit 44 angesteuerten Piezopumpen 40. Die über dem mit „B“ bezeichneten Zeitstrahl dargestellten Druckwerte sind entsprechend Sollwerte für die mittels der symbolisch mit „B“ bezeichneten Steuerungseinheit 44 angesteuerten Piezopumpen 40 und die über dem mit „C“ bezeichneten Zeitstrahl dargestellten Druckwerte sind Sollwerte für die mittels der symbolisch mit „C“ bezeichneten Steuerungseinheit 44 angesteuerte inverse Piezopumpe 42.
Indem während einer inspiratorischen Phase („I“) die beiden der symbolisch mit „A“ bezeichneten Steuerungseinheit 44 zugeordneten regulären Piezopumpen 40 sowie die beiden der symbolisch mit „B“ bezeichneten Steuerungseinheit 44 zugeordneten regulären Piezopumpen 40 jeweils Drücke von 15 mbar bzw. 10 mbar erzeugen, ergibt sich insgesamt ein Steuerdruck von 25 mbar in der Ventilkammer 24. Während der exspiratorischen Phase („E“) ist ein geringerer Steuerdruck von 5 mbar erforderlich. In der Darstellung wird dabei zunächst das Ende der exspiratorischen Phase betrachtet. Dort werden die beiden der symbolisch mit „A“ bezeichneten Steuerungseinheit 44 zugeordneten regulären Piezopumpen 40 zur Erzeugung eines Drucks in Höhe von 15 mbar angesteuert. Des Weiteren wird mittels der symbolisch mit „C“ bezeichneten Steuerungseinheit 44 die inverse Piezopumpe 42 angesteuert. Aufgrund dieser Ansteuerung wird mittels der inversen Piezopumpe 42 ein negativer Druck erzeugt, nämlich ein Druck von -10 mbar. In Summe ergibt sich in der Ventilkammer 24 ein entsprechend dem Sollwert gewünschter Steuerdruck von 5 mbar. Zu Beginn der exspiratorischen Phase wird dagegen der eigentlich vorgesehene Sollwert vom 5 mbar zum Erhalt eines möglichst geringen Durchströmungswiderstands des Exspirationsventils 12 beabsichtigt unterschritten. In 7 ist dies in Form einer zeitweisen Ansteuerung, insbesondere einer maximalen Ansteuerung (zum Erhalt des maximal von der inversen Piezopumpe 42 aufbringbaren Drucks), nur der inversen Piezopumpe 42 mittels der symbolischen mit „C“ bezeichneten Steuerungseinheit 44 zum Erhalt eines Drucks von -25 mbar gezeigt.
Bezüglich der Ansteuerung der vom Ventilantrieb 18 umfassten Piezopumpen 40, 42 ist die exspiratorische Phase demnach in einen anfänglichen Abschnitt 50 und einen abschließenden Abschnitt 52 unterteilt. Zumindest während des im Folgenden auch als aktive Phase 50 bezeichneten anfänglichen Abschnitts 50 findet zum Erhalt eines möglichst geringen Durchströmungswiderstands des Exspirationsventils 12 durch eine entsprechende Ansteuerung der zumindest einen von dem Ventilantrieb 18 umfassten inversen Piezopumpe 42 ein aktives Öffnen des Exspirationsventils 12 statt.
In der Darstellung in 8 ist dazu über den soeben erläuterten, mittels der von den Piezopumpen 40, 42 des Ventilantriebs 18 des Exspirationsventils 12 erzeugten Einzeldrücken der resultierende Volumenstrom Q dargestellt. Erkennbar resultiert während der aktiven Phase 50 (während des anfänglichen Abschnitts 50) aufgrund des aktiven Öffnens des Exspirationsventils 12 beim Beginn der exspiratorischen Phase ein hoher negativer Volumenstrom Q aus der Patientenlunge heraus, sodass sich im Ergebnis für den Patienten ein besonders einfacher Ausatemvorgang ergibt.
In den Darstellungen in 7 und 8 ist erkennbar, dass das aktive Öffnen des Exspirationsventils 12 nur zu Anfang der exspiratorischen Phase gegeben ist, nämlich während der aktiven Phase 50 (während des anfänglichen Abschnitts 50 der exspiratorischen Phase). Die Dauer der aktiven Phase 50 ist zum Beispiel als Bruchteil der Gesamtdauer der exspiratorischen Phase vorgegeben, kann aber auch - wie weiter unten separat beschrieben - von einem Messwert abhängig sein.
Die Dauer der aktiven Phase 50 ist optional auch veränderbar, zum Beispiel für einen Arzt oder ausreichend medizinisch qualifiziertes Personal. Dann ist die Dauer der aktiven Phase 50 ein veränderbarer, den Betrieb des Beatmungsgeräts 10 bestimmender Parameter. Die jeweilige Dauer der aktiven Phase 50 bestimmt mit der Gesamtdauer der exspiratorischen Phase (Gesamtdauer minus Dauer der aktiven Phase 50) die Zeitspanne, während derer zum Ende der exspiratorischen Phase (und während des abschließenden Abschnitts 52) eine Ansteuerung der von dem Ventilantrieb 18 des Exspirationsventils 12 umfassten Piezopumpen 40, 42 zur Gewährleistung des positiven endexspiratorischen Drucks erfolgt.
Mittels eines dem Exspirationsventil 12 räumlich zugeordneten Drucksensors 54 (9) kann während der Exspiration der Verlauf des Atemwegsdrucks p_AW , nämlich der Verlauf eines entsprechenden, von dem Drucksensor 54 erhältlichen Messwerts, überwacht werden. Sobald der Atemwegsdruck p_AW einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert unterschreitet, zum Beispiel den als PEEP vorgesehenen Druckwert (hier exemplarisch 5 mbar; siehe 7, 8), kann eine messwertspezifische Umschaltung zwischen der aktiven Phase 50 und dem abschließenden Abschnitt 52 erfolgen.
Die Darstellung in 9 zeigt insoweit das Exspirationsventil 12 aus 1 mit einem aus dem Luftweg 32 im Innern Beatmungsgeräts 10 ankommenden Volumenstrom (also vom Patienten ausgeatmete Atemluft) und einem Drucksensor 54 zur Erfassung des Atemwegsdrucks p_AW . Der Drucksensor 54 ist dem Exspirationsventil 12 räumlich zugeordnet (befindet sich im Exspirationsventil 12 oder nahe beim Exspirationsventil 12) und befindet sich in Richtung des Volumenstroms vor dem Exspirationsventil 12, zumindest vor dem Verschlusskörper 20 des Exspirationsventils 12 (stromaufwärts des Exspirationsventils 12 bzw. stromaufwärts des Verschlusskörpers 20 des Exspirationsventils 12).
Der Messwert des Drucksensors 54 kann optional nicht nur zur automatischen und sensorisch gesteuerten Beendigung der aktiven Phase 50 während der Exspiration, sondern zusätzlich oder alternativ auch zur Regelung auf einen positiven endexspiratorischen Druck verwendet werden. Dafür wird eine Differenz aus dem Atemwegsdruck p_AW als Messwert des Drucksensors 54 (Istwert) und einem während des abschließenden Abschnitts 52 der exspiratorischen Phase geltenden Sollwert für den Atemwegsdruck in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise einem nicht gezeigten Regler, zum Beispiel einem P-Regler, einem PI-Regler oder einem PID-Regler, zugeführt. Der Regler wirkt auf den Ventilantrieb 18 des Exspirationsventils 12, generiert also einen Stellwert für den Ventilantrieb 18. Der Regler korrigiert damit in Abhängigkeit von einem jeweils tatsächlichen Atemwegsdruck p_AW die Stellung des Verschlusskörpers 20, so dass sich so gut wie möglich der während des abschließenden Abschnitts 52 der exspiratorischen Phase geltende Sollwert für den Atemwegsdruck ergibt. Im Gegensatz zu einer reinen Steuerung der Stellung des Verschlusskörpers 20 durch eine entsprechende Ansteuerung des Ventilantriebs 18 können damit zum Beispiel alterungs- und/oder temperaturbedingte Einflüsse vor allem auf die Membran 22 kompensiert werden.
Allgemein ergibt sich die Stellung des Verschlusskörpers 20 eines Ventils 12, 14 aufgrund der Summe aller Kräfte, die auf den Verschlusskörper 20 wirken. Es addieren sich eine Staukraft Fs aufgrund eines ankommenden Volumenstroms, eine Rückstellkraft F_R und Gewichtskräfte F_G aufgrund der Masse des Verschlusskörpers 20 und der Masse von Teilen der Membran 22. Die Staukraft Fs (Fs = Δp × As) ergibt sich mit dem Druckunterschied Δp zwischen einem Druck p1 „vor“ dem Ventil 12, 14 und einem Druck p2 „hinter“ dem Ventil 12, 14 sowie mit einer der Staukraft ausgesetzten Fläche As des Verschlusskörpers 20. Die Gewichtskraft F_G kann bei unterschiedlichen Einbaulagen eines Ventils 12, 14 wie sie sich zum Beispiel bei einem transportablen Beatmungsgerät 10 ergeben können, unterschiedliche Richtungen einnehmen. Die Rückstellkraft F_R ergibt sich vor allem aus einem Kraft/Weg-Verlauf der Membran 22. Die Rückstellkraft F_R ist alterungs- und temperaturabhängig. Aufgrund der von der Einbaulage abhängigen Richtung der Wirkung der Gewichtskraft F_G sowie der zeit- und temperaturabhängigen Größe der Rückstellkraft F_R ist zum Ausgleich ansonsten resultierender Fehler bei der Positionierung des Verschlusskörpers 20 eine Regelung des Drucks, welcher mittels der vom Ventilantrieb 18 umfassten Piezopumpen 40, 42 erzeugten wird und auf den Verschlusskörper 20 des jeweiligen Ventils 12, 14 wirkt, in der oben skizzierten Art sinnvoll. Wenn nur die lageabhängige Wirkung der Gewichtskraft F_G betrachtet wird, kann der Verschlusskörper 20 bei deaktiviertem Ventilantrieb 18 ausgehend von dessen Nulllage aufgrund der Gewichtskraft in unterschiedliche Richtungen ausgelenkt werden, gewissermaßen in eine von der Nulllage ausgehende „positive“ Richtung oder in eine von der Nulllage ausgehende „negative“ Richtung, und es ergibt sich für die Position des Verschlusskörpers 20 ein statischer Fehler. Indem der Ventilantrieb 18 zumindest eine inverse Piezopumpe 42 umfasst, kann der Ventilantrieb 18 in beiden Richtungen einen statischen Fehler hinsichtlich der Position des Verschlusskörpers 20 ausgleichen.
Die Verwendung zumindest einer inversen Piezopumpe 42 innerhalb eines mehrere Piezopumpen 40, 42 umfassenden Ventilantriebs 18 hat zudem noch den Vorteil einer guten Einstellbarkeit einer Kennlinie 56 der jeweiligen Ventilanordnung 12, 14. Dazu zeigt die Darstellung in 10 ein Kennlinienfeld mit vier Kennlinien 56, wobei jede Kennlinie 56 zu einem Ventilantrieb 18 mit einer bestimmten Anzahl von regulären Piezopumpen 40 gehört. Die Kennlinien 56 gehören also zu einem Ventilantrieb 18 ohne eine inverse Piezopumpe 42. Die Kennlinien 56 gehören zu Ventilantrieben 18 mit genau einer regulären Piezopumpe 40, genau zwei regulären Piezopumpen 40, genau drei regulären Piezopumpen und genau vier regulären Piezopumpen 40 und die einzelnen Kennlinien 56 sind in der Darstellung zur Unterscheidung entsprechend mit „(1)“, „(2)“, „(3)“ und „(4)“ bezeichnet. Die Kennlinien 56 sind auf der Abszisse über einer Betriebsspannung U in Volt und auf der Ordinate über einem Druck p in Millibar aufgetragen, wobei als Betriebsspannung U die Amplitude des von dem Wechselspannungsgenerator 124 ausgegebenen Signals angesetzt ist. Mit einer Betriebsspannung unterhalb von 5 V ergibt sich kein nennenswerter resultierender Druck.
Die Darstellung in 11 zeigt ein Kennlinienfeld mit mehreren Kennlinien 56 für einen Ventilantrieb 18 mit derselben Anzahl von regulären Piezopumpen 40 wie in 10 und jeweils zusätzlich einer inversen Piezopumpe 42. Erkennbar ist damit jetzt durch eine entsprechende Betriebsspannung U auch eine gute Einstellung des resultierenden Drucks p um den Nullpunkt möglich. Dies ist vorteilhaft, weil gewünschte PEEP-Drücke sich meistens im unteren Millibar-Bereich zwischen 0 mbar und 10 mbar bewegen. Bei einem Ventilantrieb 18 ohne zumindest eine inverse Piezopumpe 42 hat dies zur Folge, dass in einem gekrümmten und stark exemplarabhängigen sowie temperaturabhängigen Bereich der Kennlinie 56 gearbeitet werden muss. Durch die Verwendung zumindest einer inversen Piezopumpe 42 im Ventilantrieb 18 können für kleine benötigte Steuerdrücke zum Beispiel die inverse Piezopumpe 42 und die reguläre Piezopumpe 40 oder mehrere reguläre oder inverse Piezopumpen 40, 42 jeweils in einem mittleren Bereich ihrer jeweiligen Kennlinie 56 arbeiten. Die resultierenden Steuerdrücke entsprechen dann der Differenz beider aktiv betriebenen Piezopumpen 40, 42.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei einer als Exspirationsventil 12 fungierenden Ventilanordnung 12, 14 mit einem Ventilantrieb 18 mit einer Mehrzahl von regulären Piezopumpen 40 und zumindest einer inversen Piezopumpe 42 während der Inspirationsphase ein Schließen des Ventils 12 auch gegen hohe Inspirationsdrücke (bis 100 mbar) gewährleistet werden kann, indem eine ausreichende Mehrzahl von regulären Piezopumpen 40 aktiviert wird. Ein Übergang aus der Inspirationsphase (geschlossen, hoher Gegendruck) in die Exspirationsphase (offen, geringer Widerstand, einstellbarer Gegendruck) soll schnell durchgeführt werden. Dafür wird das Exspirationsventil 12 durch zumindest kurzzeitige Aktivierung (aktive Phase 50) der zumindest einen inversen Piezopumpe 42 aktiv geöffnet. Durch eine zum Beispiel maximale oder annähernd maximale Aktivierung der zumindest einen inversen Piezopumpe 42 kann die Lageänderung des Verschlusskörpers 20 (weg vom Krater 26) und im Ergebnis das aktive Öffnen sehr schnell erfolgen, wobei die Geschwindigkeit des Öffnens von dem von der zumindest einen inversen Piezopumpe 42 aufbringbaren Druck abhängig ist und damit durch eine entsprechende Ansteuerung der zumindest einen inversen Piezopumpe 42 beeinflussbar ist. Anschließend (abschließender Abschnitt 52 der exspiratorischen Phase) soll auf einen einstellbaren niedrigen Gegendruck (PEEP) geregelt werden, wobei dafür die zumindest eine inverse Piezopumpe 42 und zumindest eine reguläre Piezopumpe 40 aktiv sind, um den gemeinsamen Betrieb der Piezopumpen 40, 42 in einem günstigen Bereich der jeweiligen Kennlinie 56 zu halten.
Die Darstellung in 12 zeigt eine als Inspirationsventil 14 fungierende Ventilanordnung 12, 14 mit einem von der Druckquelle 30 stammenden Volumenstrom, der bei geöffnetem Inspirationsventil 14 in den nur teilweise gezeigten Luftweg 32 im Innern des Beatmungsgeräts 10 (1) gelangt. Für eine Regelung der Position des Verschlusskörpers 20 einer als Inspirationsventil 14 fungierenden Ventilanordnung 12, 14 mit einem Ventilantrieb 18 mit einer Mehrzahl von regulären Piezopumpen 40 und zumindest einer inversen Piezopumpe 42 befindet sich ein dem Inspirationsventil 14 räumlich zugeordneter Drucksensor 58 für eine Erfassung eines Messwerts eines Atemwegsdrucks p_AW im Luftweg 32 im Innern des Beatmungsgeräts 10.
Die Regelung eines Inspirationsventils 14 erfolgt prinzipiell ebenso, wie dies weiter oben bereits für die Regelung eines Exspirationsventils 12 beschrieben worden ist. Bei der Regelung eines Inspirationsventils 14 auf einen gewünschten Atemwegsdruck während der Inspirationsphase wird eine Differenz aus dem Atemwegsdruck p_AW als Messwert des Drucksensors 58 (Istwert) und einem optional zeitabhängigen Sollwert für den Atemwegsdruck in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise einem nicht gezeigten Regler, zum Beispiel einem P-Regler, einem PI-Regler oder einem PID-Regler, zugeführt. Der Regler wirkt auf den Ventilantrieb 18 des Inspirationsventils 14 und generiert einen Stellwert für den Ventilantrieb 18. Der Regler korrigiert damit in Abhängigkeit von einem jeweils tatsächlichen Atemwegsdruck p_AW die Stellung des Verschlusskörpers 20 des Inspirationsventils 14, so dass sich so gut wie möglich der während der inspiratorischen Phase geltende Sollwert für den Atemwegsdruck ergibt. Im Gegensatz zu einer reinen Steuerung der Stellung des Verschlusskörpers 20 durch eine entsprechende Ansteuerung des Ventilantriebs 18 können damit auch hier zum Beispiel alterungs- und/oder temperaturbedingte Veränderungen der Membran 22 kompensiert werden. Darüber hinaus lässt sich mittels der Regelung bei einem zeitabhängigen und während der inspiratorischen Phase veränderlichen Sollwert für den Atemwegsdruck während der inspiratorischen Phase, zum Beispiel bei einer volumenkontrollierten Beatmung, eine sehr genaue Einhaltung eines gewünschten Verlaufs des Atemwegsdrucks gewährleisten.
Die Darstellung in 13 zeigt mehrere Beatmungszyklen mit jeweils aufeinanderfolgenden inspiratorischen Phasen („I“) und exspiratorischen Phasen („E“) und für die einzelnen Phasen jeweils den zeitlichen Verlauf eines Atemwegsdrucks p_AW (13, oben) sowie den zeitlichen Verlauf des resultierenden Volumenstroms Q (13, unten) aus dem Beatmungsgerät 10 zur Patientenlunge während der inspiratorischen Phase und aus der Patientenlunge zum Beatmungsgerät 10 und über das Exspirationsventil 12 aus dem Beatmungsgerät 10 hinaus während der exspiratorischen Phase. Der Atemwegsdruck p_AW schwankt zwischen einem jeweils mit gestrichelten horizontalen Linien eingezeichneten unteren und einem oberen Schwellwert. Der untere Schwellwert ergibt sich aufgrund des jeweils vorgesehenen positiven endexspiratorischen Drucks (PEEP). Der obere Schwellwert ist der Sollwert für den Atemwegsdruck p_AW während der inspiratorischen Phase. Der untere Schwellwert (PEEP) beträgt zum Beispiel 5 mbar. Der obere Schwellwert beträgt zum Beispiel 25 mbar.
Durch eine geregelte Ansteuerung des Ventilantriebs 18 des Inspirationsventils 14 und eine ebensolche geregelte Ansteuerung des Ventilantriebs 18 des Exspirationsventils 12 lässt sich während aufeinanderfolgender inspiratorischer und exspiratorischer Phasen der Atemwegsdruck zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert halten. Der Volumenstrom Q steigt bei Beginn einer exspiratorischen Phase zunächst sprunghaft stark an (aufgrund der großen Druckdifferenz zwischen dem Druckniveau der Druckquelle 30 und dem Druck im Luftweg 32 im Innern des Beatmungsgeräts 10 unmittelbar nach dem Öffnen des Inspirationsventils 14). Mit zunehmendem Druckausgleich und mit zunehmender Annäherung an den Sollwert für den Atemwegsdruck p_AW sinkt der Volumenstrom Q ausgehend von seinem Maximalwert wieder und bei einer Umschaltung zwischen einer inspiratorischen und einer anschließenden exspiratorischen Phase ergibt sich beim aktiven Öffnen des Exspirationsventils 12 ein hoher negativer Volumenstrom Q aufgrund des Druckausgleichs zwischen der Patientenlunge und der Umgebung, wobei das aktive Öffnen - wie beschrieben - den besonders hohen negativen Volumenstrom Q zu Beginn der exspiratorischen Phase zulässt und dem Patienten das Ausatmen erleichtert.
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben wird ein Beatmungsgerät 10, welches zumindest ein Exspirationsventil 12 und/oder zumindest ein Inspirationsventil 14 mit einem zur Beeinflussung einer Position eines Verschlusskörpers 20 des jeweiligen Ventils 12, 14 bestimmten Ventilantrieb 18 umfasst, wobei der Ventilantrieb 18 auf eine Ventilkammer 24 wirkt und ein Volumen in der Ventilkammer 24 die Position des Verschlusskörpers 20 bestimmt und wobei der Ventilantrieb 18 eine Mehrzahl von Piezopumpen 40, 42 umfasst, nämlich zumindest eine reguläre Piezopumpe 40 mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer 24 hin sowie zumindest eine inverse Piezopumpe 42 mit einer umgekehrten Wirkrichtung. Angegeben wird ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Beatmungsgeräts 10, nämlich ein Verfahren, bei dem mittels zumindest einer inversen Piezopumpe 42 das diese umfassende Ventil 12, 14 aktiv geöffnet wird. Insgesamt werden auch insbesondere als Exspirations- oder Inspirationsventile 12, 14 einsetzbare Ventile 12, 14 mit einem Ventilantrieb 18 mit zumindest einer davon umfassten inversen Piezopumpe 42 zum aktiven Öffnen des Ventils 12, 14 und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Ventils 12, 14 angegeben, wobei im Rahmen des Verfahrens die zumindest eine inverse Piezopumpe 42 zum aktiven Öffnen des Ventils 12, 14 angesteuert wird.
Bezugszeichenliste
(Teil der Beschreibung)

10: Beatmungsgerät
12: Exspirationsventil, Ventil, Ventilanordnung
14: Inspirationsventil, Ventil, Ventilanordnung
16: Ventilgehäuse
18: Ventilantrieb
20: Verschlusskörper
22: Membran
24: Ventilkammer
26: Krater
28: (frei)
30: Druckquelle
32: Luftweg
34: Atemmaske
36, 38: (frei)
40: Piezopumpe, reguläre Piezopumpe
42: Piezopumpe, inverse Piezopumpe
44: Steuerungseinheit
46: Steuerungseinrichtung
48: (frei)
50: aktive Phase, anfänglicher Abschnitt der exspiratorischen Phase
52: abschließender Abschnitt der exspiratorischen Phase
54: Drucksensor
56: Kennlinie
58: Drucksensor
102: erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung
104: zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung
106: Zwei-Wege-Kanal
108: Außengehäuse
110: Innengehäuse
112: Abdeckplatte
114: Pumpöffnung
116: Pumpenkammer
118: Piezoelement
120: Pumpenmembranelement
122: Verbindungselement
124: Wechselspannungsgenerator

Claims

Beatmungsgerät (10), welches zumindest ein Exspirationsventil (12) und/oder zumindest ein Inspirationsventil (14) mit einem zur Beeinflussung einer Position eines Verschlusskörpers (20) des jeweiligen Ventils (12, 14) bestimmten Ventilantrieb (18), wobei der Ventilantrieb (18) auf eine Ventilkammer (24) wirkt und ein Volumen in der Ventilkammer (24) die Position des Verschlusskörpers (20) bestimmt, wobei der Ventilantrieb (18) eine Mehrzahl von Piezopumpen (40, 42) umfasst, nämlich zumindest eine Piezopumpe (40) mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer (24) hin sowie zumindest eine Piezopumpe (42) mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg.
Beatmungsgerät (10) nach Anspruch 1, wobei der Ventilantrieb (18) die zumindest eine Piezopumpe (40) mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer (24) hin sowie die zumindest eine Piezopumpe (42) mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg in einer seriellen Anordnung umfasst.
Beatmungsgerät (10) nach Anspruch 1, wobei der Ventilantrieb (18) die zumindest eine Piezopumpe (40) mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer (24) hin sowie die zumindest eine Piezopumpe (42) mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg in einer parallelen Anordnung umfasst.
Beatmungsgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ventilantrieb (18) eines als Exspirationsventil (12) oder als Inspirationsventil (14) fungierenden Ventils (12, 14) genau eine Piezopumpe (42) mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg und eine Mehrzahl von Piezopumpen (40) mit einer Wirkrichtung zur Ventilkammer (24) hin umfasst.
Beatmungsgerät (10) nach Anspruch 3, wobei in dem Ventilantrieb (18) an der zumindest einen Piezopumpe (40) mit der Wirkrichtung zur Ventilkammer (24) hin ein Rückschlagventil derart angeordnet ist, so dass kein Entweichen des Volumens aus der Ventilkammer (24) gegen die Wirkrichtung ermöglicht ist.
Beatmungsgerät (10) nach Anspruch 3, wobei in dem Ventilantrieb (18) an der zumindest einen Piezopumpe (42) mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg ein Rückschlagventil derart angeordnet ist, so dass kein Entweichen des Volumens aus der Ventilkammer (24) gegen die Wirkrichtung ermöglicht ist.
Verfahren zum Betrieb eines Beatmungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mittels zumindest einer Piezopumpe (42) mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg das die zumindest eine Piezopumpe (42) mit der Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg umfassende Ventil (12, 14) aktiv geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei mittels eines einem Ventil (12, 14) des Beatmungsgeräts (10) räumlich zugeordneten Drucksensors (54, 58) ein Druckmesswert erfasst wird und mittels des Druckmesswerts als Istwert und einem vorgegebenen oder vorgebbaren Druckwert als Sollwert eine Position des Verschlusskörpers (20) des jeweiligen Ventils (12, 14) geregelt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Beatmungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8, wobei bei einem als Exspirationsventil (12) fungierenden Ventil (12, 14) mit zumindest einer Piezopumpe (42) mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg das Exspirationsventil (12) mittels der zumindest einen Piezopumpe (42) mit einer Wirkrichtung von der Ventilkammer (24) weg aktiv geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Exspirationsventil (12) zu Beginn einer Exspirationsphase aktiv geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Exspirationsventil (12) zu Beginn der Exspirationsphase für eine vorgegebene oder vorgebbare Zeitdauer aktiv geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Exspirationsventil (12) zu Beginn der Exspirationsphase aktiv geöffnet wird und solange geöffnet bleibt, bis ein mittels eines dem Exspirationsventil (12) räumlich zugeordneten Drucksensors (54) erfasster Druckmesswert einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert unterschreitet.
Steuerungsprogramm in Form eines Computerprogramms mit Programmcodemitteln, um alle Schritte von jedem beliebigen der Ansprüche 7 bis 12 auszuführen, wenn das Steuerungsprogramm auf einer Steuerungseinrichtung (46) für ein Beatmungsgerät (10) ausgeführt wird.
Beatmungsgerät (10) mit Mitteln (40, 42, 44, 46) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 12.