DE102022109697A1 - Gas mixer and ventilator comprising a gas mixer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Gasmischer, der durch die Verwendung von zwei Drucksensoren je Gaskomponente eine hohe Messgenauigkeit sowohl für niedrige Flüsse und damit Drücke der Gaskomponenten bei geringen Kosten ermöglicht. Dabei ist jeweils ein Sensor zur Messung niedriger Drücke und ein Sensor zu Messung hoher Drücke ausgebildet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein medizintechnisches Gerät umfassend einen derartigen Gasmischer.The invention relates to a gas mixer which, by using two pressure sensors per gas component, enables high measurement accuracy for both low flows and thus pressures of the gas components at low costs. A sensor is designed to measure low pressures and a sensor to measure high pressures. In addition, the invention relates to a medical device comprising such a gas mixer.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gasmischer, mit dem Gase in vorbestimmten Anteilen zu einem Gasgemisch mischbar sind.The invention relates to a gas mixer with which gases can be mixed in predetermined proportions to form a gas mixture.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein medizintechnisches Gerät umfassend einen Gasmischer.In addition, the invention relates to a medical device comprising a gas mixer.
Gasmischer werden in einer Vielzahl von Geräten verwendet, um verschiedene Gase miteinander zu mischen. Dabei kommt es häufig darauf an, die unterschiedlichen Gase in vorbestimmten Verhältnissen miteinander zu mischen und/oder die Anteile der jeweiligen Gase im Gasgemisch auf vorbestimmte Werte einzustellen.Gas mixers are used in a variety of devices to mix different gases together. It is often important to mix the different gases with one another in predetermined ratios and/or to adjust the proportions of the respective gases in the gas mixture to predetermined values.
Beispielsweise werden derartige Gasmischer in medizintechnischen Geräten verwendet, darunter insbesondere in Beatmungsgeräten und/oder Anästhesiegeräten. Anästhesiegeräte im Sinne dieser Schrift sind solche Vorrichtungen, die die Narkose eines Patienten mithilfe von Inhalationsanästhetika ermöglichen.For example, such gas mixers are used in medical devices, including in particular in ventilators and/or anesthesia devices. Anesthesia devices within the meaning of this document are devices that enable the anesthesia of a patient using inhalation anesthetics.
In Beatmungsgeräten werden Gasmischer beispielsweise zur Einstellung eines vorbestimmten Sauerstoff-Gehalts im Atemgas verwendet.In ventilators, gas mixers are used, for example, to set a predetermined oxygen content in the breathing gas.
In Anästhesiegeräten, die häufig als eine kombinierte Beatmungs- und Anästhesievorrichtung ausgebildet sind, werden Gasmischer beispielsweise zur Einstellung vorbestimmter Gehalte von Sauerstoff (O2), eines Trägergases (z.B. Luft) und eines Anästhesiegases (z.B. N20) im Atemgas verwendet.
Sowohl beim Beatmungsgerät als auch beim Anästhesiegerät wird das so erzeugte Frischgasgemisch in der Regel über einen Beatmungsschlauch und ein Patienteninterface, wie beispielswiese einen Tubus, eine Beatmungsmaske oder eine Nasenbrille, an einen Patienten abgegeben.In anesthesia machines, which are often designed as a combined ventilation and anesthesia device, gas mixers are used, for example, to set predetermined levels of oxygen (O2), a carrier gas (e.g. air) and an anesthetic gas (e.g. N20) in the breathing gas.
With both the ventilator and the anesthesia machine, the fresh gas mixture generated in this way is usually delivered to a patient via a ventilation tube and a patient interface, such as a tube, a ventilation mask or a nasal cannula.
Dabei ist es von großer Bedeutung, die Anteile der verschiedenen Gase im Gasgemisch möglichst genau einzustellen.It is very important to adjust the proportions of the different gases in the gas mixture as precisely as possible.
Insbesondere für Anwendungen im medizintechnischen Bereich ist es von enormer Bedeutung, die Anteile der Gase eines Gasgemisches hochgenau einstellen zu können. Ganz besonders trifft dies für Anästhesiegeräte zu, denn eine Überdosierung des eingesetzten Anästhesiegases und/oder eine Unterversorgung eines narkotisierten Patienten mit Sauerstoff kann überaus schädliche Auswirkungen für die Gesundheit des Patienten haben.Particularly for applications in the medical technology sector, it is extremely important to be able to adjust the proportions of gases in a gas mixture with high precision. This is particularly true for anesthesia machines, because an overdose of the anesthetic gas used and/or an undersupply of an anesthetized patient with oxygen can have extremely harmful effects on the patient's health.
Es sind verschiedene Gasmischer bekannt, die durch ihren mechanischen Aufbau und/oder mithilfe elektronischer Komponenten eine relativ genaue Einstellung der Anteile verschiedener Gase in einem Gasgemisch ermöglichen.Various gas mixers are known which, through their mechanical structure and/or with the help of electronic components, enable relatively precise adjustment of the proportions of different gases in a gas mixture.
Beispielsweise sind Gasmischer bekannt, mit denen Sauerstoff, Luft und ein Anästhesiegas in vorbestimmten Anteilen miteinander mischbar sind, wobei der Gasmischer eine Vielzahl von Ventilen mit unterschiedlichen Kanaldurchmessern für jede der drei Komponenten des Gasgemischs aufweist. Diese Ventile sind dann für jede Komponente des Gasgemischs individuell ansteuerbar, sodass für jede Gaskomponente bestimmte Ventile geöffnet und andere Ventile geschlossen sind. In Abhängigkeit des für die jeweilige Komponente anliegenden Drucks ist so der Durchfluss und damit auch der Anteil der jeweiligen Komponente im Gasgemisch einstellbar. Die Genauigkeit der Einstellungsmöglichkeiten der Anteile der verschiedenen Gaskomponenten im Gasgemisch hängt dabei von der Anzahl der verfügbaren Ventile je Komponente ab. Für hohe Genauigkeiten sind dabei sehr viele Ventile nötig, sodass derartige Gasmischer verhältnismäßig groß sind und eine große Anzahl verschiedener Komponenten benötigen.For example, gas mixers are known with which oxygen, air and an anesthetic gas can be mixed with one another in predetermined proportions, the gas mixer having a plurality of valves with different channel diameters for each of the three components of the gas mixture. These valves can then be controlled individually for each component of the gas mixture, so that certain valves are opened and other valves are closed for each gas component. Depending on the pressure applied to the respective component, the flow and thus also the proportion of the respective component in the gas mixture can be adjusted. The accuracy of the setting options for the proportions of the various gas components in the gas mixture depends on the number of available valves per component. A lot of valves are required to achieve high levels of accuracy, so that such gas mixers are relatively large and require a large number of different components.
In anderen bekannten Gasmischer werden für die verschiedenen Gaskomponenten Proportional-Ventile verwendet, die mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal (PWM) elektronisch derart ansteuerbar sind, dass der Öffnungsgrad des Ventils anhand des Tastgrads (Verhältnis „Ein“ zu „Aus“ in einer Periode) der PWM einstellbar ist. In der Regel genügt dann ein Proportional-Ventil je Gaskomponente.
Bei beiden Arten von Gasmischern ist die Bestimmung des Flusses der einzelnen Gaskomponenten im Gasmischer erforderlich, um die Anteile der Komponenten am Gasgemisch zu bestimmen. Dies wird häufig durch eine Messung des am Gasmischer anliegenden Drucks der einzelnen Gaskomponenten und der Berechnung des Flusses (Volumenstrom) der einzelnen Gaskomponenten daraus realisiert.In other known gas mixers, proportional valves are used for the various gas components, which can be controlled electronically with a pulse width modulated control signal (PWM) in such a way that the degree of opening of the valve is based on the duty cycle (ratio “on” to “off” in one period) of the PWM is adjustable. As a rule, one proportional valve per gas component is sufficient.
For both types of gas mixers, it is necessary to determine the flow of the individual gas components in the gas mixer in order to determine the proportions of the components in the gas mixture. This is often achieved by measuring the pressure of the individual gas components applied to the gas mixer and calculating the flow (volume flow) of the individual gas components from this.
Der jeweils am Gasmischer anliegende Druck einer Gaskomponente variiert mit dem Öffnungsgrad des jeweiligen Ventils oder ggf. der der jeweiligen Gaskomponente zugeordneten Ventile und dem sich daraus einstellenden Fluss der jeweiligen Gaskomponente. Dabei sind Volumenströme in einem Bereich von weniger als 1 1/min bis etwa 10 1/min üblich, die mit einem entsprechend großen Druckbereich einhergehen. Gemäß dem Stand der Technik werden zur Messung des Drucks Drucksensoren verwendet, die über den gesamten Arbeitsbereich der zu erwartenden Drücke verwendbar sind.The pressure of a gas component applied to the gas mixer varies with the degree of opening of the respective valve or, if applicable, the valves assigned to the respective gas component and the resulting flow of the respective gas component. Volume flows in a range from less than 1 1/min to around 10 1/min are common, which are accompanied by a correspondingly large pressure range. According to the prior art, pressure sensors are used to measure the pressure, which can be used over the entire working range of the expected pressures.
Um im gesamten Arbeitsbereich der vorliegenden Drücke eine hinreichend hohe Messgenauigkeit zu erzielen, müssen dafür hochwertige Drucksensoren mit einem weiten Messbereich eingesetzt werden, die jedoch sehr teuer sind und die ggf. für besonders hohe oder tiefe Drücke trotzdem eine geringere Dynamik und somit Messgenauigkeit haben.In order to achieve a sufficiently high measurement accuracy across the entire working range of the existing pressures, high-quality pressure sensors with a wide measuring range must be used which, however, are very expensive and which may still have lower dynamics and therefore measurement accuracy for particularly high or low pressures.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen Gasmischer anzugeben, der eine hohe Messgenauigkeit des Drucks für jede Gaskomponente bei geringeren Kosten ermöglicht.It is therefore an object of the invention to provide a gas mixer which enables high measurement accuracy of the pressure for each gas component at lower costs.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gasmischer gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved according to the invention by a gas mixer according to claim 1.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein medizintechnisches Gerät umfassend einen Gasmischer anzugeben, der die vorgenannte Aufgabe löst.It is a further object of the invention to provide a medical device comprising a gas mixer which solves the aforementioned object.
Diese Aufgabe wird durch ein medizintechnisches Gerät gemäß Patentanspruch 13 gelöst.This task is solved by a medical device according to claim 13.
Die nachfolgend offenbarten Merkmale eines Gasmischers sind sowohl einzeln als auch in allen ausführbaren Kombinationen Bestanteil der Erfindung.The features of a gas mixer disclosed below are part of the invention both individually and in all executable combinations.
Ein erfindungsgemäßer Gasmischer weist mindestens zwei Ventile auf, wobei jeweils mindestens ein Ventil einer von mindestens zwei miteinander zu mischenden Gaskomponenten zugeordnet ist.A gas mixer according to the invention has at least two valves, with at least one valve being assigned to one of at least two gas components to be mixed with one another.
Je Gaskomponente weist ein erfindungsgemäßer Gasmischer einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf, die mit dem mindestens einen der jeweiligen Gaskomponente zugeordneten Ventil verbunden sind.For each gas component, a gas mixer according to the invention has an input connection and an output connection, which are connected to the at least one valve assigned to the respective gas component.
Das Leitungssystem des Gasmischers für die einzelnen Gaskomponenten ist dabei derart ausgelegt, dass die Gaskomponenten durch den jeweiligen Eingangsanschluss hindurch je nach Öffnungszustand des mindestens einen zugeordneten Ventils durch dieses hindurch und durch den Ausgangsanschluss strömt.The line system of the gas mixer for the individual gas components is designed in such a way that the gas components flow through the respective inlet port depending on the opening state of the at least one assigned valve and through the outlet port.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Gasmischer für mindestens eine Gaskomponente genau ein Proportional-Ventil auf. Die Verwendung eines Proportional-Ventils ermöglicht eine hohe Einstellgenauigkeit des jeweiligen Volumenstroms bei nur wenigen erforderlichen Bauteilen und einem geringen Platzbedarf.In a preferred embodiment of the invention, the gas mixer has exactly one proportional valve for at least one gas component. The use of a proportional valve enables high adjustment accuracy of the respective volume flow with only a few components required and a small space requirement.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen weist der Gasmischer für jede Gaskomponente jeweils genau ein Proportional-Ventil auf.In particularly advantageous embodiments, the gas mixer has exactly one proportional valve for each gas component.
Jedoch sind in anderen Ausführungsformen der Erfindung für die einzelnen Gaskomponenten auch Ventilbanken aufweisend eine Mehrzahl von Ventilen mit unterschiedlich großen Durchgangsöffnungen im geöffneten Zustand verwendbar.However, in other embodiments of the invention, valve banks having a plurality of valves with differently sized through openings in the open state can also be used for the individual gas components.
Die Ausgangsanschlüsse der Ventile des Gasmischers sind entweder unmittelbar am Gasmischer selbst oder im weiteren Verlauf daran angeschlossener Leitungen, beispielsweise Schläuche, miteinander verbunden, sodass die Gaskomponenten zum gewünschten Gasgemisch vereint werden.The output connections of the valves of the gas mixer are connected to one another either directly on the gas mixer itself or in the further course of lines connected to it, for example hoses, so that the gas components are combined to form the desired gas mixture.
Zur Regelung der Anteile der einzelnen Gaskomponenten am Gasgemisch weist der Gasmischer eine volumenstrombasierte Ansteuerung der Ventile auf. Der Volumenstrom der einzelnen Gaskomponenten wird mit einem erfindungsgemäßen Gasmischer anhand von Druckmessungen berechnet.To regulate the proportions of the individual gas components in the gas mixture, the gas mixer has a volume flow-based control of the valves. The volume flow of the individual gas components is calculated using a gas mixer according to the invention based on pressure measurements.
Je Gaskomponente weist ein erfindungsgemäßer Gasmischer zwei Drucksensoren auf, wobei jeweils ein erster Drucksensor eine hohe Messgenauigkeit bei geringen Drücken und ein zweiter Drucksensor eine hohe Messgenauigkeit bei hohen Drücken aufweist. Diese Drucksensoren werden vorliegend auch als Niedrigdruck-Sensor bzw. Hochdruck-Sensor bezeichnet.A gas mixer according to the invention has two pressure sensors for each gas component, with a first pressure sensor having a high measurement accuracy at low pressures and a second pressure sensor having a high measurement accuracy at high pressures. These pressure sensors are also referred to herein as low-pressure sensors or high-pressure sensors.
Geringe Drücke im Sinne dieser Schrift liegen in einem Bereich von 0 bar bis etwa 100 mbar.
Hohe Drücke im Sinne dieser Schrift liegen in einem Bereich von etwa 100 mbar bis etwa 1000 mbar.Low pressures in the sense of this document are in a range from 0 bar to approximately 100 mbar.
High pressures in the sense of this document are in a range from approximately 100 mbar to approximately 1000 mbar.
Die Genauigkeit der mithilfe der Druckmesswerte bestimmbaren Flüsse der Gaskomponenten mit einem erfindungsgemäßen Gasmischer ist in Ausführungsformen der Erfindung für Flüsse unter 1 l/min zumindest 100 ml/min, in besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zumindest 50 ml/min, und für Flüsse größer gleich 1 1/min in Ausführungsformen der Erfindung zumindest 15 %, in besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zumindest 10%.The accuracy of the flows of the gas components that can be determined using the pressure measurement values with a gas mixer according to the invention is at least 100 ml/min in embodiments of the invention for flows below 1 l/min, at least 50 ml/min in particularly preferred embodiments of the invention, and for flows greater than or equal to 1 1/min in embodiments of the invention at least 15%, in particularly preferred embodiments of the invention at least 10%.
Eine ausreichend hohe Messgenauigkeit der Drucksensoren für den jeweiligen Bereich ist durch die entsprechende Aufteilung der mit den Flüssen der Gaskomponenten auftretenden Drücke auf die spezialisierten Drucksensoren erfüllt. Beispielweise kann die Sensitivität eines Sensors als Indikator dafür herangezogen werden, die sich aus dem Verhältnis des Ausgabewertebereichs (Full Scale) zur Differenz des maximalen und minimalen Messwerts ergibt. Die Sensitivität eines 100 mbar Drucksensors im Vergleich zu einem 1000 mbar Drucksensor ergibt sich somit beispielhaft für einen Ausgabewertebereich von jeweils 26214 (Maximaler Ausgabewert abzüglich des Offsets) zu 262.14 Werten/mbar (100 mbar Sensor) und 26.21 Werten/mbar (1000 mbar Sensor) . Der 100 mbar Sensor ist somit 10-mal sensitiver und damit genauer als der 1000 mbar Sensor, eignet sich aufgrund des begrenzten Messbereichs jedoch nicht für Drücke über 100 mbar.A sufficiently high measurement accuracy of the pressure sensors for the respective area is achieved by appropriately apportioning the pressures that occur with the flows of the gas components to the specialized pressure sensors. For example, the sensitivity of a sensor can be used as an indicator, which results from the ratio of the output value range (full scale) to the difference between the maximum and minimum measured values. The sensitivity of a 100 mbar pressure sensor in comparison to a 1000 mbar pressure sensor results, for example, for an output value range of 26214 (maximum output value minus the offset) to 262.14 values/mbar (100 mbar sensor) and 26.21 values/mbar (1000 mbar sensor) . The 100 mbar sensor is therefore 10 times more sensitive and therefore more accurate than the 1000 mbar sensor, However, due to the limited measuring range, it is not suitable for pressures above 100 mbar.
In Ausführungsformen der Erfindung sind die Drucksensoren für die jeweilige Gaskomponente über ein Y-Stück mit dem Strömungskanal der jeweiligen Gaskomponente verbunden, sodass der Druckabfall mit dem Niedrigdruck- und dem Hochdrucksensor gleichzeitig messbar ist.In embodiments of the invention, the pressure sensors for the respective gas component are connected to the flow channel of the respective gas component via a Y-piece, so that the pressure drop can be measured simultaneously with the low-pressure and the high-pressure sensor.
Als Drucksensoren werden in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung Differenzdrucksensoren verwendet. Für geringe Drücke eignet sich dabei besonders ein 100 mbar Differenzdrucksensor, mit dem Differenzdrücke in einem Bereich von 0 bis 100 mbar messbar sind, und für hohe Drücke ein 1000 mbar Differenzdrucksensor, mit dem Differenzdrücke in einem Bereich von 0 bis 1000 mbar messbar sind.Differential pressure sensors are used as pressure sensors in preferred embodiments of the invention. For low pressures, a 100 mbar differential pressure sensor is particularly suitable, with which differential pressures can be measured in a range from 0 to 100 mbar, and for high pressures, a 1000 mbar differential pressure sensor, with which differential pressures in a range from 0 to 1000 mbar can be measured.
Der sich an einem Differenzdrucksensor einstellende Differenzdruck ist proportional zum Fluss des durch den jeweiligen Messkanal strömenden Gases bzw. der jeweiligen Gaskomponente.The differential pressure that occurs at a differential pressure sensor is proportional to the flow of the gas or the respective gas component flowing through the respective measuring channel.
Die vorstehend beschriebenen geringen Drücke sind bei geringen Flüssen in einem Bereich von etwa 0 ml/min bis 2 1/min zu erwarten, während die hohen Drücke bei hohen Flüssen in einem Bereich von etwa 2 l/min bis 20 l/min zu erwarten sind.The low pressures described above are to be expected at low flows in a range of about 0 ml/min to 2 l/min, while the high pressures are to be expected at high flows in a range of about 2 l/min to 20 l/min .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Gasmischer zur Mischung von drei Gaskomponenten ausgebildet und weist jeder Gaskomponente individuell zugeordnet mindestens ein Ventil und jeweils einen Niedrigdruck-Sensor und einen Hochdruck-Sensor je Gaskomponente auf.In a preferred embodiment of the invention, the gas mixer is designed to mix three gas components and has at least one valve individually assigned to each gas component and one low-pressure sensor and one high-pressure sensor for each gas component.
Der Gasmischer weist in Ausführungsformen der Erfindung einen mechanischen Gasmischblock auf, der die Ventile nebst den jeweils zugeordneten Eingangsanschlüssen sowie einen gemeinsamen Ausgangsanschluss für das Gasgemisch umfasst.In embodiments of the invention, the gas mixer has a mechanical gas mixing block, which includes the valves along with the respective associated input connections and a common output connection for the gas mixture.
Die Drucksensoren sind in Ausführungsformen der Erfindung auf einer Leiterplatte angeordnet, die vorteilhaft an dem mechanischen Gasmischblock angeordnet ist.In embodiments of the invention, the pressure sensors are arranged on a circuit board, which is advantageously arranged on the mechanical gas mixing block.
Mithilfe einer Steuereinheit sind die jeweiligen Drücke für die einzelnen Gaskomponenten erfassbar und im Hinblick auf den jeweiligen Fluss auswertbar und das der jeweiligen Gaskomponente zugeordnete mindestens eine Ventil ist entsprechend eines vorgegebenen Anteils der Gaskomponente im Gasgemisch ansteuerbar.With the help of a control unit, the respective pressures for the individual gas components can be recorded and evaluated with regard to the respective flow, and the at least one valve assigned to the respective gas component can be controlled in accordance with a predetermined proportion of the gas component in the gas mixture.
Dazu sind die Sensoren sowie die Ventile elektrisch leitend mit der Steuereinheit verbunden, sodass Messsignale in analoger oder digitaler Form sowie Steuersignale entsprechend übertragbar sind.For this purpose, the sensors and the valves are electrically connected to the control unit, so that measurement signals in analog or digital form as well as control signals can be transferred accordingly.
In Ausführungsformen mit mindestens einem Proportional-Ventil ist dieses beispielsweise durch eine PWM mithilfe der Steuereinheit entsprechend des gewünschten Flusses einstellbar.In embodiments with at least one proportional valve, this can be adjusted according to the desired flow, for example by a PWM using the control unit.
Die Steuereinheit kann entweder eine eigenständige Steuereinheit nur für den Gasmischer oder eine übergeordnete Steuereinheit sein, die in einem einen erfindungsgemäßen Gasmischer aufweisenden Gerät weitere Funktionen erfüllt.The control unit can either be an independent control unit only for the gas mixer or a higher-level control unit that fulfills further functions in a device having a gas mixer according to the invention.
In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung weist der Gasmischer Mittel zur Sicherstellung eines Mindestgehalts zumindest einer Gaskomponente auf.In advantageous embodiments of the invention, the gas mixer has means for ensuring a minimum content of at least one gas component.
Dies ist beispielsweise als eine Sicherheitseinrichtung ausgebildet, die einen Anteil von mindestens 25% O2 am Gasgemsisch sicherstellt. Kann der entsprechende Fluss der jeweiligen Gaskomponente nicht bereitgestellt werden, ist beispielsweise eine Notabschaltung integriert, die zumindest die Beimischung des Anästhesiegases stoppt.This is designed, for example, as a safety device that ensures a proportion of at least 25% O2 in the gas mixture. If the appropriate flow of the respective gas component cannot be provided, an emergency shutdown is integrated, for example, which at least stops the admixture of the anesthetic gas.
In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung wird zwischen der Steuereinheit und der Leiterplatte, auf der die Drucksensoren angeordnet sind, ein differentielles Kommunikationsinterface verwendet. Dadurch ist die Kommunikation zwischen den Sensoren und der Steuereinheit weniger störungsanfällig.In advantageous embodiments of the invention, a differential communication interface is used between the control unit and the circuit board on which the pressure sensors are arranged. This means that communication between the sensors and the control unit is less susceptible to disruption.
Beispielsweise wird dazu ein herkömmliches I2C-Signal (singleended) mithilfe eines ersten Buffers in ein differentielles Signal gewandelt, von der Steuereinheit zur Sensorleiterplatte übertragen und dort wieder mithilfe eines zweiten Buffers in ein herkömmliches I2C-Signal gewandelt.For example, a conventional I2C signal (single-ended) is converted into a differential signal using a first buffer, transmitted from the control unit to the sensor circuit board and converted there again into a conventional I2C signal using a second buffer.
Die Steuereinheit weist in Ausführungsformen der Erfindung einen FPGA zum Auslesen der Druckmesswerte von den Drucksensoren und zur Ansteuerung der Ventile auf.In embodiments of the invention, the control unit has an FPGA for reading out the pressure measured values from the pressure sensors and for controlling the valves.
Zur Auswertung der Druckmesswerte und zur Berechnung der Flüsse der jeweiligen Gaskomponente anhand vorgegebener Anteile am Gasgemisch weist die Steuereinheit des Gasmischers in Ausführungsformen der Erfindung zusätzlich eine MCU auf.In order to evaluate the pressure measurement values and to calculate the flows of the respective gas component based on predetermined proportions of the gas mixture, the control unit of the gas mixer in embodiments of the invention additionally has an MCU.
Die Funktionen von MCU und FPGA sind in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch durch einen einzigen Prozessor oder durch mehrere analoge und digitale elektronische Bauelemente realisierbar.In other embodiments of the invention, the functions of the MCU and FPGA can also be implemented by a single processor or by several analog and digital electronic components.
Ein erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät weist zumindest einen erfindungsgemäßen Gasmischer gemäß der vorstehenden Beschreibung auf.A medical device according to the invention has at least one gas mixer according to the invention according to the above description.
In Ausführungsformen der Erfindung ist das medizintechnische Gerät als ein Beatmungs- und/oder Anästhesiegerät ausgebildet.In embodiments of the invention, the medical device is designed as a ventilation and/or anesthesia device.
Dabei sind sowohl eine manuelle oder teil-manuelle als auch eine automatisierte Zufuhr des Frischgasgemisches als Atemgas durch entsprechende Beatmungs- und/oder Anästhesiegeräte möglich.Both a manual or semi-manual as well as an automated supply of the fresh gas mixture as breathing gas through appropriate ventilation and/or anesthesia devices are possible.
Ein erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät weist ein Patienteninterface auf, über das das Gasgemisch an einen Patienten abgebbar ist.A medical device according to the invention has a patient interface via which the gas mixture can be delivered to a patient.
Für die einzelnen Gaskomponenten weist ein erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät Quellen auf, die die jeweilige Gaskomponente mit dem erforderlichen Druckbereitstellen. Beispielsweise können derartige Quellen Druckgasflaschen oder ein Gebläse sein, das Umgebungsluft ansaugt und in der Regel gefiltert bereitstellt.For the individual gas components, a medical device according to the invention has sources which provide the respective gas component with the required pressure. For example, such sources can be compressed gas bottles or a blower that sucks in ambient air and usually provides it in filtered form.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically sensible manner and show further refinements of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, particularly in connection with the figures.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that a conjunction “and/or” used here between two features and linking them together must always be interpreted in such a way that in a first embodiment of the subject matter according to the invention only the first feature can be present, in a second embodiment only the second feature can be present and in a third embodiment both the first and the second feature can be present.
Unter einem Beatmungsgerät ist jedwedes Gerät zu verstehen, welches einen Anwender oder Patienten bei der natürlichen Atmung unterstützt, die Beatmung des Anwenders bzw. Lebewesens (z.B. Patient und/oder Neugeborener und/oder Frühgeborene) übernimmt und/oder zur Atemtherapie dient und/oder anderweitig die Atmung des Anwenders bzw. Patienten beeinflusst. Darunter fallen zum Beispiel, aber nicht ausschließend, CPAP- sowie BiPAP-Geräte, Narkose- bzw. Anästhesiegeräte, Atemtherapiegeräte, (klinische, außerklinische oder Notfall-) Beatmungsgeräte, Highflow-Therapiegeräte und Hustenmaschinen. Beatmungsgeräte können auch als Diagnosegeräte für die Beatmung verstanden werden. Diagnosegeräte können dabei allgemein zur Erfassung von medizinischen und/oder atmungsbezogenen Parametern eines Lebewesens dienen. Darunter fallen auch Geräte, welche medizinische Parameter von Patienten in Kombination mit der Atmung oder ausschließlich die Atmung betreffend, erfassen und optional verarbeiten können.A ventilator is any device that supports a user or patient in natural breathing, provides ventilation for the user or living being (e.g. patient and/or newborn and/or premature infant) and/or is used for respiratory therapy and/or otherwise affects the breathing of the user or patient. This includes, for example, but is not limited to, CPAP and BiPAP devices, anesthesia or anesthesia devices, respiratory therapy devices, (clinical, out-of-hospital or emergency) ventilators, high-flow therapy devices and cough machines. Ventilators can also be understood as diagnostic devices for ventilation. Diagnostic devices can generally be used to record medical and/or respiratory parameters of a living being. This also includes devices that can record and optionally process medical parameters of patients in combination with breathing or only relating to breathing.
Als Patienteninterface kann, soweit nicht ausdrücklich anders beschrieben, jegliches Peripheriegerät verstanden werden, welches zur Interaktion, insbesondere zu Therapie- oder Diagnosezwecken, der Messeinrichtung mit einem Lebewesen gedacht ist. Insbesondere kann ein Patienteninterface als Maske eines Beatmungsgerätes bzw. eine mit dem Beatmungsgerät verbundene Maske verstanden werden. Diese Maske kann eine Full-Face Maske, also Nase und Mund umschließende, oder eine Nasenmaske, also eine nur die Nase umschließende Maske, sein. Auch Trachealtuben bzw. -kanülen und sogenannte Nasenbrillen können als Maske beziehungsweise Patienteninterface eingesetzt werden. In manchen Fällen kann das Patienteninterface auch ein einfaches Mundstück, beispielsweise ein Rohr, sein, durch welches das Lebewesen zumindest ausatmet und/oder einatmet.Unless explicitly described otherwise, a patient interface can be understood to mean any peripheral device that is intended for the interaction, in particular for therapy or diagnostic purposes, of the measuring device with a living being. In particular, a patient interface can be understood as a mask of a ventilator or a mask connected to the ventilator. This mask can be a full-face mask, i.e. that encloses the nose and mouth, or a nasal mask, i.e. a mask that only encloses the nose. Tracheal tubes or cannulas and so-called nasal cannulas can also be used as masks or patient interfaces. In some cases, the patient interface can also be a simple mouthpiece, for example a tube, through which the living being at least exhales and/or inhales.
In der nachfolgend erläuterten Figur ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt.An exemplary embodiment of the invention is shown in the figure explained below.
In
Der Gasmischer (1) weist einen Ventilblock (10), eine Steuereinheit (6) und ein Sensorboard (11) auf, das am Ventilblock (10) angeordnet ist.The gas mixer (1) has a valve block (10), a control unit (6) and a sensor board (11) which is arranged on the valve block (10).
Auf dem Ventilblock (10) sind drei Ventile (2) angeordnet, die als Proportional-Ventile ausgebildet sind und jeweils einer Gaskomponente zugeordnet sind. Die Eingänge der Ventile (2) sind jeweils mit einer Einlassöffnung (3) verbunden, über die die jeweilige Gaskomponente dem Gasmischer (1) von nicht dargestellten Quellen zuführbar sind. Die Ausgänge der Ventile (2) sind mit einer gemeinsamen Auslassöffnung (4) verbunden, über die das aus den Gaskomponenten erzeugte Gasgemisch abgebbar ist.Three valves (2) are arranged on the valve block (10), which are designed as proportional valves and are each assigned to a gas component. The inlets of the valves (2) are each connected to an inlet opening (3), via which the respective gas component can be fed to the gas mixer (1) from sources not shown. The outputs of the valves (2) are connected to a common outlet opening (4) through which the gas mixture generated from the gas components can be released.
Im Bereich der Ausgänge der Ventile (2) sind diese jeweils mit zwei Drucksensoren (8) verbunden, wobei jeweils ein erster Drucksensor (8) als ein Niedrigdruck-Sensor (8a) und ein zweiter Drucksensor (8) als ein Hochdruck-Sensor (8b) ausgebildet ist.In the area of the outlets of the valves (2), these are each connected to two pressure sensors (8), with a first pressure sensor (8) acting as a low-pressure sensor (8a) and a second pressure sensor (8) acting as a high-pressure sensor (8b ) is trained.
Das Sensorboard (11) ist über eine Datenleitung (9) mit der Steuereinheit (6) verbunden, über die die mit den Drucksensoren (8) erfassten Druckmesswerte an die Steuereinheit (6) übertragbar sind.The sensor board (11) is connected to the control unit (6) via a data line (9), via which the pressure measurements recorded by the pressure sensors (8) can be transferred to the control unit (6).
Die Steuereinheit (6) weist einen FPGA (7) und eine MCU (12) auf. Der FPGA (7) dient zum Auslesen der Druckmesswerte der Drucksensoren (8) und zur Ansteuerung der Ventile (2) über Steuerleitungen (5). Die MCU (12) liest die Druckmesswerte vom FPGA (7) aus, führt den entsprechenden Regelalgorithmus aus und gibt dem FPGA (7) die Parameter der Ansteuerung der Ventile (2) entsprechend vor.The control unit (6) has an FPGA (7) and an MCU (12). The FPGA (7) is used to read the pressure measured values from the pressure sensors (8) and to control the valves (2) via control lines (5). The MCU (12) reads the pressure measured values from the FPGA (7), executes the corresponding control algorithm and specifies the parameters for controlling the valves (2) to the FPGA (7).
Für alle Ausführungsformen gilt: Wird beispielsweise ein als ein Beatmungsgerät ausgebildetes von Beatmungsgerät zur Beatmung eines Patienten verwendet, so ist es zwingend erforderlich den Patienten mit einem Frischgas zu versorgen, das einen bestimmten Mindestgehalt an Sauerstoff (02) aufweist. Ein anderes Beispiel ist die Verwendung eines Anästhesiegerätes zur Narkotisierung eines Patienten. Hier ist neben einem Mindestgehalt O2 im Frischgasgemisch auch eine Spezifikation bezüglich des Anteils des Anästhesiegases im Frischgasgemisch einzuhalten. Anästhesiegase sind beispielsweise Argon, Helium, Lachgas, Chloroform, Isofluran, Sevofluran, Desfluran, Halothan, Enfluran, Xenon, Kohlendioxid.The following applies to all embodiments: If, for example, a ventilator designed as a ventilator is used to ventilate a patient, it is absolutely necessary to supply the patient with fresh gas that has a certain minimum oxygen content (02). Another example is the use of an anesthesia machine to anesthetize a patient. In addition to a minimum O2 content in the fresh gas mixture, a specification regarding the proportion of anesthetic gas in the fresh gas mixture must also be adhered to. Examples of anesthetic gases are argon, helium, nitrous oxide, chloroform, isoflurane, sevoflurane, desflurane, halothane, enflurane, xenon, carbon dioxide.
Die Erfindung betrifft daher auch ein Anästhesie- und/oder Beatmungsgerät mit einem Gasmischer, der durch die Verwendung von zumindest einem Drucksensor je Gaskomponente eine hohe Messgenauigkeit sowohl für niedrige Flüsse und damit Drücke der Gaskomponenten bei geringen Kosten ermöglicht, wobei jeweils ein Sensor zur Messung niedriger Drücke und ein Sensor zu Messung hoher Drücke ausgebildet ist und wobei zumindest ein Ventil zur Steuerung der Gasflüsse dynamisch gesteuert wird.The invention therefore also relates to an anesthesia and/or ventilation device with a gas mixer, which enables high measurement accuracy for both low flows and thus pressures of the gas components at low costs through the use of at least one pressure sensor per gas component, with one sensor for measuring each lower Pressures and a sensor is designed to measure high pressures and at least one valve for controlling the gas flows is dynamically controlled.
Die Erfindung betrifft daher auch ein Anästhesie- und/oder Beatmungsgerät mit einem Gasmischer, dadurch gekennzeichnet, dass eine Notluft-Vorrichtung, welche beispielsweise als Ventil ausgebildet ist, die einen Zugang zur Umgebungsluft eröffnet vorhanden ist, wobei die Notluft-Vorrichtung den Zugang zur Umgebungsluft dann freigibt, wenn zumindest eines der Ventile und/oder der Sensoren nicht funktioniert.The invention therefore also relates to an anesthesia and/or ventilator with a gas mixer, characterized in that there is an emergency air device, which is designed, for example, as a valve that opens access to the ambient air, the emergency air device providing access to the ambient air then releases if at least one of the valves and/or the sensors does not work.
Claims (18)
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2022
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