DE19528113C2 - Beatmungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beatmungsein­ richtung zur kontrollierten, mechanischen Beatmung von Patienten, wobei die Einrichtung einen in die Tra­ chea des Patienten einführbaren Endotracheal-Tubus, einen Respirator sowie einen Atemgas-Durchflußmes­ ser aufweist.

Bei kontrollierter, mechanischer Beatmung werden Atemgasvolumen und Atemwegsdruck kontinuierlich überwacht. Die Messung der Parameter Volumen und Druck erfolgt durch Sensoren, die üblicherweise in den Respirator integriert sind. Die Überwachung erfolgt durch Vergleich dieser Meßwerte mit von außen ein­ stellbaren Maximal- und Minimalwerten (Alarmgren­ zen) für Volumen und Druck. Eine optische und/oder akustische Alarmierung erfolgt bei Über- oder Unter­ schreiten der Alarmgrenzen.

Eine häufig auftretende Komplikation unter mechani­ scher Beatmung ist die Verengung (Obstruktion) von gasführenden künstlichen oder natürlichen Atemwegen durch Sekret oder durch reflektorische Atemwegsver­ engung (Asthma). Phänomenologisch zeigt sich eine Atemwegsobstruktion entweder durch Erhöhung des Spitzendruckes bei volumenkontrollierter Beatmung oder durch Verminderung des Atemzugsvolumens bei druckkontrollierter Beatmung. Im ersten Fall kann das Phänomen durch Überwachung der oberen Druckgren­ ze, im zweiten Fall durch Überwachung der unteren Atemzugsvolumengrenze, angezeigt werden.

Die Ursache für eine Druckerhöhung respektive Vo­ lumenminderung kann eine Obstruktion des Tubus oder aber eine Obstruktion der Atemwege des Patienten sein. Bislang gibt es kein differentialdiagnostisches Hilfsmittel, um zwischen diesen beiden Ursachen zu un­ terscheiden. Die Gefahr einer Fehlentscheidung ist dementsprechend groß. Wird z. B. fälschlicherweise eine Obstruktion des Endotracheal-Tubus angenommen und wird dieser daraufhin gereinigt und gegebenenfalls auch ausgewechselt, so geht wertvolle Zeit für eine direkte, zum Beispiel medikamentöse Behandlung oder ein en­ dotracheales Absaugen des Patienten verloren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beat­ mungseinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaf­ fen, bei der die Möglichkeit der Unterscheidung zwi­ schen einer Obstruktion der gasführenden, künstlichen Atemwege, also einer Tubus-Obstruktion einerseits und einer Obstruktion von natürlichen Atemwegen zum Beispiel durch Sekret oder durch eine reflektorische Atemwegsverengung andererseits besteht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, daß an den Durchflußmes­ ser eine Auswerteeinrichtung angeschlossen ist, die ei­ nen mit dem Meßausgang des Durchflußmessers ver­ bundenen Integrator zum Integrieren des Gasflusses zum Atemgas-Volumen aufweist, weiterhin eine erste Rechenstufe zum Berechnen der exspiratorischen Volu­ men/Fluß-Funktion aus dem gemessenen Gasflußsignal und dem daraus integrierten Gasvolumen, weiterhin ei­ ne zweite Rechenstufe zur Berechnung der durch die Steigung bestimmten Zeitkonstanten jeweils von Ab­ schnitten der Volumen/Fluß-Funktion (exspiratorische Zeitkonstanten/Volumen-Funktion), daß sich an die zweite Rechenstufe eine Vergleichsstufe anschließt, in der charakteristische Veränderungen der Zeitkonstan­ ten/Volumen-Funktion detektierbar sind und daß die Auswerteeinrichtung schließlich eine Informationsaus­ gabe aufweist.

Mit Hilfe dieser Auswerteeinrichtung steht dem be­ handelnden Arzt ein Werkzeug zur Differentialdiagno­ stik zur Verfügung, so daß eine Fehlentscheidung für eine Behandlung einer aufgetretenen Atemwegs-Ob­ struktion praktisch ausgeschlossen ist.

Mittels der Auswerteeinrichtung werden aus der ex­ spiratorischen Volumen/Fluß-Funktion, die in Volu­ menabschnitte aufgeteilt ist, die jeweilige Zeitkonstante der Volumenabschnitte berechnet und dann charakteri­ stische Veränderungen der Zeitkonstanten/Volumen- Funktion ausgewertet. Die deutlich unterschiedlichen Ergebnisse bei einer Endotrachealtubus-Obstruktion und einer Obstruktion der natürlichen Atemwege des Patienten lassen sich eindeutig interpretieren und unter­ scheiden, so daß bei Signalisierung einer Obstruktion sofort die richtige, ärztliche/pflegerische Intervention möglich ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteein­ richtung zur Informationsausgabe über die Art der Atemwegs-Obstruktion mit zwei Zustandsanzeigen zur Unterscheidung zwischen einer Obstruktion im Bereich des Endotracheal-Tubus und einer Obstruktion im Be­ reich der natürlichen Atemwege des Patienten ausgebil­ det ist.

In vorteilhafter Weise ermöglicht eine solche Zu­ standsanzeige eine klare, eindeutige Entscheidung, so daß auch weniger geschultes Hilfspersonal, für die eine Interpretation eines Meßergebnisses in Form von Meß­ werten, Kurven und dergleichen nicht möglich ist, die notwendigen Hilfsmaßnahmen veranlassen kann.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachste­ hend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelhei­ ten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Blockbild-Darstellung einer mit einem Patienten verbundenen Beatmungseinrich­ tung und einer Auswerteeinrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm mit einer gemessenen, exspirato­ rischen Volumen-Fluß-Funktion,

Fig. 3 die in Fig. 2 gezeigte, in mehrere Abschnitte unterteilte und durch mathematisch approximierte Ge­ raden ersetzte Funktion,

Fig. 4 ein Diagramm mit einer Zeitkonstanten/Volu­ men-Funktion,

Fig. 5 ein Diagramm mit unterschiedlichen Volumen- Flußfunktionen,

Fig. 6 ein den in Fig. 5 gezeigten Funktionen zuge­ ordnetes Diagramm mit Zeitkonstanten/Volumen- Funktionen und

Fig. 7 bis 10 jeweils Fig. 5 bzw. Fig. 6 entsprechende Diagramme mit unterschiedlichen Kurven.

Eine in Fig. 1 gezeigte Beatmungseinrichtung 1 dient zur kontrollierten, mechanischen Beatmung von Patien­ ten 2. Die Beatmungseinrichtung weist einen in die Tra­ chea des Patienten einführbaren Endotrachealtubs 3 auf. Das äußere Ende des Endotrachealtubus 3 ist mit einem Respirator 4 verbunden. Der Endotracheal-Tu­ bus ist mit einem Atemgas-Durchflußmesser 5 verbun­ den, der an eine Auswerteeinrichtung 6 angeschlossen ist. Mit Hilfe des Atemgas-Durchflußmessers 5 wird am äußeren Ende des Endotrachealtubus 3 der Gasfluß bei passiver Exspiration gemessen. Dieser Meßwert wird an die Auswerteeinrichtung 6 weitergeleitet.

Diese Auswerteeinrichtung 6 beinhaltet im wesentli­ chen die in Fig. 1 erkennbaren, sechs Funktionsblöcke, wobei der erste Funktionsblock 7 ein Integrator, der zweite Funktionsblock 8 eine erste Rechenstufe, der nächste Funktionsblock 9 eine zweite Rechenstufe, der viere Funktionsblock 10 eine Vergleichsstufe und schließlich der letzte Funktionsblock 11 eine Infonna­ tions-Ausgabe ist.

Der Strömungswiderstand des Endotrachealtubus 3 beeinflußt die Zeitkonstante der passiven Exspiration unter kontrollierter Beatmung. Wegen der Flußabhän­ gigkeit des Strömungswiderstandes ist auch die Zeit­ konstante flußabhängig, das heißt, je größer der exspira­ torische Gasfluß ist, desto stärker ist der Einfluß des Strömungswiderstandes auf die Zeitkonstante. Die pas­ sive Exspiration beginnt mit einem hohen (Spitzen-) Fluß, der exponentiell abklingt (vergleiche Fig. 2), das heißt, in der frühen Exspiration ist der Gasfluß am größ­ ten und der Einfluß des Strömungswiderstandes auf die Zeitkonstante am größten. Eine Obstruktion des Endo­ trachealtubus 3 bewirkt eine Veränderung der Wider­ standkennlinie des Endotrachealtubus, wobei die Verän­ derung des Strömungswiderstandes ihrerseits flußabhä­ nig ist und eine flußabhängige Änderung der Zeitkon­ stanten bewirkt. Bei der vorliegenden Erfindung werden Änderungen der Zeitkonstanten mit Hilfe der Zeitkon­ stanten/Volumen-Funktion analysiert.

In dem Integrator 7 wird das vom Durchflußmesser 5 kommende Gasfluß-Meßsignal zum Volumen integriert. Daraus wird in der nachfolgenden, ersten Rechenstufe 8 aus dem Volumen- und Flußsignal die exspiratorische Volumen/Fluß-Funktion berechnet. In dieser Funktion wird das Volumen in Volumenportionen gleicher Größe unterteilt.

In der nachfolgenden, zweiten Rechenstufe 9 erfolgt dann die Berechnung der exspiratorischen Zeitkonstan­ ten/Volumen-Funktion, wobei für jeden Volumenab­ schnitt die durch die Steigung bestimmten Zeitkonstan­ ten ermittelt werden. Dabei wird für jeden Volumenab­ schnitt die jeweilige Zeitkonstante aus der Steigung ei­ ner mathematisch approximierten Geraden berechnet.

Die zweite Rechenstufe ist mit der Vergleichsstufe 10 verbunden, die zur Detektion von Veränderungen der Zeitkonstanten/Volumen-Funktion gegenüber einer Ausgangsfunktion dient. Zum Erkennen von charakteri­ stischen Veränderungen der Zeitkonstanten/Volumen- Funktion und damit zur differentialdiagnostischen De­ tektion einer Endotrachealtubus-Obstruktion ist ein Mustererkennungs-Algorithmus vorgesehen. Mit die­ sem kann mit hoher Sicherheit unterschieden werden, ob es sich um eine Endotrachealtubus-Obstruktion oder eine Obstruktion der Atemwege handelt. Mit Hilfe der Informationsausgabe 11 kann die Art der Atemwegs- Obstruktion eindeutig angezeigt werden, da nur zwei Zustandsanzeigen erforderlich sind.

In Fig. 2 ist eine exspiratorische Volumen/Fluß-Kur­ ve erkennbar, die oben bei einem bestimmten Lungen- Füllvolumen (Atemwegsvolumen) beginnt. Zu Beginn der Ausatemphase stellt sich zunächst ein sehr hoher Atemgas-Fluß ein, der exponentiell abklingt. Das auf der Ordinate des Diagrammes aufgetragene Volumen ist ab einem bestimmten Punkt IP (inflection point) der Kurve nach Überschreiten des Spitzenflusses in gleiche Volumenabschnitte, im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel in fünf Volumenabschnitte unterteilt. Für jeden Volumenabschnitt wird dann die Zeitkonstante durch mathematische Approximation einer Geraden berech­ net.

In Fig. 3 sind die einzelnen, durch Geraden approxi­ mierte Kurvenabschnitte aus Fig. 2 erkennbar, wobei die Steigung jedes geraden Linienabschnittes die Exspi­ rations-Zeitkonstante des entsprechenden Volumenab­ schnittes widergibt.

In Fig. 4 ist die Exspirations-Zeitkonstante über dem Ausatem-Volumen aufgetragen. Die gepunkteten Li­ nien zeigen die Grenzen der analysierten Ausatmung von dem Punkt IP (vgl. Fig. 2) bis zum Ende der Ausat­ mung. Anhand dieser Zeitkonstanten/Volumen-Kurve lassen sich Obstruktionen im Bereich des Endotracheal­ tubus einerseits und im Bereich der Atemwege des Pa­ tienten andererseits deutlich unterscheiden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen jeweils drei unterschiedliche Kurvenverläufe, die sich bei unterschiedlichen Obstruk­ tionen des Endotrachealtubus einstellen. Experimentell wurde dies durch Einführen von im Durchmesser unter­ schiedlichen Kathetern in den Endotrachealtubus er­ reicht.

In dem Diagramm nach Fig. 5 ist erkennbar, daß mit zunehmender Verengung des Endotrachealtubus ent­ sprechend der Volumenstrom abnimmt. In dem gezeig­ ten Beispiel würde sich bei einem freien Endotracheal­ tubus ein Volumenstrom von maximal etwa 1,2 l pro Sekunde einstellen (vergl. Kurve I), während bei einer Obstruktion von etwa 7,5% schon ein deutlich verrin­ gerter Spitzenvolumenstrom in der Größenordnung um 1,1 l pro Sekunde vorhanden ist (vergl. Kurve II). Bei einer Obstrukion des Endotrachealtubus mit einer Querschnittsverringerung von etwa 25% würde sich dann nur noch ein Spitzenvolumenstrom von etwa 0,8 l pro Sekunde einstellen (vergl. Kurve III).

In dem Diagramm nach Fig. 6 sind die im Verlauf der Exspirationsphase sich ergebenden, abnehmenden Zeit­ konstanten anhand der Kurven I bis III erkennbar. Be­ sonders deutlich ist der Unterschied der Zeitkonstanten im Anfangsbereich der Kurven, weil sich zu Beginn der Exspirationsphase Widerstandsänderungen im Endotra­ chealtubus wegen der Flußabhänigkeit des Strömungs­ widerstandes im Endotrachealtubus und damit auch der Zeitkonstanten entsprechend stark auswirken.

Die Kurve I zeigt den Zeitkonstanten-Verlauf in der Exspirationsphase bei freiem Endotrachealtubus, wäh­ rend die Kurve II den Zeitkonstanten-Verlauf bei 7,5- prozentig verengtem und die Kurve III bei 25-prozen­ tig verengtem Trachealtubus zeigen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen Kurvenverläufe I und II, die sich vor und nach der Sekret-Absaugung aus dem Endo­ trachealtubus einstellen. Deutlich ist in Fig. 7 die Redu­ zierung des Volumenstromes bei dem Kurvenverlauf I gegenüber dem Kurvenverlauf II erkennbar. Auch hier­ bei ergeben sich vor und nach der Absaugung bezüglich der Zeitkonstanten (Fig. 8) deutliche Unterschiede.

Die Fig. 9 und 10 zeigen in den Kurven I und II die Situationen während und nach einer akuten Bronchial­ verengung (Asthmaanfall).

Auch hier ist wiederum in dem Diagramm nach Fig. 9 bei vorhandener Atemwegsverengung gemäß Kurve I im Vergleich zu der Kurve II in Fig. 9 eine deutliche Reduzierung des Volumenstromes erkennbar. Um hier allerdings den Unterschied beispielsweise zu den unter­ schiedlichen Kurven gemäß Fig. 7 erkennen zu können, wären spezielle Kenntnisse erforderlich. Dagegen ist in dem Diagramm gemäß Fig. 10 anhand eines Vergleiches der unterschiedlichen Zeitkonstanten-Verläufe eine kla­ re Unterscheidung zwischen einer Obstruktion der na­ türlichen Atemwege (Fig. 10) und einer Obstruktion des Endotrachealtubus (Fig. 6 und 8) erkennbar. Insbeson­ dere ist in Fig. 10 verdeutlicht, daß die Steigungen der beiden Kurven I und II gemäß Fig. 9 in der Anfangspha­ se der Exspiration praktisch unverändert blieb und sich erst im weiteren Kurvenverlauf Änderungen einstellen, die aber erst in der daraus abgeleiteten Kurve gemäß Fig. 10 anhand der Zeitkonstanten deutlich erkennbar werden.

Wie bereits anhand der Fig. 1 beschrieben, können die unterschiedlichen Änderungen der Zeitkonstanten/­ Volumen-Funktion, die sich einerseits bei einer Ob­ struktion des Endotrachealtubus und andererseits bei einer Obstruktion der natürlichen Atemwege einstellen, mit Hilfe der Vergleichsstufe 10 erkannt werden. Insbe­ sondere werden dabei mit Hilfe eines automatischen Mustererkennungsalgorithmus Veränderungen der Zeitkonstanten/Volumen-Funktion gegenüber der je­ weils vorhandenen Ausgangsfunktion erkannt. Eine ent­ sprechende Informationsausgabe kann dann eine ein­ deutige Signalisierung geben, ob bei der Obstruktion der Endotrachealtubus oder der Patient selber die Ursa­ che ist. Entsprechend gezielt können dann entsprechen­ de Behandlungsschritte eingeleitet werden.

Claims (6)

1. Beatmungseinrichtung zur kontrollierten, mecha­ nischen Beatmung von Patienten, wobei die Ein­ richtung einen in die Trachea des Patienten ein­ führbaren Endotracheal-Tubus (3), einen Respira­ tor (4) sowie einen Atemgas-Durchflußmesser (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Durchflußmesser (5) eine Auswerteeinrichtung (6) angeschlossen ist, die einen mit dem Meßausgang des Durchflußmessers (5) verbundenen Integrator (7) zum Integrieren des Gasflusses zum Atemgas- Volumen aufweist, weiterhin eine erste Rechenstu­ fe (8) zum Berechnen der exspiratorischen Volu­ men/Fluß-Funktion aus dem gemessenen Gasfluß­ signal und dem daraus integrierten Gasvolumen, weiterhin eine zweite Rechenstufe (9) zur Berech­ nung der durch die Steigung bestimmten Zeitkon­ stanten jeweils von Abschnitten der Volumen/­ Fluß-Funktion (exspiratorische Zeitkonstanten/­ Volumen-Funktion), daß sich an die zweite Rechen­ stufe (9) eine Vergleichsstufe (10) anschließt, in der charakteristische Veränderungen der Zeitkonstan­ ten/Volumen detektierbar sind und daß die Aus­ werteeinrichtung (6) schließlich eine Informations­ ausgabe (11) über die Art der Atemwegs-Obstruk­ tion aufweist.

2. Beatmungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rechenstufe (9) zum Erstellen einer Funktion der einzelnen Zeit­ konstanten der vorzugsweise volumengleichen Ab­ schnitte der Volumen/Fluß-Funktion über dem Ex­ spirations-Volumen ausgebildet ist.

3. Beatmungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen von charakteristischen Veränderungen der Zeitkon­ stanten/Volumen-Funktion und damit zur differen­ tialdiagnostischen Detektion einer Endotracheal- Tubus-Obstruktion ein Mustererkennungs-Algo­ rithmus vorgesehen ist.

4. Beatmungseinrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rechenstufe (9) zur Aufteilung der Volumen/Fluß- Funktion in wenigstens drei, vorzugsweise fünf und insbesondere gleiche Volumen-Abschnitte in der Exspirationsphase ausgebildet ist.

5. Beatmungseinrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteeinrichtung (6) zur Informationsausgabe mit zwei Zustandsanzeigen zur Unterscheidung zwi­ schen einer Obstruktion im Bereich des Endotra­ cheal-Tubus und einer Obstruktion im Bereich der Atemwege des Patienten ausgebildet ist.

6. Beatmungseinrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ rechnung der Zeitkonstanten in den einzelnen, ex­ ponentiellen Kurven-Abschnitten der Volumen/­ Fluß-Funktion durch mathematische Approxima­ tion einer Geraden erfolgt.