DE19716166A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung und Unterstützung natürlicher Atmung und künstlicher Beatmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterstützung der natürlichen spontanen Atmung sowie zur Durchführung einer mechanischen Beatmung durch Erfassen der durch Herzaktion und Blutkreislauf beeinflußten elektrischen Impedanz im Bereich des Halses und Brustraums sowie der Steuerung einer Beatmungsmaschine mit den aus der elektrischen Impedanzmessung gewonnenen Informationen.

Die Unterstützung der natürlichen spontanen Atmung und der Ersatz der natürlichen äußeren Atmung durch Beatmungsmaschinen ist ein wichtiger Faktor für die Widerstandsfähigkeit und Leistungsfähigkeit eines Organismus unter Extrembedingungen, beispielsweise in der Höhenphysiologie, Tauchmedizin, Sportmedizin, Flug- und Weltraum-Medizin. Die künstliche Beatmung unterstützt und ersetzt dabei spontane Atmungsfunktionen und gewährleistet damit die lebenswichtige Versorgung der Organe mit Sauerstoff und den Abtransport des im Stoffwechsel entstandenen Kohlendioxids.

Beim natürlich einatmenden Organismus wird durch Zwerchfell- und Rippenbewegungen im Brustraum ein Unterdruck erzeugt, in dessen Folge Atemluft in die Lungen strömt. Bei der künstlichen Beatmung wird in der Einatmungsphase das Atemgas von außen mit einem höheren Druck in die Lungen befördert. Bei der assistierten Beatmung wird das durch Rippen- und Zwerchfell-Bewegung bewirkte Druckgefälle - Unterdruck im Brustraum - durch einen äußeren von einem Beatmungsgerät aufgebauten Überdruck verstärkt.

Die Unterstützung der natürlichen Atmung durch Beatmungsgeräte setzt eine differenzierte Steuerung der Beatmungsmaschine voraus, wobei die Qualität dieser Beatmungsform wesentlich von der Anpassung der Steuerung der Beatmungsmaschine an die vom Beatmeten intendierte spontane Atmung abhängt. Die künstliche Beatmung mit einem intermittierenden positiven Druck während der Einatmungsphase (intermittend positive pressure ventilation IPPV) verändert die beim spontan Atmenden vorliegenden Druck und Kreislaufverhältnisse (1). Versprille et al. (2) zeigen, daß das Schlagvolumen des Herzens bei maschineller Beatmung während der Insufflation des Atemgases deutlich absinkt. Ebenso wird die Lungendurchblutung und der venöse Rückstrom über die obere und untere Hohlvene durch die Druckschwankungen im Brustraum beeinflußt (3, 4). Aus den im Bereich des Brustraum meßbaren Impedanzkurven können abhängig von der Plazierung der Strom- und Meß- Elektroden Informationen bezüglich des Schlagvolumens der Auswurf- und Füllungszeit des Herzens, der Klappenfunktion, der Herzarbeit, des thorakalen Blut-, Luft-, und Flüssigkeitsgehaltes gewonnen werden. Die Erfindung nutzt die im Bereich des Brustraumes meßbare Impedanzänderung zur Steuerung der mechanischen Beatmung. Als Steuerung der Beatmung sind alle jene Vorgänge gemeint, die bei dem Beatmungsgerät eine Änderung des Beatmungsdrucks, der Atemgaszusammensetzung, der Atemgastempera­ tur und der elektrischen Ladung des Atemgas es während der Ein- und Ausatmungsphase bewirken. Die Verwendung der Impedanz­ kardiographie zur Steuerung der Beatmung bietet gegenüber anderen Meßsignalen den Vorteil, daß die Volumenverschiebungen durch die Herzaktion und die Atmung direkt und ohne nennenswerte zeitliche Verzögerung erfaßt werden. Die Verwendung des arteriellen Drucks zur Steuerung einer Beatmungsmaschine, beispielsweise durch Kanülierung der Arteria radialis, ist mit einer Verzögerung durch die mechanische Impedanz und Pulswellenlaufzeit zwischen Herz und Druckaufnehmer behaftet. Bei entsprechender Nutzung des Elektrokardiogramms zur Steuerung der Beatmung bliebe bei der Steuerung des Beatmungsgerätes die Latenz zwischen elektrischer und mechanischer Herzaktion weitgehend unberücksichtigt.

In einem Anwendungsbeispiel Fig. 1 besteht die Erfindung aus einer Vorrichtung zur Messung der Impedanzkurven, bestehend aus mindestens zwei mit dem Brustraum oder Hals in Verbindung stehenden Stromelektroden (1, 4), die an einen Wechselstromgenerator der Impedanzmeßeinheit (A) angeschlossen sind und 2 Meßelektroden (2, 3), die die zwischen den Stromelektroden ableitbare Körperimpedanz messen und mit einem Meßverstärker der Impedanzmeßeinheit (A) verbunden sind sowie einer Druckmesseinheit (D), mit der der im Beatmungssystem herrschende Druck gemessen wird, die ebenfalls mit einem Verstärker der Meßeinheit (A) verbunden ist. Die Impedanz-Meßeinheit ist mit einer Prozessor-Einheit (B) verbunden, mit der die aufgenommenen Impedanzänderungskurven und Beatmungsdruckkurven bearbeitet werden, beispieleweise durch Analyse der Amplitudenhöhen der Minima, Maxima, Wendepunkte und Flächen der Impedanzkurven ZO, der Impedanzänderungsgeschwindigkeit dZ/dt, des Beatmungsdruckes und der Beatmungsdruckänderungsgeschwindigkeit. Die Prozessoreinheit setzt die mit der Meßeinheit (A) aufgenommenen Impedanz und Drucksignale in Steuerimpulse für die Motoren und Ventile der Beatmungspumpe um. Mithilfe einer Steuereinheit (E) und einem Sichtgerät (F) kann dem Prozessor mitgeteilt werden, in welcher Art die vom Impedanz- meßverstärker aufgenommenen Signale in Steuerimpulse für die Beatmungspumpe bzw. deren Ventile umgesetzt werden sollen. Darüberhinaus können alle gemessenen Parameter mit dieser Steuereinheit auf verschiedenen Medien aufgezeichnet und weitergeleitet werden. Auf dem Sichtgerät können die mit dem Impedanzmeßverstärker aufgenommenen Kurven sowie andere gemessene Parameter wie der Beatmungsdruck dargestellt werden. Der die Beatmungspumpe (K) betreibende Motor (M) wird nach Verstärkung im Steuerverstärker (C) durch die vom Prozessor (B) ausgegebenen Steuerimpulse direkt angetrieben. Auch die den Atem-Gasstrom steuernden Ventile (V) werden durch die Steuerimpulse des Prozessors nach Verstärkung im Steuerverstärker (B) betrieben. Das Impedanzsignal wird in jeder Phase der Beatmungs- und Herz-Ak­ tionen erfaßt und ausgewertet. Mit der Steuereinheit wird dem Prozessor mitgeteilt, wie die Impedanzkurven in Steuerimpulse für den Motor der Beatmungspumpe umgesetzt werden sollen. Die Ausgabe der Steuerimpulse durch die Prozessoreinheit kann dabei frei durch die Steuereinheit definiert und programmiert werden. In einem einfachen Funktions-Beispiel kann eine cardial synchronisierte mechanische Ventilation (CSMV) durch die Beatmungspumpe dergestalt betrieben werden, daß die Insufflation des Atemgases in der diastolischen Pause der Herzaktion durchgeführt wird, während die Beatmungspumpe während der systolischen Auswurfphase der Ventrikel ruht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann innhalb der Vorrichtung aus dem Atemgasstrom die Sauerstoffausschöpfung oder Kohlendioxidanreicherung gemessen werden und diese Daten zur Kalibrierung der mit der Impedanzmessung errechneten Werte herangezogen werden. Auch können die Meßwerte für Sauerstoff und Kohlendioxid zur Steuerung der Beatmungsmaschine hinzugezogen werden.

Literatur

• 1. Jardin F, Farcot JC, Gueret P, Prost JF, Ozier Y, Boudarias JP 1983 Cyclic changes in arterial pulse during respiratory support, Circulation 68, no. 2, 266-274
• 2. Versprille A, Jansen JRC, Friedman RC, Hulsmann AR, v. d. Klauw MM 1990 Negative effect of insufflation on cardiac output and pulmonary blood volume, Acta anaesthesiol Scand 34: 607-613
• 3. Versprille A. 1990 The pulmonary circulation during mechanical ventilation, Acta anaesthesiol Scand 94: 51-62
• 4. Versprille A, Jansen JRC 1985 Mean systemic filling pressure as a characteristic pressure for venous return, Pflügers Arch 405: 226-233

Claims (5)

1. Vorrichtung zur maschinellen Unterstützung der natürlichen Atmung und Durchführung einer künstlichen Beatmung mit gleichzeitiger Erfassung der mechanischen Herzaktion durch Messung von elektrischen Impedanz­ änderungen im Bereich von Hals, Brustraum und/oder Oberbauch, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere elektrische Impedanzkardiogramme mit einer oder mehreren Wechselstromfrequenzen und/oder unterschiedlich angelegten Plazierungen der Stromelektroden (1, 4) und Meßelektroden (2, 3) zur Steuerung des Beatmungsgerätes (M, K, V) eingesetzt werden, wobei der Verlauf der mit dem Impedanzmeßverstärker (A) gemessenen Impedanzkurven einer Prozessoreinheit (B) zugeführt wird, die die von dem Beatmungsgerät (M, K, V) durchgeführte Atemgaszuführung und Atemgasrückführung steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der mit dem Impedanzmeßverstärker (A) erfaßten Impedanzkurven auf die Steuerung der Beatmungs­ maschine (M, K, V) durch die Prozessoreinheit (B) mit einer Wähl-, Steuer- und Speichereinheit (E, F) frei gewählt und verändert wird.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Impedanzmeßverstärker (A) gemessenen Impedanzkurven, die an einen Verstärker (C) ausgegebenen Steuerimpulse für das Beatmungsgerät (M, K, V) sowie die gemessenen Verlaufskurven für Atemgasfluß und Beatmungsdruck mit der Wähl-, Steuer- und Speichereinheit (E, F) aufgezeichnet werden.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Atemgaskonzentration und Atemgastemperatur von der Prozessoreinheit (B) gesteuert wird, die von dem Impedanzmeßverstärker (A) Impulse erhält, wobei der Einfluß der vom Impedanzmeßverstärker (A) an die Prozessoreinheit (B) zugeführten Impulse auf die Zusammensetzung der Atemgaskonzentration und Atemgastemperatur des von der Beatmungsmaschine (M, K, V) zugeführten und rückgeführten Atemgases durch die Wähl-, Steu­ er- und Speichereinheit (E, F) frei gewählt wird.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Sauerstoffausschöpfung im Atemgas oder der Verlauf der abgeatmeten Kohlendioxidmenge der Wähl-, Steuer- und Speichereinheit (E,F) zugeführt und zur Berechnung des Herzzeitvolumens mit der elektrischen Impedanzmessung hinzugezogen wird.