DE19746742A1 - Gasversorgungssystem für spontanatmende Patienten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein sensorgesteuertes Gasmischungssystem und dessen Verwendung im Bereich der Medizin.

Ein Inhalations-Anästhesiegerät wird beispielsweise beschrieben in DE 37 12 598 A1. Es dient zur Dosierung von Narkosegas in das Atemgas.

DE 43 25 319 C1 beschreibt ein Gerät zur kontinuierlichen Zudosierung von NO zur Atemluft von Patienten, enthaltend einen Respirator, einen NO-Dosierbehälter, eine Dosiereinheit mit Steuergerät und einen Analysator zur Bestimmung der NO-Konzentration in der Atemluft. Das Steuergerät (Kontroll- und Regeleinheit) übernimmt die Dosierung des zu dosierenden NO durch Bestimmung der Volumenströme von Atemgas und NO unter Berücksichtigung des NO-Analysewertes. Die NO-Dosierung erfolgt volumenproportional oder volumenstromproportional.

Patienten mit chronischen Atembeschwerden (z. B. Asthma und COPD (chronisch obstruktive Atemwegserkrankung/Chronic Obstructive Pulmonary Disease)) werden durch einen in der Regel transportablen Sauerstoffspender in der Sauerstoffversorgung des Körpers unterstützt. Solche Patienten werden als spontanatmende Patienten bezeichnet, im Unterschied zu Patienten, die in der Klinik an ein Beatmungsgerät angeschlossen sind. Spontanatmende Patienten erhalten so zum Beispiel eine zusätzliche Sauerstoffspende (LOT = Langzeitsauerstofftherapie) oder eine Atmungsunterstützung (per CPAP = continuous posit. airways pressure). Verabreicht werden die Gase entweder über eine sogenannte Nasenbrille (im einfachsten Fall ein Gasversorgungsschlauch, dessen Öffnung unterhalb der Nasenöffnungen des Patienten offen angeordnet ist), welche auch Nasalapplikation genannt wird, oder per Atemmaske (besonders bei CPAP). Die sauerstoffspendenden, in der Regel mobilen Geräte geben den Sauerstoff kontinuierlich ab und arbeiten ungeregelt. In den Systemen kann sich auch ein Atemgasanfeuchter befinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Versorgung mit medizinischen Gasen von Patienten, insbesondere spontanatmenden Patienten, zu verbessern.

Gelöst wurde die Aufgabe durch ein sensorgesteuertes Gasedosiersystem.

Als Sensoren werden allgemein Meßfühler verstanden. Der Begriff umfaßt auch Meßgeräte und Analyseeinrichtungen.

Das Gasedosiersystem oder Gasedosiergerät enthält eine oder mehrere Gasquellen (z. B. Sauerstoffquelle) mit mindestens einem sensorgesteuerten Ventil (z. B. gesteuertes Gasdosierventil) und in der Regel mindestens eine Gasleitung, die zum Patienten geführt wird.

Das Gasedosiergerät kann mit einer Atemmaske oder einer Nasenbrille gekoppelt sein.

Als Gasquelle dienen in der Regel Druckgasbehälter z. B. Druckdosen oder Druckgasflaschen) mit einem komprimierten Gas oder Behälter mit verflüssigtem Sauerstoff (zur Abgabe von verdampftem, gasförmigen Sauerstoff).

Bei Druckgasbehältern als Gasquelle steuert ein Sensor das Gasabgabeventil (Absperrventil oder Dosierventil), wobei der Sensor entweder nur ein Steuersignal (Triggersignal) für die Öffnung des Ventiles liefert oder zusätzlich die Menge des Gases, den zeitlichen Verlauf der Gasdosierung (z. B. Öffnungsdauer des Ventiles) oder den zeitlichen und mengenmäßigen Verlauf der Gasdosierung steuert. Das gesteuerte Ventil ist vorzugsweise ein Magnetventil.

Bei Vorratsbehältern mit kälteverflüssigten Gasen kann die Abgabe (Verdampfung) des Gases über einen Sensor gesteuert werden. Beispielsweise kann eine Heizvorrichtung im Vorratsbehälter mittels eines Sensors gesteuert werden. Es kann auch alternativ oder zusätzlich ein Ventil in einem angeschlossenen Gasversorgungsschlauch zur Steuerung des Gasflusses dienen.

Das Volumen eines dosierten Gases (z. B. des applizierten Sauerstoffes) kann beispielsweise variiert werden, indem ein elektrisch gesteuertes Magnetventil nach dem Inspirationstrigger geöffnet und nach einer vorgegebenen Zeit wieder geschlossen wird. Das Volumen kann auch variiert werden, indem das Magnetventil für die Inspirationszeit (Zeitintervall des Einatmens) in einem variablen Impuls/Pausenverhältnis taktet.

Als Sensor eignet sich beispielsweise ein Drucksensor, der den Gasdruck mißt, insbesondere ein Unterdrucksensor. Das Meßsignal des Sensors kann bereits als Steuersignal dienen (z. B. bei sogenanntem "Smart Sensor") oder mittels einer elektronischen Einrichtung und/oder einer Computerschaltung (z. B. computergestützt) in ein Steuersignal umgewandelt werden. Der Sensor kann beispielsweise den Druck (Gasdruck) in oder vor der Nase messen. Vorzugsweise werden stark miniaturisierte Sensoren eingesetzt, die eine direkte Plazierung am Meßort (Nase) ermöglichen. Der Sensor kann aber auch von dem eigentlichen Meßort entfernt angeordnet und z. B. durch eine geeignete Schlauchleitung mit dem Meßort verbunden sein. Dies kann beispielsweise bei Vakuummeßgeräten (Druckmeßgeräten) als Sensor der Fall sein oder bei Sensoren (Meßgeräten, Analysegeräten) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente im ein- oder ausgeatmeten Gas z. B. Kohlendioxid- oder Sauerstoffkonzentration. Es können zur Steuerung der Gasdosierung und/oder Gasmischung auch verschiedene Sensoren kombiniert werden. Beispielsweise können Drucksensoren und gasspezifische Sensoren oder Gasanalysesysteme kombiniert werden. Bei Veränderung der Zusammensetzung des ausgeatmeten Gases kann z. B. die zur Atemluft zudosierte Gasmenge pro Atemintervall verändert werden, während die Dosierung des Gases durch einen Drucksensor getriggert wird.

Drucksensoren nutzen beispielsweise die Änderung des lokalen Gasdruckes beim Atmen. Bei Druckabfall mit beginnendem Atemzug (Beginn der inspiratorischen Atemphase) kann das Meßsignal des erzeugten Unterdruckes ein Triggersignal für die Ventilsteuerung oder einer anderen Dosiervorrichtung auslösen. Geeignete Drucksensoren sind beispielsweise druckempfindliche Halbleitersensoren. Über einen Drucksensor (Unterdrucksensor), der an einem beliebigen Punkt dieses Systemes (Nasenbrillenschlauch oder Maskenschlauch) oder aber als extra ausgeführter Schlauch (beispielsweise um den Nasendruck genau zu erfassen) angeschlossen ist, kann dieser Beginn der inspiratorischen Atemphase, da der Unterdruck beim Einatmen unter eine Schwelle fällt (auch als einstellbarer Inspirationstrigger) erkennen. Ein Schalldrucksensor kann Änderungen des Atemgeräusches im Verlaufe der Atmung zur Steuerung nutzen (z. B. Mikrophon).

Geeignete Drucksensoren beruhen auf unterschiedlichsten Funktionsprinzipien und sind in den unterschiedlichsten Ausführungen erhältlich. Drucksensoren werden grob in Absolutdruck- und Differenzdrucksensoren eingeteilt. Beide Arten sind erfindungsgemäß einsetzbar. Die unterschiedlichen Drucksensortypen und Funktionsweisen sind in "G.W. Schanz, Sensoren - Fühler der Meßtechnik, 2. Auflage, Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg 1988, insbesondere Kapitel 3.9.5 Sensoren für Druck, S. 292-325", worauf hiermit Bezug genommen wird. Geeignete Drucksensoren sind beispielsweise piezoresistive Drucksensoren, monokristalline Drucksensoren, monolithische Drucksensoren, Dünnschicht-Drucksensoren Dickschicht-Drucksensoren, Keramikmembran-Drucksensoren, kapazitive Drucksensoren, piezoelektrische Drucksensoren, Schalldrucksensoren, Dehnmeßstreifen-Sensoren.

Eine weitere Möglichkeit ist anstatt des Drucksensors einen Volumsstromsensor nach dem Magnetventil (patientenseitig) zu plazieren. Dieser kann in Form einer Differenzdruckmessung über eine Verengung mit bekanntem Querschnitt oder aber auch beispielsweise als Temperatursensor (Heitzdrahtanemometer, Wärmetransport, Wärmeabfall, etc.) oder als Ultraschallwandler ausgeführt sein.

Das Inspirationstriggersignal wird vorzugsweise mittels eines Volumsstromsensors ausgelöst. Der Volumsstrom braucht dabei nicht mehr errechnet werden. Gleich wie bereits erwähnt, läuft nun das Prozedere ab und nach Erreichen des gewünschten Volumens/Zeit schließt das Magnetventil wieder. Das/die Volumen können jedoch auch so variiert werden, daß das Magnetventil für die Inspirationszeit in einem variablen Impuls/Pausenverhältnis taktet.

In vorher erwähnten Fällen wird immer von der Applikation eines Gases ausgegangen. Ein weiterer Teil der Erfindung ist nun die Dosierung von zwei oder mehreren Gasen über zwei oder mehrere Gasequellen (z. B. via Magnetventil), wobei entweder/und/oder der Gesamtvolumsstrom ermittelt (errechnet) oder aber die Teilvolumsströme ermittelt (errechnet) werden können. Der/die Auslöser der Triggerung kann/können der/die selbe(n) sein wie vorher erwähnt.

Nun kann als Steuerparameter auch noch das Mischungsverhältnis gewählt werden indem die Magnetventile verschieden lange geöffnet werden oder verschiedene Impuls/Pausenlängen während der Inspirationsphase takten.

Bei dieser Methode ist es weiterhin möglich, eine oder mehrere Konzentrationen von Gasen über den Faktor Zeit oder Zeit/Volumsstrom (auch über Druck) zu steuern. Auch hier kann ein mehr oder weniger elektronifiziertes System (Zeitrelais mit Volumen- oder Konzentrationsskala und/oder ein Mikroprozessorsystem) diese Aufgabe übernehmen.

Eine verbesserte Homogenisierung des Gasgemisches kann nun erlangt werden, indem entweder eine Mischstrecke/Mischkammer oder/und eine direkt aufeinanderprallende Stellung der Gaseingänge hergestellt wird.

Somit ist eine Möglichkeit der NO-Therapie gemeinsam mit der Sauerstoff- Langzeittherapie möglich. Als weiteres Gas (Gaskomponente) kann Helium dem Atemgas zudosiert werden. Helium verbessert die Belüftung der Lunge aufgrund der Kriechfähigkeit des Heliums. Die Dosierung der Menge der verschiedenen Gase und die Dosierintervalle der einzelnen Gase ist in der Regel voneinander unabhängig und kann durch direkt zugeordnete Sensoren gesteuert werden. Es kann auch eine Kombination von einer oder mehreren Gasdosierungen ohne Sensorsteuerung (z. B. Zeitschaltung für die Dosierung einer Gaskomponente) und sensorgesteuerter Gasdosierung einer oder mehrerer anderer Gaskomponenten vorteilhaft eingesetzt werden.

Ein Gas (Gaskomponente) kann auch onsite hergestellt werden, z. B. Stickstoffmonoxid (NO), insbesondere NO in Stickstoff. Der Onsite-Generator für das Gas ist eine weitere Gasquelle. NO kann beispielsweise durch Glimmentladung in Stickstoffgas hergestellt werden.

Durch geeignete Wahl der einer oder mehrerer Gasquellen (z. B. Flüssigsauerstoff Stickstoffmonoxid, insbesondere NO in Stickstoff) und Wahl der richtigen Gasekonzentration (z. B. 1000 ppm NO in Stickstoff) oder Einsatz eines onsite- Generators, ist dieses System (dadurch stromsparend darstellbar mit Batteriebetrieb) als Mobilsystem darzustellen.

Der patientennahe Einsatz bei der NO-Application, z. B. bei chronischen Erkrankungen, kann durch Einsatz eines Filters für Stickstoffdioxid (NO₂), z. B. Filter mit Polyphenylensulfid als Filtermaterial oder Sodalime-Patrone, verbessert werden. Z.B. kann auch ein onsite-Generator für NO mit einem NO₂-Filter vorteilhaft kombiniert werden. Ein Filter, z. B. in einem Atemschlauch, würde die Strömungs- und Homogenisierungseigenschaften bei Mischung von Gasen weiter verbessern.

Eine Gaseanalytik (Erfassung der Gaszusammensetzung und Gaskonzentrationen) kann Aufschluß über Konzentration und/oder Homogenisierung geben. Diese Parameter dienen vorzugsweise gleichzeitig sowohl als Meßwertausgabe als auch für eine Sicherheitsabschaltung eines oder mehrerer Gase.

Ein weiteres Beispiel soll der gesteuerte Einsatz der Gase NO, Sauerstoff (LOT), Helium und Kohlendioxid sein.

Wie bereits vorher erwähnt, ist eine Volumsstromvariierung auch über den Druck möglich. Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist, anstelle der Zeitdauer der Öffnung des (der) Magnetventile(s) den Druck des Systemes durch ein elektronisches System (z. B. Mikroprozessor) zu verstellen. Damit kann nun wahlweise mit dem Volumsstrom (über den Druck) und/oder der Zeitdauer der Öffnung des (der) Magnetventile(s) das Volumen/die Konzentration variiert werden.

Eine weitere Ausführungsform ist die Verwendung eines einstellbaren Druckreglers für die Gasdosierung, dessen Einstellvorrichtung (z. B. Einstellrad) beispielsweise über einen Schrittmotor oder Elektromotor verstellt wird. Weiterhin kann beispielsweise die Verstellung des Druckes mittels eines Regelventiles erfolgen, welches als Istwert des Regelkreises den Istdruck des Systemes und als Solldruck den Wert von einer Steuereinheit (z. B. Mikroprozessor oder computergestützte Regelung) erhält.

Um die verschiedenen Gase besser zu vermischen, ist ein weiterer Teil der Erfindung ein Mischstreckeneinbau im Schlauchsystem. Dies gilt sowohl für Schlauchsysteme im Intensivbereich (22 mm Schlauchdurchmesser für Erwachsenen-, 15 mm für Kinder-, 10 mm für Neonatenbeatmung) als auch für z. B. 8 mm bzw. 10 mm-Schlauchsysteme für die Heimtherapie von chronisch Erkrankten. Diese Mischstrecke ist so aufgebaut, daß ein Widerstandskörper dem Gasfluß (Gaseflow) entgegensteht. Diese Mischstrecke wird zwischen Einspeisung des Gases und dem Patienten in das Schlauchsystem geschaltet. Dieses verringert weiters z. B. die Kontaktzeit von NO und Sauerstoff (geringere NO₂-Bildung).

Fig. 1 zeigt schematisch eine Atemmaske 2 mit Sensor 1 (z. B. Drucksensor) und Gasversorgungsschlauch 3 (z. B. Sauerstoff).

Fig. 2 zeigt schematisch eine Nasenbrille 4 mit Sensor 1 (z. B. Drucksensor) und Gasversorgungsschlauch 3 (z. B. Sauerstoff). Zur Versorgung des Patienten mit verschiedenen Gasen können mehrere Nasenbrillen 4 am Patienten angeordnet werden.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Diagramm des Nasendruckes P_N als Funktion der Zeit t ohne Gasdosierung, gemessen mit einem Drucksensor vor der Nasenöffnung. Die Marken a und b zeigen Start und Ende eines Inspirationsintervalles (Einatmen).

Fig. 4 zeigt schematisch ein Diagramm des gemessenen Nasendruckes P_N als Funktion der Zeit t bei Dosierung von Sauerstoff. Das untere Diagramm (Schema) zeigt den Volumenstrom von dosiertem Sauerstoff im Dosierintervall a bis b (Inspirationsintervall).

Fig. 5 zeigt schematisch ein Diagramm des gemessenen Nasendruckes P_N als Funktion der Zeit t bei getakteter Dosierung von Sauerstoff. Das untere Diagramm (Schema) zeigt den Volumenstrom von getaktetem dosiertem Sauerstoff im Dosierintervall a bis b (Inspirationsintervall).

Fig. 6 zeigt schematisch eine sensorgesteuertes Gasedosiersystem mit mehreren Sensoren 1 (P1: Druck), 1' (P2: Druck) und 1'' (T: Temperatur) und einer Gasquelle 7 (z. B. Sauerstoff). Ist der Druck des Gases (z. B. Sauerstoff) entweder durch eine einmalige oder eine kontinuierliche Messung des Druckes (P1) sowie der Durchmesser einer oder möglicherweise mehrerer Düsen 5 oder Einengungen (kann auch z. B. der Durchmesser des Ventileinganges oder Ventilsitzes sein) bekannt, so kann einmalig oder kontinuierlich der zum Patienten applizierte Volumsstrom und durch Kenntnis der Zeitdauer das applizierte Gasvolumen ermittelt werden. Es ist auch möglich, mittels Temperatur (Temperatursensor) den Volumsstrom über eine Druck-/Temperatur-Rückrechnung den genauen Normvolumsstrom zu ermitteln. Der Auslöser des Beginnes der Inspirationsphase und damit der Beginn der Öffnung des Magnetventiles kann durch den Unterdrucksensor P2 getriggert werden. Durch ein an einem Potentiometer an der Steuereinheit 6 zugeordnetes Volumen (oder aber Eingabe/Anzeige eines höher elektronifizierten Systemes wie z. B. Mikroprozessor/Controller) wird die Zeitdauer der Öffnung und damit das zu applizierende Volumen angezeigt bzw. eingestellt.

Fig. 7 zeigt schematisch ein Gasedosiersystem mit Druckreduziereinrichtung an der Gasquelle 7. Durch Variierung des Druckes des Versorgungsgases, dies kann ein Druckgasbehälter mit Druckreduziereinrichtung oder ein Flüssiggasbehälter mit Verdampfungseinrichtung mit oder ohne Druckreduziereinrichtung sein, kann der Volumenstrom verändert werden. Dies wird durch die Druckmessung erkannt und die neue Zeit oder aber das neue applizierte Volumen kann dargestellt und berechnet/gesteuert werden.

Fig. 8 zeigt schematisch den Verlauf des Gesamtvolumenstromes analog dem Nasendruck P_N (unterstes Diagramm) bei Dosierung mehrerer Gase mit den jeweiligen Volumenströmen V₁, V₂, V_n. Eine geeignetes Gasedosiersystem ist in Fig. 11 gezeigt.

Fig. 9 zeigt analog zu Fig. 8 den Verlauf von erzeugten Volumenströmen verschiedener Gase. Fig. 8 und 9 sind Beispiele von verschiedenen, erzeugten Mischungsverhältnissen mehrerer Gase.

Fig. 10 zeigt schematisch ein Gasedosiersystem mit mehreren Gasquellen 7, 7' und 7'' und zugeordneten Drucksensoren 1, 1' und 1''.

Fig. 11 zeigt schematisch ein Gasedosiersystem mit mehreren Gasquellen 7, 7' und 7'' und zugeordneten Druckreduziereinrichtungen (z. B. Düsen) 5, 5, und 5', und einem Sensor 1 zur Steuerung der Magnetventile über eine Steuereinheit 6.

In Fig. 12 wird die Abgabe von Gas aus den Gasquellen 7 (z. B. Sauerstoff) und 7' (z. B. NO-Quelle) über einen Sensor 1 und/oder ein Gasanalysesystem gesteuert.

Fig. 13 zeigt ein Gasedosiersystem mit mehreren Gasquellen 7 bis 7''' (z. B. Sauerstoff, NO-Quelle, Helium, Kohlendioxid) mit Sensoren 1 bis 1''' und patientennahem Sensor 1 ^IV und Filterelement 9.

Fig. 14 zeigt schematisch ein Gasedosiersystem für Flüssigsauerstoff und NO-haltiges Gas. Die Ventile V1 und V2 (z. B. Magnetventile) werden über den Patienten nahen Sensor 1 (z. B. Drucksensor) in Verbindung mit der Steuereinheit 6 geregelt. Fig. 15 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf Volumenströme von Sauerstoff und NO-haltigem Gas und des gemessenen Nasendruckes P_N.

Claims (6)

1. Sensorgesteuertes Gasedosiersystem.

2. Gasedosiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Drucksensoren zur Steuerung eingesetzt wird.

3. Gasedosiersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasdosierung durch einen Sensor getriggert wird.

4. Gasedosiersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gase aus jeweils einer Gasquelle abhängig oder unabhängig dosiert werden.

5. Verwendung eines Gasedosiersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Gasversorgung für sponanatmende Patienten.

6. Verfahren zur Dosierung von Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor ein Ventil für die Gasedosierung regelt.