DE19818170C2 - Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter eines Inkubators - Google Patents
Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter eines InkubatorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter
eines Inkubators gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, 2 oder 3.
Derartige Verfahren werden angewandt, um in Wärmetherapiegeräten,
insbesondere in Inkubatoren für Früh- oder Neugeborene, die Patienten
bezüglich ihres Wärme- und gegebenenfalls auch ihres Feuchtezustandes
zu konditionieren. Dazu werden Körpertemperaturen gemessen und in
Abhängigkeit vom Ergebnis entsprechende Konditioniereinrichtungen
betätigt, insbesondere Heizeinrichtungen.
Ein gattungsgemäßes Verfahren wird in der DE 39 30 363 C2 beschrieben,
wobei für die Steuerung der den Wärmehaushalt eines in einen Inkubator
eingebrachten Patienten bestimmenden Betriebsparameter zur Ermittlung
der Zustands-Istwerte mit dem Körper bzw. mit der Umgebungsatmosphäre
in Verbindung stehende Sensoren vorgesehen sind, deren Ausgangswerte
einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt und von dieser zu Stellgrößen
zur Beeinflussung der Betriebsparameter verarbeitet werden. Weiter ist es
aus dem gattungsgemäßen Verfahren bekannt, für verschiedene
körperbezogene Temperaturzonen wenigstens zwei von vier
Temperatursensoren vorzusehen, deren Ausgangswerte der
Datenverarbeitungsanlage zugeführt werden und dort mit Vorgabewerten
verglichen werden, so daß bei Abweichungen eine Heizvorrichtung im
Inkubator betätigt wird, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.
Aus der US 4,034,740 ist ein Inkubator bekanntgeworden, der mit einem
Sensor zur Messung der Hauttemperatur und mit verschiedenen Sensoren
zur Messung der Umgebungstemperatur ausgestattet ist. Für die
Verarbeitung der Meßsignale ist eine Auswerte- und Steuereinheit und
damit verbunden eine Regeleinrichtung vorgesehen.
Im Unterschied zu diesem bekannten Stand der Technik wird gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren aus der Verknüpfung einer ersten oder
zweiten, jeweils in einem bestimmten Hautbereich gemessenen
Hauttemperatur mit der im Inkubator gemessenen Lufttemperatur je eine
für einen Körperbereich des Patienten charakteristische Temperatur
bestimmt. In Abhängigkeit von diesen ermittelten charakteristischen
Temperaturen wird die Lufttemperatur im Inkubator eingestellt.
Bisher werden in der Praxis Wärmetherapiegeräte, insbesondere
Inkubatoren eingesetzt, die nur eine gemessene Hauttemperatur mit einem
Sollwert vergleichen und das Ergebnis direkt als Regelgröße verwenden.
Aus klinischen Untersuchungen ist bekannt, daß zur Beurteilung des
Zustandes und des Wärmehaushalts eines Patienten zwei wahre
Körpertemperaturen wichtig sind: Die Kerntemperatur und die
Peripherietemperatur.
So läßt sich beispielsweise bei sehr unreifen Früh- oder Neugeborenen
eine Unterkühlung schon daran erkennen, daß die Peripherie bereits stark
abgekühlt ist, während der Körperkern noch im normalen Bereich ist. Der
Körper versucht, die Kerntemperatur zu halten, indem er den Blutfluß zur
Peripherie drosselt und damit dort die Wärmeverluste an die Umgebung
reduziert.
Ebenso läßt sich ein ansteigendes Fieber daran erkennen, daß die
Peripherietemperatur sinkt bei steigender Kerntemperatur des Körpers. Der
Körper hat in letzterem Falle den Blutfluß auf den Kern zentralisiert, um ihn
auf eine höhere Temperatur aufzuwärmen und drosselt den Blutfluß zur
Peripherie, um Wärme einzusparen und sie für die Aufwärmung der
zentralen Organe zu verwenden.
Ein abklingendes Fieber wird an einer hohen Kerntemperatur des Körpers
bei gleichzeitig hoher Peripherietemperatur erkannt. Der Körper verwendet
die großen Körperflächen der Peripherie, um den Körperkern durch
entsprechende Wärmeabgabe abzukühlen.
Ein Nachteil aller bisher bekannten Verfahren zur Steuerung von
Inkubatoren folgt daraus, daß die am Patienten gemessenen
Temperaturen an der Hautoberfläche gemessen werden und somit durch
äußere Einflüsse wie insbesondere Luftströmungen verfälscht werden, so
daß dementsprechend auch mittels fehlerhaft ermittelter Stellgrößen die
Betriebsbedingungen des Inkubators nur ungenau eingestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so zu verbessern, daß in Abhängigkeit von der mittels
mindestens einer in einem definierten Hautbereich gemessenen
Hauttemperatur und der ebenfalls gemessenen Lufttemperatur im Inkubator
die wahre Kerntemperatur oder die wahre Peripherietemperatur ermittelt
und nachfolgend die Lufttemperatur im Inkubator eingestellt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1 in
Bezug auf die ermittelte Kerntemperatur, mit den Merkmalen
von Anspruch 2 in Bezug auf die ermittelte Peripherietemperatur und mit
den Merkmalen von Anspruch 3 in Bezug auf die Differenz aus ermittelter
Kerntemperatur und ermittelter Peripherietemperatur.
Die abhängigen Verfahrensansprüche geben vorteilhafte Ausbildungen des
Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 an.
Überraschend wurde durch Modellberechnungen und Modellversuche
bestätigt, daß ein linearer Zusammenhang zwischen der am Patienten in
einem bestimmten Hautbereich gemessenen Hauttemperatur, der im
Inkubator gemessenen Lufttemperatur und der Kern- bzw.
Peripherietemperatur des Patienten besteht.
Hieraus folgt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß nämlich trotz
Beibehaltung der problemlosen Hauttemperaturmessung mit üblichen
Temperatursensoren die exakte Kern- bzw. Peripherietemperatur des
Patienten hieraus einfach ermittelt und nach Vergleich mit Sollwerten die
Lufttemperatur im Inkubator über geeignete Stellglieder nachgestellt
werden kann. Invasive Temperaturmessungen werden dabei vermieden.
Die Temperaturmessung und die darauf aufbauende Temperaturregelung
für Patienten in Inkubatoren wird mittels mindestens zweier nichtinvasiver
Temperatursensoren durchgeführt. Der eine Temperatursensor wird am
Kopf, vorzugsweise an der Stirn des Patienten, plaziert und gibt eine für
das Gehirn und damit für den Körperkern repräsentative Temperatur an,
die durch lineare Verknüpfung mit der im Inkubator gemessenen
Lufttemperatur korrigiert werden muß, um die wahre Kerntemperatur zu
ermitteln.
Alternativ kann gemäß Anspruch 2 die Temperaturregelung so erfolgen,
daß die Hauttemperatur an der Peripherie des Körpers, insbesondere am
Fuß bzw. an der Fußsohle mittels eines Temperatursensors gemessen
wird. Die wahre Peripherietemperatur wird ebenfalls durch eine lineare
Verknüpfung mit der im Inkubator gemessenen Lufttemperatur rechnerisch
ermittelt, entsprechend der Gleichung in Anspruch 2.
Gemäß Anspruch 3 erfolgt die Temperaturregelung aufgrund der Differenz
aus ermittelter Kerntemperatur und ermittelter Peripherietemperatur.
In beiden Fällen der Hauttemperaturmessung kann durch einen logischen
Plausibilitätsvergleich festgestellt werden, ob der jeweilige
Temperatursensor an die Umgebungstemperatur angebunden, also
abgelöst oder in Wärmeleitungsverbindung mit der Haut steht. Anhand der
Ergebnisse kann entschieden werden, ob die Kompensation des
Umgebungseinflusses wirksam werden soll oder nicht.
Die Konstanten c1', c2' in den Gleichungen in Anspruch 1, 2 und 3 werden
jeweils für einen Meßpunkt bestimmt durch den angenommenen
konvektiven Wärmeübergang aufgrund der angenommenen Luftströmung
von 8 cm/sec im Inkubator, durch die Wärmeleitung und die geometrischen
Gegebenheiten der die Wärmeleitung bestimmenden Körperteile.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mithilfe der einzigen,
schematischen Figur erläutert.
Die Hauttemperaturen th1 und/oder th2 eines Früh- oder Neugeborenen in
einem nicht dargestellten Inkubator werden gemessen. Der die
Hauttemperatur th1 messende Temperatursensor ist vorzugsweise an der
Stirn, der die Hauttemperatur th2 messende Temperatursensor ist
vorzugsweise am Fuß angebracht, um so die Peripherietemperatur,
überlagert von zu kompensierenden Störungen, zu messen, während an
der Stirn die ebenfalls von zu kompensierenden Störungen überlagerte
Kerntemperatur erfaßt wird.
Zusätzlich wird mit einem weiteren Temperatursensor die Lufttemperatur
(ti) im Inkubator gemessen.
In den Meßbrücken mit integrierten Analog-/Digitalwandlem 1, 2, 3 werden
die drei Temperatursensorsignale in digitale Werte transformiert.
In einem Teil 4 einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit werden mittels
der angegebenen ausführlichen Gleichungen für tc und tp die wahre
Kerntemperatur und/oder die wahre Peripherietemperatur ermittelt. Die
Konstanten k2 und kx werden wie folgt aus den angegebenen Größen
jeweils empirisch bestimmt und ergeben durch Zusammenfassung die in
den Ansprüchen angegebenen Konstanten c1', c2'
mit c1', c2' = kx/k2:
alpha = konvektiver Wärmeübergang bei 8 cm/sec (Wärmeübergangskoeffizient)
lambda i = Wärmeleitung durch die Isolation der Temperatursensoren
lambda h = Wärmeleitung der Haut
lambda k = Wärmeleitung des Knochens
lambda b = Wärmeleitung des Blutes
si Wanddicke der Isolation der Temperatursensoren
sh = Wanddicke der Haut
sk = Wanddicke des Knochens
sb = Abstand des gut durchbluteten Organs zum Knochen
alpha = konvektiver Wärmeübergang bei 8 cm/sec (Wärmeübergangskoeffizient)
lambda i = Wärmeleitung durch die Isolation der Temperatursensoren
lambda h = Wärmeleitung der Haut
lambda k = Wärmeleitung des Knochens
lambda b = Wärmeleitung des Blutes
si Wanddicke der Isolation der Temperatursensoren
sh = Wanddicke der Haut
sk = Wanddicke des Knochens
sb = Abstand des gut durchbluteten Organs zum Knochen
Damit ergeben sich folgende Wärmeleitungswerte für
kx = 1/(1/alpha + si/lambda i)
k2 = 1/(sh/lambda h + sk/lambda k + sb/lambda b).
In einem Vergleicher 5, der ebenfalls Teil der zentralen Auswerte- und
Steuereinheit ist, wird die Plausibilität der gemessenen und berechneten
Werte festgestellt.
Wenn beispielsweise der Temperatursensor für die Hauttemperatur th2
durch eine isolierende Decke von der Umgebungsluft abgekoppelt ist,
würde der Temperatursensor eine sehr kernnahe Temperatur messen. Die
Kompensation entsprechend der zweiten Gleichung in der Figur würde
dann eine "wahre" Peripherietemperatur ergeben, die höher als die
Kerntemperatur ist. In diesem Fall würde der Vergleicher 5 die
Peripherietemperatur tp gleich der gemessenen Hauttemperatur th2 setzen,
wie unter 6 angegeben.
Liegt andererseits die berechnete "wahre" Kerntemperatur tc unterhalb der
gemessenen Hauttemperatur th1, wird tc mit der gemessenen
Hauttemperatur th1 gleichgesetzt, wie unter 6 angegeben.
Die Ergebnisse für tp und/oder tc werden in der Anzeigeeinheit 7 dargestellt
oder direkt nach Vergleich mit vorgegebenen Sollwerten zur Steuerung
einer Heizeinrichtung mit Lüfter und bevorzugt ergänzend auch zur
Steuerung eines Luftbefeuchters im Inkubator verwendet.
Claims (8)
1. Verfahren zur Steuerung der den Wärmehaushalt eines Patienten
bestimmenden Betriebsparameter eines Inkubators mittels der Meßwerte
der am Patienten gemessenen Hauttemperatur (th1) und der im
Inkubator gemessenen Lufttemperatur (ti), dadurch gekennzeichnet, daß
in Abhängigkeit von der aus der Beziehung
tc = th1 + c1' . (th1 - ti)
mit der Konstanten c1' ermittelten Kerntemperatur (tc) die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th1) in einem für den Körperkern repräsentativen Hautbereich gemessen wird, und wobei in die Konstante c1' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
tc = th1 + c1' . (th1 - ti)
mit der Konstanten c1' ermittelten Kerntemperatur (tc) die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th1) in einem für den Körperkern repräsentativen Hautbereich gemessen wird, und wobei in die Konstante c1' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
2. Verfahren zur Steuerung der den Wärmehaushalt eines Patienten
bestimmenden Betriebsparameter eines Inkubators mittels der Meßwerte
der am Patienten gemessenen Hauttemperatur (th2) und der im
Inkubator gemessenen Lufttemperatur (ti), dadurch gekennzeichnet, daß
in Abhängigkeit von der aus der Beziehung
tp = th2 + c2' . (th2 - ti)
mit der Konstanten c2' ermittelten Peripherietemperatur (tp) die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th2) in einem Hautbereich an der Peripherie des Körpers gemessen wird und wobei in die Konstante c2' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
tp = th2 + c2' . (th2 - ti)
mit der Konstanten c2' ermittelten Peripherietemperatur (tp) die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th2) in einem Hautbereich an der Peripherie des Körpers gemessen wird und wobei in die Konstante c2' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
3. Verfahren zur Steuerung der den Wärmehaushalt eines Patienten
bestimmenden Betriebsparameter eines Inkubators mittels der Meßwerte
der am Patienten gemessenen Hauttemperaturen (th1) und (th2),
dadurch gekennzeichnet, daß
in Abhängigkeit von der Differenz aus Kerntemperatur (tc) und
Peripherietemperatur (tp) mit
tc = th1 + c1' . (th1 - ti) und
tp = th2 + c2' . (th2 - ti)
und mit den Konstanten c1,2' die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th1) in einem für den Körperkern repräsentativen Hautbereich und die Hauttemperatur (th2) in einem Hautbereich an der Peripherie des Körpers gemessen wird und wobei in die Konstanten c1', c2' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
tc = th1 + c1' . (th1 - ti) und
tp = th2 + c2' . (th2 - ti)
und mit den Konstanten c1,2' die Lufttemperatur (ti) im Inkubator eingestellt wird, wobei die Hauttemperatur (th1) in einem für den Körperkern repräsentativen Hautbereich und die Hauttemperatur (th2) in einem Hautbereich an der Peripherie des Körpers gemessen wird und wobei in die Konstanten c1', c2' die den Wärmetransport im Inkubator bestimmenden Parameter sowie Wanddicken verschiedener körperbezogener Parameter eingehen.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Luftfeuchte im Inkubator in Abhängigkeit von
der Lufttemperatur (ti) im Inkubator, der Kerntemperatur (tc) und/oder
der Peripherietemperatur (tp) mittels eines Luftbefeuchters eingestellt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hauttemperatur (th1) an der Stirn gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hauttemperatur (th2) an den Extremitäten, insbesondere am Fuß
gemessen wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lufttemperatur (ti) im Inkubator mittels einer
Heizeinrichtung mit Lüfter eingestellt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die gemessenen Temperaturen (th1, th2, ti)
in einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit verarbeitet und
anschließend die ermittelten Steuersignale an die die Betriebsparameter
des Inkubators bestimmenden Stellglieder ausgegeben werden,
insbesondere an die Heizeinrichtung mit Lüfter und/oder an den
Luftbefeuchter.
Priority Applications (2)
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