DE19849571A1 - Verfahren zur Beurteilung des anliegenden Luftdrucks bei der automatisierten Beatmung durch positiven Luftdruck auf die Atemwege - Google Patents

Verfahren zur Beurteilung des anliegenden Luftdrucks bei der automatisierten Beatmung durch positiven Luftdruck auf die Atemwege

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Beurteilung des anliegenden Luftdrucks bei der automatisierten Beatmung durch positiven Luftdruck auf die Atemwege zur Verfügung gestellt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der anliegende Luftdruck variiert, so daß mindestens drei unterschiedliche Druckwerte eingestellt werden. Für diese Druckwerte wird der entsprechende Atemgasfluß gemessen. Aus der Relation der gemessenen Atemgasflußwerte zueinander wird beurteilt, ob der anliegende Luftdruck unterhalb oder oberhalb eines optimalen Luftdrucks liegt oder ob der anliegende Luftdruck der optimale Luftdruck ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der Einstellung des optimalen Luftdrucks in Beatmungsgeräten für die CPAP-Therapie angewandt werden. Die Vorteile der Erfindung liegen in einer einfachen und zuverlässigen Kontrolle des anliegenden Luftdrucks.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung des an­ liegenden Luftdrucks bei der automatisierten Beatmung durch positiven Luftdruck auf die Atemwege. Das Verfahren kann in der CPAP (Continuous Positive Airway Pressure-)Therapie zum Einsatz kommen. Die CPAP-Therapie wird in Chest. Vol. 110, Seiten 1077 bis 1088, Oktober 1996 und Sleep, Vol. No. 19, Seiten 184 bis 188 näher beschrieben.
In der CPAP-Therapie wird einem Patienten z. B. in der Nacht ein konstanter positiver Druck über eine Nasenmaske zugeführt. Dieser Überdruck soll gewährleisten, daß die oberen Atemwege während der gesamten Nacht vollständig geöffnet bleiben und somit keine obstruktiven Atmungsstörungen auftreten. Da sich der dazu erforderliche Druck während der Nacht je nach dem Schlafstadium und der Körperposition ändern kann, muß entweder ein variabler Druck oder der größte erforderliche Druck der während der Nacht benötigt wird, dem Patienten zugeführt wer­ den. Vorteilhaft ist es, wenn dem Patienten ein optimaler Druck, zugeführt werden kann. Unter einem optimalen Luftdruck Popt oder auch effektiven Luftdruck Peffektiv ist der Druck zu verstehen, bei dem normaler Atemgasfluß zum Patienten vorliegt und eine Steigerung des Druckes nicht zu einer Erhöhung des Atemgasflusses führt.
Fig. 1 zeigt, daß der optimale Luftdruck der Knickpunkt der Kurve des Atemgasflusses in Abhängigkeit vom Druck ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem Therapiegerät (AutoSet) zum Einsatz kommen, bei dem ein maximaler Beat­ mungsdruck sich automatisch einstellt. Dieses Gerät ist zur Therapieeinstellung in der Klinik bestimmt.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist ein Therapiegerät (AutoCPAP), bei dem während der Nacht der Luftdruck an die unterschiedlichen Bedürfnisse des Patienten angepaßt wird. Bei diesem Gerät wird der optimale Druck entsprechend den Bedürfnissen des Patienten laufend neu eingestellt. Das heißt, der Druck wird erhöht, beibehalten oder erniedrigt.
Bei einem Gerät mit einem Algorithmus für die Einstellung bzw. Anpassung des positiven Luftdrucks in der CPAP-Therapie kann ein initialer Beatmungsdruck mit einem Schwellenwert für den Atemgasfluß verglichen werden. In dem Gerät wird der kritische Druck Pcrit und der Atemwegswiderstand berechnet, und danach der Sollwert des positiven Luftdrucks so gesteuert, daß er entweder beibehalten wird oder entsprechend geändert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beurteilung des anliegenden Luftdrucks bei der automatisierten Beatmung durch positiven Luftdruck auf die Atemwege zur Ver­ fügung zu stellen, mit dem festgestellt werden kann, ob der anliegende Druck der optimale Luftdruck ist oder von ihm ab­ weicht.
Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, den anliegenden positiven Luftdruck zu variieren, so daß mindestens drei unterschiedliche Druckwerte eingestellt werden, und den Atemgasfluß für die drei unter­ schiedlichen Druckwerte zu messen. Aus der Relation der Atem­ gasflußwerte zueinander wird beurteilt, ob der anliegende Luftdruck unterhalb oder oberhalb des optimalen Luftdrucks liegt oder ob er der optimale Luftdruck ist.
Vorteilhafterweise kann durch die Erfindung schon nach wenigen Messungen, d. h. ohne unnötige Belastung des Patienten fest­ gestellt werden, in welchem Bereich der anliegende Luftdruck liegt, so daß dieser bei einer eventuellen Abweichung auf den optimalen Luftdruck eingestellt werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen höher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Gasfluß/Druckdiagramm, das die Änderung der Gas­ flußkurve während der Nachtzeit zeigt,
Fig. 2 ein Diagramm, das den Druck und den Gasfluß während einer Diagnose und Therapiephase am Patienten an­ zeigt, und
Fig. 3a-c Gasfluß/Druck-Diagramme mit Atemgasflußwerten, die Abflußwerte, die unterhalb, im Bereich, bzw. oberhalb des optimalen Drucks liegen.
Fig. 1 zeigt drei mögliche Atemgasflußkurven, die sich während der Nacht am Patienten einstellen können. Je nach Schlafsta­ dium und Körperposition kann der kritische Druck, der die oberen Atemwege vor dem Verschluß bewahrt (Pcrit-1 bis Pcrit-3) sich verändern und zu unterschiedlichen Werten für den opti­ malen Druck (Popt-1 bis Popt-3) führen. Die Atemgasflußkurven kön­ nen sich während der Nacht mehrfach ändern.
Mittels einer in Fig. 2 dargestellten Folge von Diagnose und Therapiephasen während der Beatmung wird mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren ständig beurteilt, ob der angelegte Luftdruck der optimale Luftdruck ist, d. h. sich im Bereich um die Knickpunkte der Gasflußkurven in Fig. 1 befindet oder nicht, und der Druck während der Therapiephase aufrechterhal­ ten oder angepaßt. Wie dem Druckverlauf im oberen Teil von Fig. 2 zu entnehmen ist, wird zu Beginn der Diagnosephase der Druck P für eine bestimmte Anzahl von Atemzügen beibehalten und der Gasfluß (unterer Teil von Fig. 2) gemessen, wobei während der Einatmungsphase Gasflußmaxima auftreten. Danach wird während der gleichen Anzahl von Atemzügen wie während der Periode tA der Druck während der Periode tB erhöht und der Gas­ fluß gemessen. Daran schließt sich die Periode tC an, in der der Druck bezüglich des Eingangsdruckes (A) abgesenkt wird und während der gleichen Anzahl von Atemzügen wie unter A der Gas­ fluß gemessen wird. In der an die Diagnosephase anschließende Therapiephase wird die Beatmung entsprechend der Ergebnisse der Diagnosephase entweder bei unveränderten, oder bei erhöhten bzw. erniedrigtem Druck fortgesetzt.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Maxima der gemessenen Gasflußwerte innerhalb jedes Diag­ nosebereichs gemittelt und die zu den Druckwerten A bis C ge­ hörenden Gasflußwerte A bis C bestimmt.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt die Beurteilung des anliegenden Luftdrucks durch Einordnen der Gasflußwerte in das Gasfluß/Druckdiagramm mittels Größenver­ gleich.
Wenn die Beziehung gilt:
k.B < A und k.A < C
(k < 1,0, vorzugsweise: 0,8 ≦ k ≦ 0,95; besonders bevorzugt k = 0,9)
beurteilt das Verfahren, daß der Druck P unterhalb des opti­ malen Drucks Poet liegt. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 3a dar­ gestellt.
Wenn gilt:
k.B < A und k.A < C
dann beurteilt das Verfahren, daß der angelegte Druck P ober­ halb des optimalen Drucks Popt liegt. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 3c dargestellt.
In allen anderen Fällen, d. h. wenn die Gasflußwerte nicht den vorstehend genannten Bedingungen entsprechen, beurteilt das Verfahren, daß der angelegte Druck P im Bereich des optimalen Drucks Poet liegt. Ein solcher Fall ist in Fig. 3b dargestellt. Für die Gasflußwerte in diesem Diagramm gilt k .B < A, jedoch ist k.A < C.
Das entspricht den Verhältnissen um den optimalen Druck im Gasfluß/Druckdiagramm, wobei die Gasflußwerte um den optimalen Druck herum mit sinkendem Druck abfallen.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt die Auswertung der Maxima des Gasflusses in der Diagnosephase mit­ tels der Regressionsmethode. Dieses Verfahren ist z. B. . in "Statistik" J. Hartung, Oldenbourgverlag, 8. Auflage, Seiten 573 bis 581 beschrieben.
Durch die Menge der Gasflußmaxima wird eine Regressionsgerade mit den Parametern areg (Absolutglied) und breg (Steigung) ge­ legt. Da die Varianzen dieser Parametern von zufälligen Fehlern abhängen, können die Varianzen geschätzt werden. Das aus der geschätzten Varianz berechnete Konfidenzintervall für einen Parameter gibt den Bereich an, in dem sich der Parameter mit der Wahrscheinlichkeit γ bewegt. Für die Beurteilung, ob die Regressionsgerade mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eine positive Steifung besitzt, sollen beide Grenzen des Kon­ fidenzintervalls für den Parameter breg größer 0 sein und bei einer negativen Steigung kleiner Null sein. Haben die beiden Intervallgrenzen unterschiedliche Vorzeichen, so kann keine eindeutige Aussage über die Steigung der Geraden getroffen werden.
Für die Beurteilung des anliegenden Drucks bei der automa­ tisierten Beatmung ergeben sich daraus folgende Fälle.
  • - Beide Grenzen des Konfidenzintervalls sind < 0:
    Die Gasflußmaxima liegen mit großer Wahrscheinlichkeit auf einer Geraden mit positiver Steigung, also auf dem ansteigen­ den Teil des Gasfluß/Druckdiagramms. Das bedeutet, daß der Druck als unterhalb des optimalen Drucks liegend beurteilt wird.
  • - Beide Grenzen des Konfidenzintervalls sind < 0:
    Wird ein Patient mit einem zu hohen CPAP-Druck behandelt, so hat man beobachtet, daß seine Atemanstrengung ansteigt und damit der Gasfluß abnimmt. Erniedrigt man den Druck, so wird sich der Gasfluß wieder erhöhen. Daraus folgt, daß bei einer Geraden mit negativen Steigung der anliegende Druck als ober­ halb des optimalen Drucks liegend beurteilt wird
  • - Die Grenzen des Konfidenzintervalls haben unterschiedliche Vorzeichen.
    Da die Gerade keine eindeutige Positiv- oder Negativsteigung aufweist, wird angenommen, daß sich der Gasfluß mit zunehmen­ den Druck nicht mehr wesentlich geändert hat. Eine weitere Erhöhung des Drucks würde also keine Verbesserung des Gas­ flusses mit sich bringen. Es wird der anliegende Druck als der optimale Druck beurteilt.
Im folgenden wird die Berechnung der Regressionsgeraden, des Schätzwertes für die Fehlervarianz der Steigung der Regres­ sionsgeraden und des Konfidenzintervalls angegeben.
Bestimmung der Regressionsgeraden nach dem Kriterium des kleinsten quadratischen Fehlers:
Yreg = breg . X + areg
mit breg = Σ(Xi-Xmean) (Yi-Ymean)/Σ(XiXmean)2
areg = Ymean - breg . Xmean (1)
Berechnung des Schätzwertes für die Fehlervarianz der Steigung der Regressionsgeraden:
Sb 2 = S2/Σ(Xi - Xmean)2 mit: S2 = 1/ (n-2) . Σ(Yi-Yreg,i)2 (2)
Konfidenzintervall:
[breg - Sb . tn-2, 1-γ2; breg + Sb . tn-2, 1-γ2] (3)
tn-2, 1-γ2 Tabellenwerte für γ = 0,975.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Einstellen des opti­ malen Luftdrucks Popt bei einem Beatmungsgerät, bei dem ein maximal erforderlicher Behandlungsdruck eingestellt wird, angewendet werden. Ein solches Beatmungsgerät, das z. B. unter dem Namen AutoSet bekannt ist, wird in der Klinik zur Thera­ pieeinstellung eines Patienten verwandt. Mittels des er­ findungsgemäßen Verfahrens wird der maximale optimale Druck Popt bestimmt, dem entspricht in Fig. 1 der Punkt Popt-3. Dieser Punkt wird durch Druckerhöhung eingestellt, wenn das Verfahren beurteilt, daß der anliegende Druck unterhalb des optimalen Drucks liegt, oder durch Beibehalten des anliegenden Drucks wenn das Verfahren bestimmt, daß der anliegende Druck im Bereich des optimalen Drucks liegt. Die Beurteilung, daß der anliegende Druck oberhalb des optimalen Drucks liegt, führt bei diesem Gerät nicht zum Erniedrigen des anliegenden Drucks.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei einem Beat­ mungsgerät angewendet werden, das unter der Bezeichnung Auto- CPAP bekannt ist, welches während der Nacht den Therapiedruck an die Bedürfnisse des Patienten anpaßt und dabei den opti­ malen Druck Poet auch erniedrigt. Dabei wird auch das Beurtei­ lungsergebnis des Verfahrens, das der anliegende Druck ober­ halb des optimalen Drucks liegt, herangezogen, um den anliegenden Druck abzusenken. Im Fig. 1 bedeutet das, daß sich während der Nacht der anliegende Druck zwischen den Wer­ ten Popt-1 und Popt-3 bewegt. Damit ist gewährleistet, daß der Pa­ tient immer ausreichend beatmet wird und nie einen zu hohen Druck zugeführt bekommt.
Zum Ausschalten von technischen Fehlern kann die Reaktion auf die Beurteilung durch das erfindungsgemäße Verfahren zeitlich verzögert werden. Das bedeutet, daß mehrere, bevorzugt drei gleiche Analyseergebnisse abgewartet werden, bevor eine Veränderung des anliegenden Drucks vorgenommen wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Beurteilung des anliegenden Luftdrucks (P) bei der automatisierten Beatmung durch positiven Luftdruck auf die Atemwege, wobei
  • a) der anliegende Luftdruck (P) variiert wird, so daß mindestens drei unterschiedliche Druckwerte (A, B, C) eingestellt werden,
  • b) der Atemgasfluß () für die drei unterschiedlichen Druckwerte (A, B, C) gemessen wird, wobei drei entspre­ chende Atemgasflußwerte (A, B, C) erhalten werden, und
  • c) aus der Relation der gemessenen Atemgasflußwerte (A, B, C) zueinander beurteilt wird, ob der anliegende Luftdruck (P) unterhalb oder oberhalb des optimalen Luftdrucks (Popt) liegt oder ob er der optimale Luft­ druck (Popt) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
  • a) der Druck (P) als unterhalb des optimalen Drucks (Popt) liegend beurteilt wird, wenn gilt:
    k.B < A und k.A < C
  • b) (b) der Druck P als oberhalb des optimalen (Popt) liegend beurteilt wird wenn gilt:
    k.B < A und k . A < C und
  • c) bei allen anderen Werten der Atemgasflußkurve () der Druck (P) als der optimale Druck (Popt) beurteilt wird, wobei k < 1,0 ist, vorzugsweise 0,8 ≦ k ≦ 0,95, besonders bevorzugt k = 0,9, und die Druckwerte folgende Beziehung erfüllen: C < A < B.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Relation der Atemgas­ flußwerte (A, B, C) mittels der Regressionsanalyse gewonnen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei
  • a) die Regressionsgerade durch die Atemgasflußwerte (A, B, C) berechnet wird,
  • b) das Konfidenzintervall der Steigung der Regressions­ geraden an der Stelle eines der eingestellten Druckwerte (A, B, C) berechnet wird,
  • c) der Druck (P) als unterhalb des optimalen Drucks (Popt) liegend beurteilt wird, wenn beide Grenzen des Konfi­ denzintervalls < 0 sind,
  • d) der Druck (P) als oberhalb des optimalen Drucks (Popt) liegend, beurteilt wird, wenn beide Grenzen des Konfi­ denzintervalls < 0 sind und
  • e) der Druck (P) als der optimale Druck (Popt) beurteilt wird, wenn die Grenzen des Konfidenzintervalls unter­ schiedliche Vorzeichen aufweisen
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit den Schritten:
  • a) Messen des Atemgasflusses (A) während einer bestimmten Anzahl vom Atemzügen unter Beibehaltung des Wertes A,
  • b) Erhöhen des Luftdrucks (P) auf den Wert B und Messen des Atemgasflusses (B) während der gleichen Anzahl von Atemzügen wie in Schritt (a), und
  • c) Erniedrigen des Luftdrucks (P) auf den Wert C und Mes­ sen des Atemgasflusses (C) während der gleichen Anzahl von Atemzügen wie in Schritt (a).
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als Druckwert A 4 mbar, als Druckwert B 6 mbar und als Druckwert C 2 mbar eingestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Atemgasfluß (A, B, C) durch Messen der Maxima in der Einatmungsphase und Bildung ihres arhythmetischen Mittels bestimmt wird.
8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Einstellen des optimalen Luftdrucks (Popt) bei einem Beatmungsgerät, bei dem ein maximal erforderlicher Behand­ lungsdruck eingestellt wird.
9. Anwendung nach Anspruch 8, wobei, wenn der Druck (P) un­ terhalb des optimalen Drucks (Popt) liegt, der Druck (P) erhöht wird, wenn der Druck (P) der optimale Druck (Popt) ist, der Druck (P) beibehalten wird und, wenn der Druck (P) oberhalb des optimalen Drucks (Popt) liegt, der Druck (P) nicht erniedrigt wird.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zum Einstellen des optimalen Luftdrucks (Popt) bei einem Beatmungsgerät, bei dem der Druck (P) an wechselnde Bedürfnisse des Patienten angepaßt wird.
11. Anwendung nach Anspruch 10, wobei, wenn der anliegende Luftdruck (P) unterhalb des optimalen Drucks (Popt) liegt, der Druck (P) erhöht wird, wenn der anliegende Druck (P) oberhalb des optimalen Drucks (Popt) liegt, der Druck (P) erniedrigt wird und, wenn der anliegende Druck (P) der op­ timale Druck (Popt) ist, der Druck (P) beibehalten wird.
12. Anwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei eine Reaktion auf das Ergebnis des Verfahrens erst dann erfolgt, wenn mehrere, bevorzugt drei gleiche Ergebnisse vorliegen.
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