DE19958532C1 - Beatmungsgerät mit einem Atemkreis - Google Patents

Beatmungsgerät mit einem Atemkreis

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Beatmungsgerät mit einem Atemkreis (100) und zugehörige Verfahren zum Betreiben des Beatmungsgerätes, womit trotz eines starken, im Atemkreis (100) geförderten Atemgasvolumenstroms definierte Atemgasvolumina zum Patienten gefördert und der aktuelle Betriebszustand sicher überwacht werden kann. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Beatmungsgerät weist folgende Merkmale auf: DOLLAR A - Ein als Rotationsverdichter ausgebildetes Gasförderelement (1) ist eingangsseitig mit einem reversiblen Atemgasreservoir (7) und ausgangsseitig über einen ersten Gasvolumenstromsensor (2) mit einem ersten Rückschlagventil (11) inspiratorisch mit einem Patientenanschlussstück (9) verbunden, DOLLAR A - in der Verbindungsleitung zwischen dem Patientenanschlussstück (9) und dem beatmeten Patienten befindet sich ein zweiter Gasvolumenstromsensor (5), DOLLAR A - das Patientenanschlussstück (9) ist exspiratorisch über einen dritten Gasvolumenstromsensor (3) mit einem zweiten Rückschlagventil (10) und über ein steuerbares Sperrventil (4) mit dem reversiblen Atemgasreservoir (7) verbunden, DOLLAR A - mindestens eine Mess- und Regeleinheit (14, 15) ist mit den Gasvolumenstromsensoren (2, 5, 3) verbunden, empfängt deren Messsignale und sendet Steuersignale an das Gasförderelement (1) und das steuerbare Sperrventil (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Beatmungsgerät mit einem Atemkreis mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Beatmungs­ gerätes mit den Merkmalen des Anspruchs 8 oder 9.
Beatmungsgeräte mit einem Atemkreis werden entweder im Bereich der über längere Zeitabschnitte erfolgenden Intensivbeatmung eingesetzt oder als Anästhesiegeräte mit entsprechenden Dosiereinrichtungen für die Dosierung von Anästhesiemitteln in den Atemkreis, um eine möglichst kontrollierte Abgabe an den beatmeten Patienten zu gewährleisten, zum Beispiel vor und während einer Operation.
Ein Beatmungsgerät mit einem Atemkreis mit einem Gasförderelement wird in der DE 34 22 066 C2 beschrieben. Es wird hier jedoch keine Möglichkeit angegeben, um einen definierten Gasvolumenstrom zum Patienten während der Inspirations­ phasen sicherzustellen und eine Überwachung des aktuellen Betriebszustands zu ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Beatmungsgerät mit einem Atemkreis und ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben des Beatmungsgerätes bereitzustellen, womit trotz eines starken, im Atemkreis geführten Atemgasvolumenstroms definierte Atemgasvolumina zum Patienten gefördert und der aktuelle Betriebszustand sicher überwacht werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erhält man für das Beatmungsgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1 und für das Verfahren zum Betreiben des Beatmungsgerätes mit den Merkmalen von Anspruch 8 oder 9.
Die Unteransprüche zu Anspruch 1 geben vorteilhafte Weiterbildungen des Beatmungsgerätes nach Anspruch 1 an, die Unteransprüche zu den Ansprüchen 8 und 9 geben vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens nach Anspruch 8 oder 9 an.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Verwendung eines als Rotationsverdichter, insbesondere als Radialverdichter, ausgebildeten Gas­ förderelementes, das sehr kompakt konstruiert werden kann und aufgrund seiner dynamischen Eigenschaften über die Einstellung der Drehzahl sehr schnell gesteuert werden kann. Um eine möglichst homogene Atemgaskon­ zentration im Atemkreis zu erhalten, wird das Atemgas zumindest vor jeder Inspirationsphase durch das Gasförderelement mit hoher Drehzahl und hoher Förderleistung umgewälzt, also ein sogenannter Spülgasvolumenstrom von im zeitlichen Mittel beispielsweise 30 Liter pro Minute erzeugt.
In jeder Inspirationsphase wird der exspiratorische Zweig des Atemkreises mittels eines steuerbaren Sperrventils entweder geschlossen, so dass kein exspiratorischer Gasvolumenstrom im exspiratorischen Zweig und kein im Atemkreis geführter Spülgasvolumenstrom vorhanden ist, oder das steuerbare Sperrventil wird mittels eines Gasvolumenstromsensors im exspiratorischen Zweig so gesteuert, dass ein Gasvolumenstrom aufrechterhalten wird, und die Drehzahl des Gasförderelementes wird nur in Abhängigkeit vom gemessenen Druck im Atemkreis geregelt. Der inspiratorische Gasvolumenstrom im inspiratorischen Zweig des Atemkreises wird mittels eines ersten Gasvolumenstromsensors gemessen und entspricht unmittelbar dem Gasvolumenstrom zum Patienten. Das Beatmungsgerät wird mittels einer zentralen oder mehrerer kombinierter Mess- und Regeleinheiten in Abhängigkeit von dem gemessenen Gasvolumenstrom zum Patienten oder in Abhängigkeit vom gemessenen Druck im Atemkreis geregelt, so dass zeitabhängig ein definiertes Patientenvolumen dosiert werden kann. Die Gasvolumenstrommessung erfolgt in dieser Phase vorzugsweise über den ersten Gasvolumenstromsensor, so dass die Genauigkeit der Messung direkt von der Genauigkeit des ersten Gasvolumenstromsensors selbst abhängt.
In jeder Exspirationsphase wird der exspiratorische Zweig des Atemkreises mittels des steuerbaren Sperrventils geöffnet, nachdem zunächst die Drehzahl des Gasförderelementes vermindert oder abgestellt wird, und der Patient atmet aus.
Mit Hilfe des Gasförderelementes wird zusätzlich zum durch den Patienten exspirierten Gasvolumenstrom ein Spülgasvolumenstrom durch Erhöhung der Drehzahl des Gasförderelementes dosiert, der so hoch ist, dass im Mittel über einen Atemzug die weitgehende Homogenisierung der Atemgaskonzentration im Atemkreis erzielt wird. Da der exspirierte Gasvolumenstrom und der Spülgasvolumenstrom sich im exspiratorischen Zweig des Atemkreises überlagern, wird der exspirierte Gasvolumenstrom direkt mit Hilfe eines zweiten Gasvolumenstromsensors in der Verbindungsleitung zwischen dem Patientenanschlussstück und dem beatmeten Patienten erfasst. Schließlich wird nach Anspruch 8 in den Schaltphasen des steuerbaren Sperrventils zu Beginn und am Ende jeder Inspirationsphase der inspiratorische Gasvolumenstrom zum Patienten aus der Differenz der Messsignale des ersten und des dritten, im inspiratorischen und im exspiratorischen Zweig des Atemkreises angeordneten Gasvolumenstromsensoren, ermittelt. Die Differenz dieser Messsignale ist im übrigen bei großen Spülgasvolumenströmen relativ klein und deshalb mit großen Ungenauigkeiten behaftet. Die Drehzahl des Gasförderelementes wird in den Schaltphasen des steuerbaren Sperrventils in Abhängigkeit von der Differenz der Messsignale des ersten und des dritten Gasvolumenstromsensors geregelt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe der einzigen Figur erläutert, die schematisch die Anordnung eines erfindungsgemäßen Be­ atmungsgerätes zeigt, angepasst an die Erfordernisse im Bereich der Anästhesie.
Der dargestellte Atemkreis 100 weist zunächst ein als Rotationsverdichter und insbesondere als Radialverdichter ausgebildetes Gasförderelement 1 auf, das, aufgrund seiner kompakten Bauweise und dynamischen Eigenschaften schnell auf entsprechende Steuersignale reagieren und einen kontinuierlichen Spülgasvolumenstrom von bis zu 30 Liter pro Minute im zeitlichen Mittel eines Atemzuges im Atemkreis 100 erzeugen kann.
Der Atemkreis 100 kann entweder mittels einer zentralen Mess- und Regel­ einheit 14 betrieben werden, die dann auch die Funktionen der Gassteuerein­ heit 16 und/oder der Auswerte- und Überwachungseinheit 15 integriert, oder, wie dargestellt, mittels mehrerer separater oder kombinierter Mess- und Regel- oder Steuereinheiten.
Entscheidend für die Funktion der Erfindung in der Anwendung für die Anästhesie sind folgende Merkmale:
Das als Rotationsverdichter und insbesondere als Radialverdichter ausgebildete Gasförderelement 1 ist eingangsseitig über einen CO2-Absorber 12 und eine Frischgas- und Anästhesiegasdosierung 13 mit einem Frischgasreservoir 17 und mit einem reversiblen Atemgasreservoir 7, beispielsweise einem Atemgasbeutel, verbunden.
Ausgangsseitig, also druckseitig, ist das Gasförderelement 1 über einen ersten Gasvolumenstromsensor 2 und über ein erstes Rückschlagventil 11 mit einem Patientenanschlussstück 9, insbesondere einem Y-Stück, verbunden.
Das erste Rückschlagventil 11 ist, in Gasströmungsrichtung gesehen, entweder vor dem ersten Gasvolumenstromsensor 2 (wie dargestellt) angeordnet, oder hinter diesem.
In der Verbindungsleitung zwischen dem Patientenanschlussstück 9 und dem Patienten befindet sich ein zweiter Gasvolumenstromsensor 5, der insbesondere als Hitzdrahtanemometer ausgebildet ist und mit hoher Genauigkeit auch kleine Gasvolumenströme von beispielsweise wenigen Litern pro Minute vom und zum Patienten erfassen kann, so dass entsprechende Triggersignale zur Aktivierung und Deaktivierung des Gasförderelementes 1 generiert werden.
Die Auswerte- und Überwachungseinheit 15 empfängt vom patientennahen ersten Absaugort 28 Gasproben aus der Verbindungsleitung zum Patienten um nach Messung mittels geeigneter Algorithmen die Gasartabhängigkeit der Messsignale des zweiten Gasvolumenstromsensors 5 zu kompensieren beziehungsweise zu berücksichtigen.
Ebenso wird das Messsignal des ersten Gasvolumenstromsensors 2 in der Mess- und Regeleinheit 14 bezüglich des Druck- und Temperatureinflusses rechnerisch kompensiert. Dazu werden die Temperatur und der Druck im Atemkreis 100 mittels geeigneter Messaufnehmer für die Temperatur 18 und für den Druck 6 in Form von elektrischen Signalen an die Mess- und Regeleinheit 14 übermittelt und dort verrechnet.
Für die gasartabhängige Messauswertung der ersten und dritten Gasvolumen­ stromsensoren 2 und 3 werden am zweiten Absaugort 27 im inspiratorischen Zweig des Atemkreises 100 Gasproben entnommen, um nach geeigneter Messung, beispielweise durch Lichtabsorptionsmessung, und mittels geeigneter Algorithmen die Gasartabhängigkeit der Messsignale der ersten und dritten Gasvolumenstromsensoren 2 und 3 zu kompensieren.
Zwischen dem dritten Gasvolumenstromsensor 3 und dem steuerbaren Sperrventil 4 befindet sich ein zweites Rückschlagventil 10, das im Falle der Exspiration, bei geöffnetem Sperrventil 4, Gas durchlässt. Das steuerbare Sperrventil 4 ist vorzugsweise ein elektrisch schnell schalt­ bares Magnetventil.
Aufgrund der im Atemkreis 100 gemessenen Signale und der in die Mess- und Regeleinheit 14 einprogrammierten und/oder der dort gespeicherten Zeit- und Beatmungsmuster wird der Atemgastransport im Atemkreis 100 mittels der Stellelemente Gasförderelement 1 und steuerbares Sperrventil 4 von der Mess- und Regeleinheit 14 gesteuert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Beatmungsgerätes ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
  • - Der Beginn jeder Inspirations- und/oder Exspirationsphase wird entweder zeitgesteuert oder durch ein durch die Inspiration oder Exspiration bewirktes Messsignal am zweiten Gasvolumenstromsensor 5 ausgelöst,
  • - in jeder Inspirationsphase wird das steuerbare Sperrventil 4 geschlossen oder so geregelt, dass in Gasströmungsrichtung hinter dem Patientenanschlussstück 9 ein Gasvolumenstrom aufrechterhalten wird, das Gasförderelement 1 wird aktiviert, so daß es Atemgas aus dem re­ versiblen Atemgasreservoir 7 fördert, und die Drehzahl des Gasförder­ elementes 1 wird in Abhängigkeit von den Messsignalen des ersten Gas­ volumenstromsensors 2 oder in Abhängigkeit vom gemessenen Druck im Atemkreis 100 geregelt,
  • - in jeder Exspirationsphase wird die Drehzahl des Gasförderelementes 1 vermindert oder abgestellt, das steuerbare Sperrventil 4 wird geöffnet, und der exspirierte Gasvolumenstrom wird mittels des zweiten Gasvolumenstromsensors 5 gemessen und die Drehzahl des Gasförder­ elementes 1 wird in Abhängigkeit von den Messsignalen des ersten Gas­ volumenstromsensors 2 geregelt,
  • - in den Schaltphasen des steuerbaren Sperrventils 4 zu Beginn und am Ende jeder Inspirationsphase wird der Gasvolumenstrom zum Patienten aus der Differenz der Messsignale des ersten und des dritten Gasvolumen­ stromsensors 2, 3 ermittelt und die Drehzahl des Gasförderelementes 1 in Abhängigkeit von dieser Differenz geregelt, wenn gemäß Anspruch 8 verfahren wird, das heißt im volumenkontrollierten Betriebsmodus.

Claims (13)

1. Beatmungsgerät mit einem Atemkreis mit folgenden Merkmalen:
  • - Ein als Rotationsverdichter ausgebildetes Gasförderelement (1) ist ein­ gangsseitig mit einem reversiblen Atemgasreservoir (7) und ausgangs­ seitig über einen ersten Gasvolumenstromsensor (2) mit einem zugeordneten ersten Rückschlagventil (11) inspiratorisch mit einem Patientenanschlussstück (9) verbunden,
  • - in der Verbindungsleitung zwischen dem Patientenanschlussstück (9) und dem beatmeten Patienten befindet sich ein zweiter Gasvolumenstrom­ sensor (5),
  • - das Patientenanschlussstück (9) ist exspiratorisch über einen dritten Gas­ volumenstromsensor (3) mit einem zugeordneten zweiten Rückschlagventil (10) und über ein steuerbares Sperrventil (4) mit dem reversiblen Atemgasreservoir (7) verbunden,
  • - mindestens eine Mess- und Regeleinheit (14, 15) ist mit den Gas­ volumenstromsensoren (2, 5, 3) verbunden, empfängt deren Messsignale und sendet Steuersignale an das Gasförderelement (1) und an das steuerbare Sperrventil (4).
2. Beatmungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gasförderelement (1) und reversiblem Atemgasreservoir (7) eine Frischgas- und Anästhesiegasdosierung (13) mit einem Frischgasreservoir (17) und ein CO2-Absorber (12) angeordnet sind.
3. Beatmungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im inspiratorischen Zweig des Atemkreises (100) zwischen dem Gasförder­ element (1) und dem Patientenanschlussstück (9) Messaufnehmer für die Temperatur (18) und/oder für den Druck (6) angeordnet sind, wobei die Messsignale der Messaufnehmer an die Mess- und Regeleinheit (14) gesendet werden.
4. Beatmungsgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein patientennaher erster Absaugort (28) in der Verbindungsleitung zwischen dem Patientenanschlussstück (9) und dem Patienten vorhanden ist, um Gasproben zu entnehmen, die in der Auswerte- und Überwachungseinheit (15) ausgewertet und verrechnet werden.
5. Beatmungsgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Absaugort (27) im inspiratorischen Zweig des Atemkreises (100) vorhanden ist, um Gasproben zu entnehmen, die in der Mess- und Regeleinheit (14) ausgewertet und verrechnet werden.
6. Beatmungsgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasförderelement (1) ein Radialverdichter ist, der vorzugsweise mittels eines elektrischen Motors angetrieben wird.
7. Beatmungsgerät nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das reversible Atemgasreservoir (7) und der CO2- Absorber (12) als ein integrales Bauelement ausgebildet sind.
8. Verfahren zum Betreiben eines Beatmungsgerätes nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:
  • - Der Beginn jeder Inspirations- und/oder Exspirationsphase wird entweder zeitgesteuert oder durch ein durch die Inspiration oder Exspiration bewirktes Messsignal am zweiten Gasvolumenstromsensor (5) ausgelöst,
  • - in jeder Inspirationsphase wird das steuerbare Sperrventil (4) geschlossen, das Gasförderelement (1) wird aktiviert, so dass es Atemgas aus dem reversiblen Atemgasreservoir (7) fördert, und die Drehzahl des Gasförderelementes (1) wird in Abhängigkeit von den Messsignalen des ersten Gasvolumenstromsensors (2) geregelt,
  • - in jeder Exspirationsphase wird die Drehzahl des Gasförderelementes (1) vermindert oder abgestellt, das steuerbare Sperrventil (4) wird geöffnet, der exspirierte Gasvolumenstrom wird mittels des zweiten Gasvolumenstromsensors (5) gemessen und die Drehzahl des Gasförderelementes (1) wird in Abhängigkeit von den Messsignalen des ersten Gasvolumenstromsensors (2) geregelt,
  • - in den Schaltphasen des steuerbaren Sperrventils (4) zu Beginn und am Ende jeder Inspirationsphase wird der Gasvolumenstrom zum Patienten aus der Differenz der Messsignale des ersten und des dritten Gasvolumenstromsensors (2, 3) ermittelt und die Drehzahl des Gasförderelementes (1) in Abhängigkeit von dieser Differenz geregelt.
9. Verfahren zum Betreiben eines Beatmungsgerätes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:
  • - Der Beginn jeder Inspirations- und/oder Exspirationsphase wird entweder zeitgesteuert oder durch ein durch die Inspiration oder Exspiration bewirktes Messsignal am zweiten Gasvolumenstromsensor (5) ausgelöst,
  • - in jeder Inspirationsphase wird das steuerbare Sperrventil (4) mittels des dritten Gasvolumenstromsensors (3) so gesteuert, dass in Gasströmungsrichtung hinter dem Patientenanschlussstück (9) ein Gasvolumenstrom aufrechterhalten wird, und die Drehzahl des Gasförderelementes (1) wird nur in Abhängigkeit vom gemessenen Druck im Atemkreis (100) geregelt.
  • - in jeder Exspirationsphase wird die Drehzahl des Gasförderelements (1) vermindert oder abgestellt, das steuerbare Sperrventil (4) wird geöffnet, der exspirierte Gasvolumenstrom wird mittels des zweiten Gasvolumen­ stromsensors (5) gemessen und die Drehzahl des Gasförderelemen­ tes (1) wird in Abhängigkeit von den Messsignalen des ersten Gasvolumenstromsensors (2) geregelt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen dem aktuell gemessenen Druck im Atemkreis (100) und/oder dem aktuell gemessenen Gasvolumenstrom im Atemkreis (100) die Drehzahl des Gasförderelementes (1) geregelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Gasvolumenstromsensors (5) bei Beginn der Inspiration des Patienten ein Messsignal an die Auswerte- und Überwachungseinheit (15) abgegeben wird, so dass über die Mess- und Regeleinheit (14) das steuerbare Sperrventil (4) gesteuert und das Gasförderelement (1) aktiviert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ende der In­ spiration die Mess- und Regeleinheit (14) aufgrund des vom ersten Gas­ volumenstromsensor (2) oder vom zweiten Gasvolumenstromsensor (5) empfangenen Messsignals und nach Vergleich mit vorgegebenen, gespeicherten Vergleichswerten die Drehzahl des Gasförderelementes (1) vermindert und das steuerbare Sperrventil (4) öffnet.
13. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom aktuell gemessenen Druck im Atemkreis (100) und nach Vergleich mit gespeicherten Sollwerten für den Druck und/oder in Abhängigkeit vom aktuell gemessenen Gasvolumenstrom im Atemkreis (100) und nach Vergleich mit gespeicherten Sollwerten für den Gasvolumenstrom das steuerbare Sperrventil (4) und die Drehzahl des Gasförderelementes (1) von der Mess- und Regeleinheit (14) zur Reproduktion von gespeicherten Beatmungsmustern eingestellt werden.
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