"Beatmungsgerät" *
Die Erfindung betrifft ein Beatmungsgerät zum Zuführen einer Gasmischung vorgegebener Zusammensetzung mit vorgegebener
Strömungsgeschwindigkeit zu einem Patienten, das zumindest ein von einem elektronischen Steuerorgan gesteuertes
Regelorgan zum Regeln eines Gasstromes enthält, das eine Gasdurchlaßöffnung mit einem verschiebbaren Abdichtungselement
enthält.
Ein solches Beatmungsgerät ist aus der NL-OS 73 Oh 255 bekannt.
Dieses Gerät ist ziemlich kompliziert, dadurch aufwendig und störanfällig, während die Änderung der Zusammensetzung
und die Größe des dem Patienten zugeführten Gasstroms weniger einfach ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Beatmungsgerät zu schaffen, das baulich bedeutend einfacher ist und bei dem sowohl die Gasmenge als auch die Gaszusammensetzung
von elektrischen Signalen gesteuert wird, und wobei sich das Regelorgan leicht sterilisieren läßt.
Das erfindungsgemäße Beatmungsgerät ist dadurch gekennzeichnet,
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daß das Regelorgan durch ein Kugelventil gebildet wird, in dem das Abdichtungselement aus einer Kugel besteht, die
in einer Stellung die Gasdurchlaßöffnung abdichtet und mit Hilfe eines von einem Antrieb in der Längsrichtung verschiebbaren
Stiftes derart verschoben werden kann, daß sie die Gasdurchlaßöffnung allmählich weiter freigibt, wobei
eine definierte Beziehung zwischen dem Gasstrom durch das Kugelventil, dem Gasdruckunterschied zwischen den beiden
Seiten der Gasdurchlaßöffnung und der Position der Kugel besteht, daß weiterhin ein Ortsbestimmungselement zum Bestimmen
der Position der Kugel, ein Druckmeßelement für die Bestimmung des Druckunterschiedes sowie ein Steuerorgan
vorgesehen sind, das die Kugel anhand des Druckunterschieds, der Stellung der Kugel und eines eingestellten gewünschten
Gasstroms die Kugel mit Hilfe des Antriebs derart verschiebt, daß nach der definierten Beziehung zwischen diesen Größen
der gewünschte Gasstrom durch das Kugelventil strömt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Frontansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungs gemäß en Be atmungs ge rate s,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte
Gerät,
Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch ein Regelorgan
für das in Fig. 1 und 2 dargestellte Gerät,
Fig. 4 ein Detail des in Fig. 1 und 2 dargestellten Geräts,
Fig. 5 einen Teil einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Beatmungsgeräts,
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Fig. 6 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Steuerorgans für ein erfindungsgemäßes
Beatmungsgerät, und
Fig. 7 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines derartigen Steuerorgans.
Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Beatmungsgerät enthält vier Regelorgane 1, die je einen Anschluß 3 für die Verbindung
des Regelorgans mit einer (nicht dargestellten) Gasleitung enthalten. Das durch die Regelorgane 1 strömende
Gas erreicht eine gemeinsame Leitung 5, die über einen Patientenanschluß 7 mit einem Patienten verbunden werden
kann.
Die vier Gasleitungen enthalten von links nach rechts in Fig. 1 beispielsweise Luft (mit "A" bezeichnet), Sauerstoff
(Op), Lachgas (NpO) und ein noch zu wählendes viertes Gas. Weiterhin kann der Gasmischung Wasserdampf mit Hilfe
eines an sich bekannten Befeuchters, beispielsweise eines · Verdampfers, zugesetzt werden, dessen Temperatur mit einem
Knopf 9 einstellbar ist.
Fig. 3 zeigt, wie das Regelorgan 1 durch ein Kugelventil mit einer Gasdurchlaßöffnung 11 gebildet wird, die mit
Hilfe eines Abdichtungsorgans in Form einer Kugel 13 abschließbar ist. In der gezeichneten Stellung wird die
Kugel 13 durch den Druckunterschied zwischen dem Druck P1
in der Gasleitung und dem Druck Pp in der gemeinsamen
Leitung 5 an die Gasdurchlaßöffnung 11 gedrückt, so daß
sie diese Öffnung abdichtet. Mit Hilfe eines in der Längsrichtung verschiebbaren Stiftes 15 kann die Kugel 13 aus
der Gasdurchlaßöffnung 11 herausgedrückt werden (nach rechts in Fig. 3). Je größer die Verschiebung der Kugel
nach rechts, um so geringer ist der Widerstand, den das Gas beim Austreten aus der Öffnung erfährt. Auf diese
Weise läßt sich der Gasstrom durch die Gasdurchlaßöffnung
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geanu beeinflussen. Die Bewegung der Kugel 13 wird durch eine Siebplatte 17 begrenzt, die zugleich verhindert, daß
die Kugel aus dem Regelorgan herausfällt, wenn es nicht an eine unter Druck stehende Gasleitung angeschlossen ist.
Der Druck P> in der Gasleitung kann stark schwanken. Sr
wird mit Hilfe eines an sich bekannten Druckaufnehmers 19 gemessen, der beispielsweise eine Membrane.mit Dehnungsmeßstreifen
enthalten kann und über ein Kabel 21 mit einem Meßgerät verbunden ist.
Der Stift 15 ist in einem Ventilgehäuse 23 axial verschiebbar
gelagert, in dem eine Öffnung 25 die Verbindung zwischen der Gasdurchlaßöffnung 11 und der gemeinsamen Leitung 5 bildet.
Das Ventilgehäuse 23 ist mit einer Mutter 27 an der gemeinsamen
Leitung 5 befestigt. Das linke Ende des Stiftes 15 ragt aus dem Ventilgehäuse 23 heraus und arbeitet mit einem
Antrieb 29 zusammen (siehe Fig. 2). Dieser Antrieb besteht aus zwei Magneten 31» die über Joche 33 und einen Kern 35
ein Magnetfeld in einem Luftspalt 37 erzeugen, in dem sich eine Antriebsspule 39 befindet, die an einer axial bewegbaren,
in einer Öffnung im Kern gelagerten Antriebsstange befestigt ist, deren rechtes Ende sich mit dem linken Ende
des Stiftes 15 berührt. Ein derartiger Antrieb ist an sich
bereits in der niederländischen Patentanmeldung 76 06 436
(PHN 8424) beschrieben. Wenn die Antriebsspule 39 ein Gleichstrom in der geeigneten Richtung durchfließt, bewegt sich
die Antriebsspule und dadurch auch die Antriebsstange 41
nach rechts, so daß der Stift 15 die Kugel 13 aus der Gasdurchlaßöffnung 11 herausdrückt. Es entsteht dabei ein
Gleichgewicht zwischen der vom strömenden Gas auf die Kugel 13 ausgeübten, nach links gerichteten Kraft und
der von der erregten Antriebsspule 39 ausgeübten, nach
rechts gerichteten Kraft, wodurch die Kugel an einer bestimmten Stelle zur Ruhe kommt.
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Die Stellung der Kugel kann mit Hilfe eines Ortsbestimmungselements
43 festgestellt werden, dessen Längsschnitt in Fig. 2 und dessen Querschnitt in Fig. 4 dargestellt sind.
Es enthält eine am freien Ende der Antriebsstange 41 befestigte
Metallfahne 45, die abhängig von der Lage der Antriebsstange mehr oder weniger in den Raum zwischen
zwei Spulen 47 und 49 hineingeschoben ist, so daß die Kopplung zwischen diesen Spulen von der Stellung bzw. dem
Ort der Antriebsstange und somit auch von der Stellung der Kugel 13 bzw. deren Position abhängig ist. Die Spulen
und 49 sind als Druckverdrahtungen an einer Seite von Isolierplatten 5.1 bzw. 53 angebracht, deren andere Seite mit einer
geerdeten, als Abschirmung dienenden Metallverkleidung 55 bzw. 57 versehen ist. Die beiden Platten 51 und 53 sind mit
einem Distanzstück 59 miteinander und mit einer Druckverdrahtungsplatte 61 verbunden. Das Distanzstück 59 dient
zugleich der Führung des freien Endes der Fahne 45. Die Spule 47 ist mit einem auf der Druckverdrahtungsplatte 61
montierten Sender und die Spule 49 mit einem ebenfalls auf der Druckverdrahtungsplatte 61 angeordneten Empfänger (nicht
dargestellt) verbunden. Bei einer gegebenen Größe des im Sender erzeugten Signals ist die Größe des empfangenen
Signals ein Maß für die Lage der Kugel 13. Die Schaltungen des Senders und des Empfängers sind an sich bekannt und
bedürfen keiner weiteren Erläuterung.
Eine andere Ausführungsform des Ortsbestimmungselements ist in Fig. 5 im Längsschnitt dargestellt. Das Ortsbestimmungselement
wird dabei durch eine im Antrieb 29 angeordnete Meßspule 63 gebildet. Sie ist auf einem auf dem
Kern 35 befestigten Spulenkörper 65 gewickelt. Der Antriebsspule 39 wird die Antriebsspannung zur Verschiebung
der Kugel 13 und eine Meßspannung mit einer Frequenz beispielsweise von 500 kHz zugeführt. Die Größe des in der
Meßspule 63 empfangenen 500 kHz-Signals ist dabei ein Maß
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für den Abstand zwischen den beiden Spulen und somit
für die Stellung bzw. die Position der Kugel 13.
In den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Stellung der Kugel 25 durch die Messung der Position
der Antriebsstange 41 bestimmt. Dies ist dadurch möglich,
daß die Kugel durch den Druckunterschied P^ - Pp ständig
an das rechte Ende des Stiftes 15 gedrückt wird, der
dadurch selbst wieder mit seinem rechten Ende an die Antriebsstange 41 gedrückt wird. Diese Art der Ortsbestimmung
der Kugel 25 erfordert jedoch, die Stellung der Antriebsstange festzulegen, bei der die Kugel die Gasdurchlaßöffnung
11 gerade abschließt. Diese Nullstellung kann sich manchmal ändern, beispielsweise, wenn das Kugelventil
zum Sterilisieren entfernt und anschließend wieder eingesetzt wird, oder wenn ein neues Kugelventil eingebracht wird. Es
gibt mehrere Verfahren zur Bestimmung dieser Nullstellung, beispielsweise:
1. Es wird eine bestimmte Mindestkraft zur Verschiebung
der Kugel benötigt. Es ist also möglich, den Strom durch die Antriebsspule 39 so klein zu wählen, daß sich
die Antriebsstange 41 nach rechts bewegt, bis sie sich an den Stift 15 legt. Diese Stellung ist dabei die
Nullstellung.
2. Wenn die Kugel nur äußerst wenig verschoben wird (etwa 0,3 /Um)
wird sofort ein deutlich zischendes Geräusch gehört, das der Druckaufnehmer 19 (der als Mikrophon arbeiten kann)
leicht detektieren kann. Das Auftreten dieses Geräusches bestimmt die Nullstellung der Antriebsstange 41.
Der Gasstrom durch ein Regelorgan mit einer von einem Abdichtungselement
abschließbaren Gasdurchlaßöffnung entspricht der allgemeinen Formel;
Q = K-f(x).g(p) (1)
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Hierin ist Q der Gasstrom, χ die Strecke, über die das Abdichtungselement in bezug auf seine Nullstellung verschoben
ist, und ρ der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Gasdurchlaßöffnung. Die Funktionen f
und g können empirisch oder theoretisch bestimmt werden. Für ein Kugelventil nach Fig. 3 gilt:
Q= XAx + Bx, \.'p (2)
L J t
Für ein Kugelventil mit einer Kugel mit einem Durchmesser von 5 mm zeigten die Konstanten in dieser Formel folgende
Werte:
A = 201,5
B = -53,28
Der Gasstrom wird in diesem Fall in.l/min gefunden, wenn
χ in mm und ρ in atm gemessen wird. Für einen Gasstrom von 156 l/min ist bei einem Druckunterschied von 1,5 atm
eine Kugelverschiebung von 0,8 mm und bei einem Druckunterschied von 5 atm eine Kugelverschiebung von 0,39 mm erforderlich.
Es wird klar sein, daß ein geeignetes Steuerorgan, das Informationen über den Druckunterschied ρ = P.. - Pp,
die Position χ der Kugel und einen eingestellten gewünschten Gasstrom Q empfängt, aufgrund der Formel (2)
den Strom durch die Antriebsspule 29 derart regeln kann, daß sich die Kugel 13 genau an der richtigen Stelle befindet,
um den gewünschten Gasstrom GL zu erhalten. Ein derartiges Steuerorgan wird vorzugsweise durch eine auf
der Druckverdrahtungsplatte 61 aufgebaute Elektronikschaltung gebildet. In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild
eines ersten Ausführungsbeispiels einer derartigen Schaltung dargestellt, die in diesem Fall zwei Kugelventile
mit Antriebsspulen 39a bzw. 39b steuert.
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Die Schaltung enthält fünf Schalter 67, 69, 71, 73 und 75,
beispielsweise Relais- oder Halbleiterschalter, die in dem in Fig. 6 dargestellten Zustand der Schaltung durch ein
mit a bezeichnetes Steuersignal in eine Stellung gebracht sind, bei der die Antriebsspule 39a gesteuert wird. Wenn
das Signal a durch ein Signal b ersetzt wird, treten diese Schalter in eine Stellung, in der die Antriebsspule 39b
gesteuert wird. Über den Schalter 71 wird ein aus dem Ortsbestimmungselement herrührendes Signal Sx,a oder Sx,b
einem Detektor 77 zugeführt, der das Signal gleichrichtet, so daß eine Spannung aufgebaut wird, die den Wert χ + Xq
darstellt, wobei xQ die Stellung der Kugel darstellt, bei
der die Gasdurchlaßöffnung geschlossen ist. Dieser Wert X0 ist in einem Speicherkondensator 79a bzw. 79b gespeichert
und wird in einem Verstärker 81 von der Ausgangsspannung des Detektors 77 abgezogen, um den Wert -Ax zu
erhalten. Der Wert xQ wird nach dem beschriebenen Verfahren
1 dadurch gemessen, daß beim Ausatmen ein so geringer Strom durch die Antriebsspulen 39 gesandt wird,
daß sich die Antriebsstange 41 in der Nullstellung befindet. Dazu sind die Endverstärker 83a bzw. 83b, die
den Strom für die Antriebsspulen 39a bzw. 39b liefern,
so eingerichtet, daß sie von einem Signal I erregt werden, das während der Einatmungsphase vorliegt. Während der
Ausatmungsphase steht das Signal I nicht zur Verfügung und die Verstärker 83 liefern einen konstanten geringen
Strom der die Antriebsstangen 41 gerade in der Nullstellung
festhält. Das dabei von den Ortsbestimmungselementen gelieferte Signal liefert dem Ausgang des Detektors
77 die Spannung xQ, die über einen Schalter 85 den Speicherkondensatoren 79 zugeführt wird. Der Schalter
kann vom gleichen Typ sein, wie die übrigen Schalter, und wird wie die Verstärker 83 vom Signal I betätigt.
Wenn dieses Signal I vorliegt, steht der Schalter 85 in der dargestellten Stellung, und wenn das Signal I
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nicht vorhanden ist, verbindet dieser Schalter den Ausgang des Detektors mit einem der Speicherkondensatoren
Ein Vervielfacher 87 bildet aus der Spannung -Ax eine
2
Spannung -Bx , die zusammen mit der Spannung -Ax und einer in einem Verstärker 89 gebildeten Spannung -Cx (ein Dämpfungsterm
zum Beseitigen unerwünschter dynamischer Effekte) über eine Leitung 91 einem Steuerverstärker 93 zugeführt
wird.
Über den Schalter 69 wird das aus dem Druckaufnehmer herrührende Signal Sp,a bzw, Spfb (proportional dem
Druck Pvj) einem Druckmeßgerät 95 zugeführt, das ebenfalls
ein dem Druck P- proportionales Signal Sp,m empfängt
und daraus eine dem Druckunterschied P^ - Pp proportionale
Spannung ρ bildet. Diese Spannung wird mit Hilfe eines Vervielfachers 97 und eines Verstärkers 99 in eine
Spannung ]J~p umgesetzt, die einem Vervielfacher 101
zugeführt wird.
Der Schalter 67 führt eine einstellbare Spannung Qc,a
bzw. Qc,b (proportional dem gewünschten Gasstrom) einem Verstärker 103 zu, der derart mit dem Vervielfacher 1C1
verbunden ist, daß an seinem Ausgang eine Spannung c
entsteht, die zusammen mit der auf der Leitung 91 vor-
2
handenen Spannung -Ax -Bx-Cx dem Steuerverstärker 93 zugeführt wird. Die Formel (2) zeigt, daß, wenn χ den
geeigneten Wert χ hat, gelten muß:
^c - Ax-Bx2 =0 (3)
Vi
In diesem Fall ändert sich χ nicht mehr, so daß χ = 0.
Solange diese Gleichung (3) nicht erfüllt ist, ist χ Φ x„
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und erzeugt der Steuerverstärker 93 ein Ausgangssignal, das über den Schalter 73 als Korrektursignal' dem Eingang
eines der Endverstärker 83a bzw. 83b und ebenfalls einem mit diesem Eingang verbundenen Kondensator 105a bzw. 105b
zugeführt wird, so daß an den Verstärker 83a das zuletzt bekannte Korrektursignal auch für die Zeit gelangt,
in der der Schalter 73 mit dem anderen Verstärker 83b verbunden ist und umgekehrt. Die Schalter 67 bis 75 werden
beispielsweise mit einem Signal gesteuert, das eine Frequenz von 4 kHz hat, so daß abwechselnd 125 /us das Signal a
und 125 /us das Signal b vorliegt.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Steuerorgans, bei dem eine integrierte
Rechenschaltung (ein sogenannter Mikroprozessor) 107 benutzt ist. Die analogen Signale Sp,a, Sp,b,Sx,a, Sx,b
werden mit einem anäLogen Abtaster 109 zeitlich nacheinander abgetastet und anschließend über einen Analog-Digital-Wandler
111 in digitaler Form dem Mikroprozessor zugeführt. Die Signale Qa,c und Qb,c gelangen in digitaler
Form direkt an den Mikroprozessor, beispielsweise über ein Tastenfeld oder über Kodierungsschalter (nicht dargestellt).
Der Mikroprozessor 107 errechnet aus diesen Daten das Korrektursignal:
Δχ = ~- Ax-Bx2 - Cx.
Dieses Signal gelangt über einen Digital-Analog-Wandler 113
und den Schalter 73 zu den Verstärkern .83a bzw. 83b. Über eine Kontroileitung 115 (gestrichelt dargestellt)
steuert der Mikroprozessor 107 den Abtaster 109, den Schalter 73 und die Verstärker 83.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Steuerorgan zum Steuern zweier Regelorgane eingerichtet, die die
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Bezeichnungen a und b führen. Für das in Fig. 1 und 2 dargestellte Beatmungsgerät mit vier Regelorganen werden
also zwei derartige Steuerorgane benötigt. Selbstverständlich ist es möglich, die beschriebenen Steuerorgane derart auszuführen,
daß sie vier oder mehrere Regelorgane steuern können.
Wenn durch eine Störung das Steuerorgan die Kugelventile nicht mehr betätigen kann, würden sie sich durch den
Druckunterschied P^ - Pp selbsttätig schließen. In diesem
Fall würde dem Patienten kein Gas mehr zugeführt werden, was selbstverständlich unerwünscht ist. Um auch in einem
derartigen Fall eine Gaszufuhr zum Patienten zu gewährleisten, ist eine Hilfseinrichtung angebracht, um mechanisch mindestens
eines der Kugelventile offen zu halten. Diese Hilfseinrichtung (siehe Fig. 2) enthält eine Druckstange 117, die
von einer Spiralfeder 119 an das linke Ende der Antriebsstange 41 gedruckt werden kann. Normalerweise wird dies
durch eine Verbindungsstange 121 verhindert, die durch ein Scharnier 123 mit dem Gehäuse des Beatmungsgerätes
und durch eine Achse 125 mit der Druckstange 117 verbunden
ist. Das freie Ende der Verbindungsstange liegt an einem
Nocken 127, der mit einem Betätigungsknopf 129 (siehe Fig. 1) in zwei Stellungen gebracht werden kann. Wenn der Bedienungsknopf
129 verdreht wird, bewegt sich der Nocken 127 in der Kreisbahn 131 in die gestrichelt dargestellte und mit 127'
bezeichnete zweite Stellung. Durch die Wirkung der Feder bewegt sich auch die Verbindungsstange 121 nach rechts, bis
sie die gestrichelt dargestellte und mit 121' bezeichnete
zweite Stellung erreicht. Die Druckstange 117 drückt dabei
an das linke Ende der Antriebsstange 41, die dadurch das Kugelventil öffnet.
Die Größe der Öffnung und also des durchgelassenen Gasstromes kann mit Hilfe eines Einstellknopfes 133 im voraus bestimmt
werden, mit dem ein Anschlag 135 verschoben werden kann,
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der mit einer an der Verbindungsstange 121 befestigten
Querstange 137 zusammenarbeitet, um die Bewegung der Verbindungsstange nach rechts zu begrenzen. Mit Hilfe des
Einstellknopfes 133 kann die zweite Stellung 121' der
Verbindungsstange also unabhängig von der zweiten Stellung 127' des Nockens geregelt werden. Im Notfall
braucht nur der Bedienungsknopf 129 umgelegt zu werden, um die mit dem Einstellknopf 133 voreingestellte Gaszufuhr
zum Patienten einzuleiten. Selbstverständlich kann die Hilfseinrichtung nach Bedarf auch selbsttätig, beispielsweise
beim Ausfallen der Spannung, in Betrieb gesetzt werden.
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