DE3034338A1 - Flow control equipment - Google Patents

Description

PCT/US 80/00091

Rule Medical Instruments, Inc.

Zusammenfassung

Es wird ein Anästhesie-Beatmungsgerät (10) offenbart, das den Durchfluß von Luft und/oder Sauerstoff durch eine Vielzahl von binär bewerteten Ventilen (34-38) von einer geregelten Strömungsmittelquelle (27) zu einer Balgeinrichtung (14) steuert. Direkt einstellbare Steuerskalen (11,12,13) für das Minutenvolumen, die Atemfrequenz und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung betätigen elektronische Schaltungen (23), die die Werte für die Durchflußmenge, das Atmungsvoluraen und die Einatmungs- und Ausatmungszeiten einstellen. Die elektronischen Schaltungen (23) enthalten Alarmanzeigeeinrichtungen (15-17, 32, 180, 182), die das Bedienungspersonal darauf hinweisen, daß ein Patient manuell beatmet werden muß, daß ein Patient von dem Gerät abgetrennt ist, daß Skaleneinstellungen die Leitungswerte für das Gerät übersteigen, daß ein unerwünscht niedriger Gasdruck vorhanden ist und daß das tatsächliche Verhältnis für die Einatmung zur Ausatmung kleiner ist als die Skaleneinstellungen. Es sind Durchfluß- und Atmungsvolumen-Begrenzungseinrichtungen (72, 129) zusammen mit einer Tiefatmungsschaltung (126) und Einrichtungen (105, 104) zur Korrektur für die Höhenlage und die Gasparameter vorgesehen,

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BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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PCT/US 80/00091

Rule Medical Instruments, Inc., Pittsfield, USA

Durchflußsteuereinrichtung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Durchflußsteuereinrichtung und insbesondere Einrichtungen, die in Anästhesie-Geräten zur automatischen Steuerung des Durchflußvo lumens, der Atemfrc-quenz und des Verhältnisses von Einatmung zu Ausatmung bei Luft und/ oder Gas für einen Patienten verwendet werden können.

Stand der Technik

Chirurgen und andere Fachleute geben üblicherweise die Beatmung eines Patienten auf der Grundlage von physiologischen Parametern an. In typischer Weise erfolgt dabei die Angabe dar Atmung anhand des Atmungsvolumens, des Minutenvolumens, der Atemfrequenz und des Verhältnisses von Einatmung zu Ausatmung.

Ein anhaltendes Problem auf diesem Gebiet sind die bisher zur Einstellung bekannter Beatmungseinrichtungen, beispielsweise Anästhesie-Respiratoren, erforderlichen, komplizierten, und

München: R Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dip' -Phys. Di. ier. nat. · F. Hofimnnn Dipl -Ing P. G ßlumbocli f.i|pt.»lng . f. Rcigon Prof. Df. jur.Dlpl.-lng , Pet.-Ass., Pel-Aiivv. bis 1979 · G. '.'v.'irner Dipl -Iikj Dipi.-W-Ino

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unter menschlicher Mitwirkung durchgeführten Verfahren zur Erzie3.ung der gewünschten Beatmung gewesen. Solche Verfahren sehen im allgemeinen die Verwendung einer Uhr zur zeitlichen Bestimmung der Betriebsvorgänge von Beatmungsausrüstungen sowie eine Bestimmung der Anzahl von Atemvorgängen je Minute, der Minutenvolumen und der Einatmungs-Ausatmungszeiten vor. Bei Durchführung dieser Funktionen muß die zeitnehmende Percon eine Vielzahl von Respirator-Steuereinrichtungen einstellen, bis die gewünschte Beatmung erreicht ist. Dabei stellt der Mensch anstelle des Gerätes fest, wann das geeignete Minutenvolumen, das Atmungsvolumen, die Atemfrequenz und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung erreicht sind.

Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt, hat ein Bedarf nach Durchflußsteuereinrichtungen bestanden, die die bekannten, manuellen Verfahren zur Zeitmessung und Einstellung beseitigen und automatisch den Durchfluß durch die direkte Einstellung des Minutenvolumens, der Atemfrequenz und des Verhältnisses der Einatmung zur Ausatmung regeln.

Offenbarung der Erfindung

Das vorstehende Problem wird gelöst und ein technischer Fortschritt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht, das eine Durchflußsteuereinrichtung aufweist, die automatisch die Abgabe vorgegebener Atmungsvolumen eines Strömungsmittel:) von einer Quelle an einen Verbraucher unter Steuerung von direkt einstellbaren Skalen für das Minutenvolumen, die At emfrequenz und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung regelt·. Die Steuereinrichtung beinhaltet eine Vielzahl von Ventilen

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zur Ein- und Ausschaltung des Durchflusses, eine Durchfluß-Schaltung zur Betätigung der Ventile derart, daß die abgegebene Durchflußmenge bestimmt wird, und eine Atmungsvolumen-Schaltuni:;, die mit der Durchfluß-Schaltung zusammenwirkt und die Betätigungszeit der Ventile so steuert, daß ein vorgegebenes Atmungsvolumen des Strömungsmittels von der Quelle zur Verbrauchereinrichtung gegeben wird. Eine Atmungsfrequenz-Schaltung bestimmt die Gesamtzeit für das Einatmen und Ausatmen.

Die Durchfluß- und Atmungsvolumen-Schaltung werden automatisch durch einen internen Taktgeber und eine binäre Zählanordnung beaufschlagt. Daher ist keine manuelle Zeitsteuerung erforderlich. Als einzige Funktionseinstellungen müssen nur die drei Steuerskalen für das Minutenvolumen, die Atemfrequenz und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung durchgeführt werden.

Eine Tiefatmungs-Schaltung ist vorgesehen, die die Atemfrequenz-Schaltung nach einer definierten Anzahl von Atemvorgängen aktiviert wird und einen Tiefatmungsdurchfluß veranlaßt, der beispielsweise eine Zunahme des Einatmungsvolumens auf 150 % des normalen Wertes und eine Zunahme der Ausatmungszeit auf 150 % des Normalwertes beträgt.

Optische und akustische Alarmeinrichtungen geben eine Fehlfunktion der Einrichtung, die Nichtlieferung eingestellter Volumen, vorübergehendes Aufhören der Atmung (Apnea) und feh~ lerhafte Einstellungen der Skalen für das Minutenvolumen, die Atemfrequenz und das Verhältnis der Einatmung zur Ausatmung an.

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ίIn die Durchflußsteuereinrichtung sind Prüfschaltungen integriert, um den maximalen Strömungsmittel-Durchfluß und das Atmungsvolumen für diesen Durchfluß zu begrenzen. Außerdem sind Schaltungen zur Korrektur von Höhenänderungen und Treibgasänderungen in unterschiedlichen geographischen Bereichen vorgesehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Durchflußsteuereinrichtung mit fünf Ventilen ausgestattet. Jedes der Ventile gibt bei seiner Betätigung eine unterschiedliche Durchflußmenge des Strömungsmittels von der Quelle zur Verbrauchereinrichtung weiter. Die Ventile können in unterschiedlichen Kombinationen betätigt werden, um gewünschte Durchflußmengen zu liefern. Beispielsweise geben die fünf Ventile 2, 4, 8, 16 bzw. 32 Liter je Minute ab, also insgesamt 62 l/min, wenn alle fünf Ventile betätigt sind.

Die gewünschte Durchflußmenge wird durch die Einstellung der Skalen für das Minutenvolumen und das Verhältnis von Einatmung und Ausatmung geregelt. Die Skalenwerte steuern eine Maßstabsund Multipliziereinrichtung, die die arithmetische Einrichtung zur Erzeugung einer den Durchfluß darstellenden Spannung darstellen. Ein Komparator prüft die Durchflußspannung unter Bezugnahme auf ein Steuersignal, das von einem Digital-Analogwandler unter Ansprechen auf einen binären, vom Taktgeber und Zähler erzeugten Zählwert erzeugt wird. Wenn das Steuersignal die Durchflußspannung übersteigt, betätigt der Komparator einen Zwischenspeicher, der binäre Zahlwertsignale vom Zähler an ausgewählte Adern von 5 Adern 2, 4, 8, 16 und 32 liefert, ura über 5 ODER- und UND-Gatter die zugeordneten Ventile für

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2, 4,8, 16 und 32 l/min für den Beginn eines Atmungsintervalls zu betätigen.

Die ODER-Gatter bilden Teil einer Prüfschaltung, die den Durchfluß beispielsweise auf 62 l/min begrenzen, wenn die Skalen für das Minutenvolumen und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung fehlerhaft eingestellt sind, so daß sich abnormal hohe Durchflußwerte ergeben. Die Prüfschaltung enthält einen Komparator, der die Durchflußspannung mit einer Bezugsspannung (maximaler Durchflußwert) vergleicht und die Betätigung aller 5 Ventile über die ODER-Gatter erzwingt, wenn die Durchflußspannung größer als die Bezugsspannung ist.

Die UND-Gatter sind in Reihe zwischen die ODER-Gatter und die Ventile eingefügt und normalerweise durch die Schaltung für das Atmungsvolumen während des gesamten Einatmungsintervalls betätigt. Sie werden abgeschaltet, um die Ventile zur Beendigung des Einatmungsintervalls freizugeben, d.h. zu schließen, wenn das vorgeschriebene Atmungsvolumen von der Strömungsmittelquelle über die Ventile an die Verbrauchereinrichtung geliefert worden ist.

Die binären Zählwertsignale 2, 4, 8, 16 und 32 , die vom Ausgang der UND-Gatter zur Betätigung der Ventile geliefert werden , werden zweckmäßig an die Atmungsvolumen-Schaltung zur genauen Steuerung des über die Ventile abgegebenen Atmungsvolumens weitergeleitet. Ein Digital-Analogwandler in der Atmungsvolumen-Schaltung wandelt diese Zählwertsignale durch eine Maßstabsbeeinflussung in genaue Darstellungen der tatsächlich über jedes der fünf Ventile gelieferten Durchfluß-

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mengen um, so daß Ungenauigkeiten, die durch Ventileinstellungen oder Ströraungshindernisse verursacht werden, kompensiert werden. Die umgewandelten Signale werden dann integriert und das sich ergebende Ausgangssignal bildet ein Atmungsvolumen-Eingangssignal für einen Atmungsvolumen-Komparator. Ein weiteres Atmungsvolumen-Eingangssignal für diesen Komparator wird durch eine Signalverarbeitungs-Schaltung abgeleitet,die ihre Eingangssignale durch die Maßstabs- und Multiplizier-Schaltung entsprechend der Einstellung des Minutenvolumens und der Atemfrequenz sowie durch den Taktgeber und Zähler und außerdem durch die Höhen- und Gaskorrekturschaltung erhält.

Die Maßstabs- und Multiplizierschaltung liefert eine Atmungsfrequenz-Spannung, die integriert und dann in einem weiteren Komparator mit einer von der Maßstabs- und Multiplizier-Schaltung gelieferten Minutenvolumen-Spannung verglichen wird. Wenn die beiden Spannungen gleich sind, aktiviert der Komparator über ein ODER-Gatter einen weiteren Zwischenspeicher, der dann einen von vorbestimmten Ausgangssignalen des Zählers abgeleiteten, binären Zählwert an einen Digital-Analogwandler weiterleitet. Der Wandler summiert die ankommende! binären Zählwertsignale und gibt das Summensignal über die Höhen- und Treibgas-Korrekturschaltung an den Atmungsvolumen-Komparator. Das auf diese Weise an den Komparator gelieferte, korrigierte Signal stellt das gewünschte, durch die Einstellung der Minutenvolumen- und Atmungsfrequenz-Skalen angegebene Atmungsvolumen dar.

Wenn das korrigierte Signal gleich der Spannung am Integratcr-

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eingang des Komparatorε ist, wurde das gewünschte Atmungsvolumen tatsächlich über die Ventile geliefert. Dementsprechend schaltet der Komparator die UND-Gatter in der Durchflußschaltung ab, um das Atmungsintervall durch Schließen der Ventile zu beenden und folglich das Ausatimmgsintervall zu beginnen.

Das Ausatmungsintervall wird unter Steuerung der Atmungsfrequenz-Schaltung beendet. Diese Schaltung weist einen Integrator auf, die eine von der Maßstabs- und Multiplizier-Schaltung entsprechend der Atmungsfrequenz-Einstellung empfangene Atmungsfrequenz-Spannung integriert. Die integrierte Spannung wird an einen Komparator geliefert, der sie mit einer Bezugsspannung vergleicht. Wenn die beiden Spannungen gleich sind, beendet der Komparator das Ausatmungsintervall durch Anlegen eines Rückstellsignals an den Atmungsfrequenz-Integrator und den Durchflußmengen-Integrator in der Atmungsvolumen-Schaltung. Gleichzeitig schaltet das Rückstellsignal den Zählwert in der Tiefatmungs-Zählschaltung um Eins weiter. Aufgrund der Rückstellung des Durchfluß-Integrators betätigt der Atmungsvolumen-Komparator die UND-Gatter in der Durchfluß-Schaltung voll, so daß die jeweiligen Ventile erneut betätigt werden und ein weiteres Einatmungsintervall beginnt.

Die Durchflußsteuereinrichtung ist weiterhin mit einer Atmungsvolumen-Begrenzungsschaltung ausgestattet, um das maximale Atmungsvolumen für-den Fall einer fehlerhaften Einstellung der Minutenvolumen- und Atmungsfrequenz-Skalen zu begrenzen. Die Begrenzungsschaltung enthält einen Integrator, der

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synchron mit dem Atmungsfrequenz-Spannungsintegrator bei der Bestimmung des Atmungsvolumens arbeitet. Der Begrenzungsintr--.. grator integriert eine Bezugsspannung. Das Ausgangssignal ; dieses Integrators wird in einem Komparator mit der Bezugsspannung verglichen, und wenn die beiden Spannungen gteich sind, aktiviert der Komparator den Atmungsvolumen-Zwischenspeicher, um den Atmungsvolumen-Zählwert an seinem Ausgang auf den Wert des BinärZählers festzulegen. Das Ausgangssignal des Zwischenspeichers wird danach benutzt, um den Atmungsvolumen-Komparator entsprechend der obigen Erläuterung zu steuern.

Eine von dem getakteten Zähler beaufschlagte Rückstellanordnung ist in der Durchflußsteuereinrichtung integriert, ura automatisch die Atmungsvolumen- und Atmungsfrequenz-Integrierschaltung in periodisch v/iederkehrenden Intervallen zurückzustellen. Dadurch wird die Genauigkeit bei der Lieferung dos Atmungsvolumens mit der gewünschten Atmungsfrequenz verbessert, Außerdem kann dadurch die Einrichtung auf die Rückstellung der Skalen für das Minutenvolumen, die Atmungsfrequenz und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung ansprechen.

Entsprechend der obigen Erläuterung weist die Durchflußsteuereinrichtung eine Vielzahl von Ventilen auf, die je individuell betätigbar sind und eine vorgegebene Ströinungsmittelmenge von einer Quelle zu einer Verbrauchereinrichtung durchlassen, und Mittel enthält, die unter Ansprechen auf Signale für das Minutenvolumen, die Atemfrequenz und dan Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung die Betätigung dor Ventile so steuert, daß ein bestimmtes Atmungsvolumen des Strö-

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mungsmittels von der Quelle an die Verbrauchereinrichtung abgegeben wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehend erläuterten sowie weitere Merkmale des speziellen Ausführungsbeispiels werden genauer anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels für ein Anästhesie-Beatmungsgerät unter Verv/endung der Durchflußsteuereinrichtung;

Fig. 2 als Blockschaltbild die gegenseitigen Beziehungen zwischen den Steuerschaltungen für die Durchflußmenge, das Atmungsvolumen, die Atemfrequenz und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung sowie der Durchflußventile mit üblichen Anästhesie-Geräten; Fig. 3 und k beispielhafte Kurvendiagramme für die Durchflußmenge, das Minutenvolumen sowie die Einatmung und Ausatmung in Abhängigkeit von der Zeit; Fig. 5 als Beispiel eine Maßstabs- und Multiplizier-Schaltung für die Minutenvolumen-, Durchfluß- und Atemfrequenzspannung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Durchfluß-, Atmungsvolumen- und Atemfrequenz-Steuerschaltungen zusammen mit dem Taktgeber, dem Binärzähler, der Atmungsvolumen- und Durchflußbegrenzungsschaltung, der Tiefatmungsschaltung und der Maßstabs- und Multiplizierschaltung;

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Fig. 7, 8, 9 und 10 Schaltungseinzelheiten der Schaltungsanordnung en in der Durchflußstcuereinrichtung; Fig. 11 die funktionelle Zuordnung der Fig. 7 bis 10.

Spezielle Beschreibung

Gemäß Fig. 1 wird ein Ventilator 10 als Anästhesie-Beatmungsgerät verwendet. Das Gerät ist mit drei Frontplatten-Skaleneinstellungen 11, 12 und 13 ausgerüstet, die Teil der Durchflußsteuerschaltung bilden. Die drei Skalen werden direkt entsprechend den physiologischen Parametern eines Patienten eingestellt, um vorgeschriebene Sauerstoff- und/oder Gasdurchflußmengen, Volumina, Atemfrequenzen und Einatmungs-Ausatmungs-Verhältnisse für einen Patienten über eine Balgeinrichtung bereitzustellen . Das Gerät 10 ist außerdem mit optischen Alarmeinrichtungen 15, 16, 17, 18, 19 ausgestattet, die Fehlfunktionon des Gerätes, welche eine manuelle Beatmung erforderlich machen, das überschreiten von Vorgaben durch die Einstellungen, einen Druckabfall der Gasversorgung, eine Abtrennung des Patienten und ein Einatmungs-Ausatmungs-Verhältnis kleiner als die Einstellwerte angeben. Ein Tastschalter 20 ermöglicht dJe Prüfung der Betriebsfähigkeit der Alanneinrichtungen 15 bis 20. Die Funktion einer Tiefatmungsschaltung im Gerät 10 wird durch einen Frontplattenschalter 21 angegeben. Ein Zyklus-Einleitungssohalter 22 im Gerät 10 ermöglicht das manuelle Starten eines Einatmungszyklus.

Fig. 2 neigt die funktioneilen Beziehungen zwischen den Steuer schaltung cn 23 für die Durchflußmenge, das Atmungsvolumen, die Ateiüfvoqi'enz und das Verhältnis von Einatmung zu Ausat-

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-Atmung sowie der Durchflußventileinrichtung 24 mit einer bekannten Balgeinrichtung 14. Die Steuerschaltung 23 schaltet ein^ Anzahl der Durchflußventile in der Einrichtung 24 derart, daß die Beatmung eines Patienten mit der vorgeschriebenen Sauerstoff- und/oder Gasdurchflußmenge sowie vorgeschriebenem Volumen bei vorgegebenen Atemfrequenzen und Verhältnissen von Einatmen zu Ausatmen entsprechend der Einstellung der Skalen 11, 12, 13 in Fig. 1 erfolgt. Der Atemfluß geht als Beispiel von einer Quelle 25 aus und läuft über eine Regeleinrichtung 26, eine geregelte Gasversorgung 27, eine Ventileinrichtung 24, eine Sammelkammer 28, die mit einem üblichen Ausatmungsventil 29 ausgestattet ist, einen Balg 14 sowie eine zu einem Patienten (nicht gezeigt) führende Leitung 30. Ein konventionelles Überlaufventil 31 entlüftet die Leitung 30. Ein Druckschalter 32 ist an die Leitung 30 angeschaltet, um ein Abnea- oder Patient-abgetrennt-Signal bei einem entsprechenden Zustand in der Leitung zu liefern. Die Ausatmung des Patienten erfolgt ebenfalls über die Leitung 30 in bekannter Weise.

Vor einer genauen Beschreibung des Aufbaus und der Betriebsweise für die Durchflußsteuerschaltung gemäß Fig. 6 und 7-10 erscheint es zweckmäßig, Ausdrücke zu definieren und die Beziehung zwischen Parametern mathematisch auszudrücken.

R = Frequenz (von rate) = Anzahl der Atemvorgänge

je Minute

MV = Minutenvolumen = Anzahl der Liter von ausgetauschtem Sauerstoff und/oder Gas je Minute;

TV = Atmungsvolumen (von tidal volume) - das Volumen

jedes Atemzuges

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= Einatmungszeit (von inspiration time) = die Zeit, während der Sauerstoff und/oder Gas an die Lungen des Patienten geliefert wird

E = Ausatmungszeit (von expiration time) - die Zeit, während der Luft und/oder Gas aus den Lungen dos Patienten ausgeatmet wird,einschließlich einer Ausatmungspause am Ende

I:E = I:E-Verhältnis = das Verhältnis der Einatmungnzur Ausatmungszeitj üblicherweise ausgedrückt in 1 reiner Zahl, beispielsweise 1:1, 1:2 oder 1:3 und so weiter.

F = Durchfluß = der tatsächliche Durchfluß zu einem gegebenen Zeitpunkt, ausgedrückt in Litern je Minute.

Es besteht eine grundlegende Beziehung zwischen der Atemfrequenz, dem Minutenvolumen und dem Atmungsvolumen, nämlich

Minutenvolumen = Atemfrequenz χ Atmungsvolumen oder MV = R χ TV.

Das durchschnittliche Volumen oder das Minutenvolumen des Durchflusses ist gleich dem Volumen jedes Atemzuges mal der Anzahl von Atemzügen je Minute. Typische Bereiche bekannter Instrumente werden wie folgt berichtet:

R= 10 bis 20 Atemzüge je Minute

TV = o,5 bis 1 Liter je Atemzug

MV = 5 bis 10 Liter je Miniate.

Das Ausführungsbeispiel des Anästhesie-Atemgerätes 10 hat folgende Bereiche:

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R = 6 bis 40 Atemzüge je Minute TV = 0,1 bis 1,5 Liter je Atemzug MV = 2 bis 30 Liter je Minute I:E =1:1 bis 1:3

Gemäß Fig. 3 ist der Durchfluß F während des Einatmens stetig. (Während der normalen spontanen Atmung kann der Durchfluß unstetig sein.) Die Einatmung dauert wie die Ausatmung für eine definierte Zeit an.

Eine graphische Darstellung in Fig.4 betrifft das Atmungsvolumen, das Minutenvolumen, die Atemfrequenz und das I:E-Verhältnis für stetiges Atmen. F ist der Durchfluß beim Einatmen, I ist die Einatmungszeit und E die Ausatmungszeit. Das Atmungsvolumen , nämlich das Volumen bei jedem Atemzug, beträgt FxI, Das Minutenvolumen ist das in 1 Minute ausgetauschte Volumen und entspricht dem mittleren Durchfluß, ausgedrückt in Litern je Minute. Daher gilt:

F = MV (1 + γ) ,

wobei F der tatsächliche Durchfluß beim Einatmen ist, der folglich unabhängig von der Frequenz ist.

Um F anhand von TV, R und I:E auszudrücken, geht man aus von F = MV (1 + γ) und MV = TV χ R und erhält durch Substitution:

F = TV-χ R (1 + γ ) .

Für die Auslegung der Steuerschaltung im Gerät 10 definieren die vorstehenden mathematischen Beziehungen die folgenden

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zwei Wahlmöglichkeiten für eine Skaleneinstellung grundsätzlicher physiologischer Daten:

(1) Einstellen MV, R und I:E oder

(2) Einstellen TV, R und I:E.

TV ist zweckmäßig, da die vorhandenen Atmungsgeräte im allgemeinen auf die Endergebnisse von Steuereinstellungen begrenzt sind, die als Balgveränderungen erscheinen und als Atmungsvolumen gelesen werden.

Der Wert MV ist von grundsätzlicherer Bedeutung, da zur Bestimmung der Beatmung eines Patienten mittels des Wertes TV die Atemfrequenz bekannt sein muß, da gilt: MV = R χ TV.

Demgemäß wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 6 bis 10 eine Einstellung der Werte IW, R und I:E mit Hilfe von Wählskalen 11, 12 und 13 benutzt, wobei: MV einstellbar ist von 2 bis 30 , R einstellbar ist von 6 bis 40 , I:E einstellbar ist von 1:1 bis 1:3.

Prinzipielles Durchflußsteuersystem (Fig._m I^ 2 und 3)

Das spezielle Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung verwendet ein einfaches System zur Verwirklichung der arithmetischen Berechnungen zusammen mit einer einfachen und wirksamen Einrichtung zur Steuerung des Durchflusses.

In prinzipieller Hinsicht verwendet das Durchflußsteuerrsyslcw für das Ausführungsbeispiel fünf Ventile 34, 35₅ 36, 37, 38 entsprechend der Darstellung in Fig. 2. Jedes der Ventile int

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mit einer Gasversorgung 27 verbunden, die mit Hilfe eines üblichen Druckreglers 26 auf einem konstanten Druck gehalten wir:!* Jedes der Ventile 34 bis 38 wird so eingestellt, daß z, 4» O, 16 bzw. 32 l/min von der Versorgung 27 an eine Sammelkammcr abgegeben werden können. Die binäre Beziehung der Vierte ist nicht wesentlich, aber - wie noch erläutert werden soll' - zwzol:- mäßig.

Wenn die Vierte MV, R und I:E vorgegeben sind, so lassen sich die von den Ventilen 34-38 gelieferten Durchflußmengen wie folgt bestimmen:

F während der Zeit I = MV (1 + f )

Zeit (I+E) in Sekunden = r- (R in Atemzügen je Minute), wobei man aus I + E = ä— erhält:

I ₌ 60

R(f + D

sowie die Zeit für einen Zyklus = ψ- . Wenn demgemäß die Ventile 34-38 der Beatmungseinrichtung einen gewünschten Durchfluß F für eine Zeitdauer I während der Gesamtzeit (I+E) von «— liefern, so erfüllt der Durchfluß alle Einstellungen der Wählskalen 11, 12 und 13 für die Werte MV, Atemfrequenz und IrE (Fig. 1).

Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Durchflußwerte in binärer Vieise zu 2, 4, 6, 8, 10, ... bis 62 l/min mit Hilfe der Ventile 34-38 in Fig. 2 gewählt. Wenn demgemäß z.B. die vorgeschriebene MV-Einstellung der Wählskala 11 gleich 15,5 1/min und die I:E-Einstellung der Wählskala 13 gleich 1:1 ist, so beträgt der erforderliche Durchfluß F = 15,5 (1+1) = 31 l/min. Die Ventile

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34-38 liefern kontrollierbar 30 oder 32 1/min , d.h. einen Fehler von 1 Teil auf 31 Teile oder etwa 3 % Unterschied gegün den Wert 31. Es sind mehrere Möglichkeiten zur Korrektur des Durchflußfehlers wie folgt verfügbar:

(1) Verwendung zusätzlicher Ventile, beispielsweise Hinzufüguug eines "1"-Ventils (nicht gezeigt), wodurch der Fehler durch Erhöhung der Auflösung verringert wird;

(2) man läßt die Einstellung des Wertes MV durch die Wählskala 11 in Schritten von zwei zu und gestattet, daß der Wert I:E nur die Werte 1:1, 1:2 und 1:3 annehmen kann. Dadurch würde sichcrgestellt, daß F=MV(i+y) immer ein Vielfaches von Zwei ist. Es werden also für die Einstellung von Durchflußwerten bis zu 62 l/min die fünf Ventile 34-38 benutzt;

(3) eine bevorzugte Lösung, die bei dem Ausführungßbeispicl benutzt wird, besteht darin, TV = ψ- zu berechnen und ein abgeleitetes Durchflußsignal zu integrieren, bis der Wert von TV genau der gewünschte Wert ist. Bei diesem Verfahren werden die Ventile 34-38 etwas länger als die berechnete Zeit I geöffnet, wenn der gewünschte Durchfluß 31 und der tatsächliche Durchfluß 30 sind , und die Ventilöffnungszeit wird etwas verringert, wenn der gewünschte Wert von 31 l/min tatsächlich gleich 32 1/ min ist.

Zur Überwachung des tatsächlichen Durchflusses durch die Ventile 34-38 stehen zwei Verfahren zur Durchflußmessung wie folgt zur Verfügung:

(1) Tatsächliche Durchflußmecsung unter Vorwenduzig oekannter V einfahren, beispielsweise mittels eines Differcnzdruck-Gorätes

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oder eines Systems, das mit einem heißen Draht arbeitet; (2) es wird ein System entsprechend dem Ausführungsbeispiel benutzt, bei dem eine Spannung oder ein Strom, die jedem der Ventile 34-38 zugeordnet sind, einem Digital-Analogwandler 39 und einem Integrator 40 in Fig. 6 zugeführt v/erden, wenn die Ventile 34-38 geöffnet sind. Die von den Wandlern 39 und 40 daraufhin gelieferte Spannung gibt den genauen Wert des von den Ventilen 34-38 gelieferten Durchflusses wieder.

Allgemeine Überlegungen zur Auslegung der Wählskalen 11,12,13 für die Werte MV, R und I:E sowie der Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 in Fig. 1 und 6 zur Ableitung von Spannungen für das Minutenvolumen, den Durchfluß und die Atemfroquenz

Wie oben erwähnt, verwendet das Ausführungsbeispiel einen MV-Bereich zwischen 2 und 30 und einen Bereich für das I:E-Ver~ hältnis zwischen 1 und 3. Zur Ableitung der Durchflußsignalspannung F= MV (1 + γ ) innerhalb dieser Bereiche ist ein Aus· führungsbeispiel für die MV- und I:E-Wählskalen 11,13 und die Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 gemäß F^g. 6 in Fig. 5 dargestellt. Die MV-Signalspannung wird am Schleifer 44 eines linearen Potentiometers 45 der MV-Wählskala 11 abgeleitet, dar. in Reihe mit einem Maßstabswiderstand 46 zwischen Erde und eine geregelte Spannung 47 geschaltet ist. Der Wert des Widerstandes 46 ist so gewählt, daß der Widerstand des Potentiometers 45 bei einem Faktor 2 statt 0 für den unteren MV-Bereich von 2 beginnt. Der V/iderstand des Potentiometers A5 ist linear einstellbar, um die Ausgangs spannungen am Schleifer ^l\l\ für den restlichen MV-Bereich zwischen 2 und 30 zu erhalten.

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Die Spannung 47 ist auf einen Wert von 30 (3+1) eingeregelt.

Eine Multiplikation der am Schleifer 44 abgeleiteten MV-EI

Spannung mit dem Wert (γ + 1) zur Gewinnung einer Durchflußsignalspannung F wird erreicht, indem die Spannung am Schleifer 44 an eine Reihenschaltung aus einem Potentiometer 48 und einem Maßstabswiderstand 49 angelegt wird. Der Wert des Widerstandes 47 ist so gewählt, daß der Widerstandswert des Potentiometers 48 für die I:E-Wählskala 13 bei 1 statt bei 0 für den unteren I:E-Bereich von 1 beginnt. Der Wert des Potentiometers 48 ist linear einstellbar, um den restlichen I:E--Bereich zwischen 1 und 3 bereitzustellen. Die sich ergebende Ausgangsspannung am Schleifer 50 des Potentiometers 48 ist die Durchflußspannung F für die gewählen Einstellungen der Wählskalen 11 und 13 für die Werte MV und I:E.

Die Ableitung einer Atemfrequenzspannung wird durch eine Reihenschaltung eines Maßstabswiderstandes 51 und eines Potentiometers 52 für die R-Wählskala 12 zwischen Erde und eine geregelte Spannung erreicht. Der Wert des Widerstandes 51 ist so gewählt, daß der Widerstand des Potentiometers 52 bei 6 statt bei 0 für den unteren R-Wert beginnt. Das Potentiometer 52 ist linear einstellbar, um den restlichen R-Bereich zwischen 6 und 40 zu erhalten. Die sich ergebende Ausgangsspannung am Schleifer 53 des Potentiometers 52 ist die Atemfrequenzspannung R für die gewählte Einstellung der Wählskala 12.

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ZO

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Steuerschaltung (Fig. 6)

Die Schaltung steuert die Abgabe vorgeschriebener Mengen vcn Luft oder Sauerstoff aus der Primärquelle 25 in Fig. 3 über die Regeleinrichtung 26 und die geregelte Versorgung 27 an eine Balgeinrichtung 14 zweckmäßig mit Hilfe der 5 Durchflußventile 34-38 . Das geschaltete Öffnen und Schließen der Ventile 34-38 wird prinzipiell durch einen Taktgeber 54 in Fig. 6 und die Einstellungen der MV-Wählskala 11, der R-Wählskala 12 und der I:E-Wählskala 13 gesteuert.

Der Taktgeber 54 erzeugt Ausgangsimpulse mit einer Wiederholungsfrequenz von 1500 Hz, die einen vielstufigen, automatisch zurücklaufenden Zähler 55 treiben. 10 Ausgänge des Zählers 55 liefern 5 Eingangszählsignale an eine Durchflußsignal-Zwischenspeicherschaltung 56 und 6 Eingangszählsignale zusammen an einen Durchfluß-Digital-Analogwandler 57 und an eine Atemvolumen-Zwischenspeicherschaltung 58. Die 5 Ausgänge des Zählers 55 sind mit 59 bis 63 bezeichnet und entsprechen den Zählwerten 2, 4, 8, 16 und 32 _t die zur Betätigung der entsprechenden Ventile 34-38 für einen Durchfluß von 2,4,8,16 und 32 l/min erforderlich sind. Die binären Ausgänge des Zählers 55 sind mit 64 bis 69 bezeichnet und entsprechen den Zählwerten 1, 2, 4, 8, 16 und 32, die sowohl für die Durchflußals auch die Atemvolumen-Steuerung verwendet werden.

Bei Einstellung der MV-', R- und I:E-Wählslcalen 11, 12 und 13 auf die vorgeschriebenen Werte wird eine dem Durchfluß F=MV(I +γ) proportionale Spannung am Ausgang 70 der Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 erzeugt. Die Schaltung 41

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weist zweckmäßig Operationsverstärker (in Fig. 6 nicht gezeigt) zur Pegeländerung (Maßstabsfaktoren) und zur Impedanzanpassung auf. Die Durchflußspannung am Ausgang 70 wird an den jeweiligen ersten Eingang von Komparatoren 71 und 72 angelegt.

Der zweite Eingang des Komparators 71 ist mit dem Ausgang 75- eines Wandlers 57 verbunden. Dieser Wandler summiert die Spannungen an den Zählerausgängen 64-69 mit einem geeigneten Maßstabsfaktor für jeden Ausgang der Zählwerte 1, 2, 4, 8, und 32. Der Maßstabsfaktor gibt die Größe des Zählwertes wieder, derart, daß beispielsweise der Zählwert 32 den vierfachen Betrag des Zählwertes 8 und den 16-fachen Betrag des Zählwerts 2 usw. beiträgt. Die Spannung am Ausgang 73 steigt von 0 auf einen Maximalwert 63 an. Wenn sie die Durchflußspannung am Ausgang 70 übersteigt, erzeugt der Komparator 71 ein Signal an seinem Ausgang 74, das den Durchfluß-Zwischenspeicher 56 aktiviert. Dieser Zwischenspeicher weist 5 Ausgänge 76-80 auf, die je einem seiner 5 Eingänge 59-63 entsprechen. Bei seiner Aktivierung rastet der Zwischenspeicher 56 ein und bewirkt, daß seine Ausgänge 76-80 den dann vorhandenen binären Zählwert an seinen Eingangsleitungen 59-63 übernehmen und aufrechterhalten. Trotz der nachfolgenden Änderung der Spannungen des Digital-Analogwandlerε 57 an seinem Ausgang 73 unter Steuerung des freilaufenden und sich zurückstellenden Zählers 55 hat dar, das /susgangssignal des Komparators 71 keinen Einfluß auf den Zwischenspeicher 56.

Die Ausgänge 76-80 können selektiv nur einen Wert zwischen

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-ντο (OOOOO) und 62 (11111) in Schritten von 2 annehmen. Jeder der Ausgänge 76-80 ist mit einem Eingang eines individuellen Gatters der 5 ODER-Gatter 81-85 verbunden, dessen Ausgang wiederum zu einem Eingang eines individuellen Gatters von 5 UND-Gattern 86-90 führt. Die 5 Ausgänge der Gatter 81-85 sind mit 91-95 bezeichnet. Der Ausgang jedes der Gatter 86-90 ist mit einem individuellen Ventil der Durchflußventile 34-3d und einem individuellen Eingang von 5 Eingängen eines Digital-Anal ogwandl er s 39 verbunden. Die Ausgänge der Gatter 86-90 sind mit 97-101 bezeichnet.

Die ODER-Gatter 81-85 lassen die binären Zählsignale 2, 4, 8, 16 und 32 von den Ausgängen 76-80 des Zwischenspeichers 56 über die Ausgänge 91-95 zu den entsprechenden Eingängen der UND-Gatter 86-90 durch, trennen aber diese Signale von übergeordneten Steuersignalen, die ein Komparator 72 entsprechend der nachfolgenden Erläuterung erzeugen kann. Die UND-Gatter 86-90 werden auf vorteilhafte Weise unter Steuerung von Durchflußkompensations-Steuersignalen entsprechend der nachfolgenden Erläuterung betätigt, um die ankommenden binären Zählsignale zu den jeweiligen Ventilen 34-38 durchzulassen.

Um das Verständnis der Durchflußsteuerschaltung zu erleichtern, wird eine Beschreibung für die Erzeugung der Durchflußkompcnsations-Steuersignale zurückgestellt und angenommen,daß die UND-Gatter 86-90 betätigt sind und die jeweiligen binären Zählsignale 2, 4, 8, 16, 32 , die von dem Zwischenspeicher 56 über die Gatter 81-85 ankommen, durchlassen. Die durchgelassenen Signale betätigen demgemäß das jeweilige bzw. die je-

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weiligen Ventile 34-38.

Die Ventile sind im Ruhezustand geschlossene, in beiden Richtungen arbeitende Bauteile. Sie sind so geschaltet, daß das Ventil 34 für 2 l/min mit der "2"-Zählwertleitung, das Ventil 35 für 4 l/min mit der "4"-Zählwerlleitung usw. verbunden sind. Alle vorstehend beschriebenen Funktionen der Durchflußsteuerschaltung dienen zur Erzeugung eines Durchflusses im Bereich zwischen 0 und 62 l/min entsprechend den Ausgängen 76 bis 80 des Durchfluß-Zwischenspeichers. Als Folge davon wird ein Luft- oder Sauerstoffstrom an die Balgeinrichtung gegeben, der ungefähr (aber nicht genau) dem durch die Einstellung der IW- und I:E-Wählskalen 11 und 13 angegebenen
Durchfluß entspricht. Der von den Ventilen 34-38 gelieferte Durchfluß ist nicht genau gleich dem durch die Wählskalen 11 und 13 angegebenen Durchfluß, und zwar wegen der Zahlwortschritte von 2ⁿ des Zwischenspeich*
der Einstellung der Ventilblenden.

schritte von 2 des Zwischenspeichers und Schwankungen bei

Zum Ausgleich der Ungenauigkeiten bei den gelieferten Durchfluß steuert die Atmungsvolumen-Steuerschaltung gemäß Fig.6 die Abschaltung der UND-Gatter 86-90 und die Dauer der Ventilbetätigung, derart, daß der tatsächlich über die Ventile 34-38 gelieferte Durchfluß genauer den vorgegebenen Einstellungen der V/dhlskalen 11, 12 und 13 entspricht. Die Schaltungsanordnung zur Durchführung dieser Funktion weist eine Einrichtung zur Atmungsvolumen-Signalverarbeitung und Hchersowie Treibgas-Korrektur auf, die den Digital-Analogv,andler 39 , einen Integrator 40, einen Komparator 103, ei.no Treib-

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gas-Korrekturschaltung 104, eine Höhenkorrekturschaltung 105, einen Digital-Analogwandler 106, einen Zwischenspeicher 58, ein ODER-Gatter 108, einen Komparator 109, einen Integrator

110 und die Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 aufweist.

Der Digital-Analogwandler 39 stellt eine Maßstabs- und Suromier-Verstärkerschaltung dar. Jeder der 5 Eingänge des Wandlers 39 ist so voreingestellt oder maßstäblich beeinflußt, beispielsweise durch eine Widerstandseinstellung, daß sein Signalbeitrag für die Summier-Verstärkerschaltung den tatsächlichen, von dem jeweils zugeordneten Ventil der Ventile 34-38 gelieferten Durchfluß entspricht, wenn die Ventile betätigt und geöffnet sind, beispielsweise bei der Eichung des Gerätes. Es wird also eine genaue Darstellung des tatsächlich von den geöffneten Ventilen 34-38 an die Balgeinrichtung 14 gelieferten Durchflusses an die Eingänge der Summier-Verstärkerschaltung (nicht gezeigt) des Wandlers 39 gegeben. Daraufhin erzeugt der Wandler 39 an seinem Ausgang

111 ein Durchflußsummensignal als Eingangssignal für den Integrator 40. Dieser wandelt das Durchflußsummensignal in eine Anzeige für das Volumen um, so daß schließlich, wie noch beschrieben wird, das Voluraensignal am Ausgang 112 des Integrators 40 in Verbindung mit dem Komparator 103 die Aus- und Einschaltung der UND-Gatter 86-90 über die Leitung 113 steuert, derart, daß die Ventile 34-38 für eine Zeitdauer geschlossen und geöffnet werden, die Ungenauigkeiten zwischen den Einstellungen der Wählskalen 11 und 13 sowie der Ventile 34 und 38 und ihrer zugeordneten 2ⁿ-Durchflußsteuerscha]bung ausgleicht.

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Der Komparator 103 vergleicht das Volumenanzeigesignal am Integratorausgang 112 mit einem auf das Atmungsvolumen bezogenen Signal, das bezüglich der Höhe und mit Bezug auf die Luft und/oder Sauerstoff korrigiert ist, um die Öffnungsund Schließdauer der Ventile 34-38 so zu steuern, daß das Atmungsvolumen für die Luft und/oder den Sauerstoff, der an die Balgeinrichtung 14 geliefert wird, gleich der Einstellung der MV-, I:E- und R-Wählskalen 11, 12 und 13 ist. Das durch diese Einstellungen geforderte AtmungsvoIumen ist entsprechend der obigen Erläuterung: TV = W- .

Die Erzeugung eines auf das Atmungsvolumen bezogenen Signals wird durch Integrieren der von der Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 über die Leitung 75 gelieferten Atemfrequenz-Spannung in einem Integrierer 110 und Abgabe der erhaltenen Ausgangsspannung über eine Leitung 114 an einen ersten Eingang des Komparators 109 eingeleitet. Der zweite Eingang des Komparators 109 nimmt die Minutenvolumen-Spannung von der Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 auf. Wenn die beiden E ingang sspannungai gleich sind, ist die Atemfrequenz-Spannung mal der Zeitdifferenz gleich der MV-Spannung,und die Zeitdifferenz ist proportional zu MV/Atemfrequenz und daher proportional dem Atmungsvolumen. Als Foil ge gleicher Eingangsspannungen erzeugt der Komparator 109 ein Ausgangssignal,das über die Leitung 115, das ODER-Gatter 108 und die Leitung 116 den Zwischenspeicher 58 aktiviert. Dieser rastet daraufhin ein und führt den dann vorhandenen Zählwert dos Zählers 55 über seine Ausgangsleitungen im Kabel 117 zum Digital-Analogwandler 106. Die dann auf den Adern des Kabels 117 an-

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-erstehende Digitalzahl ist dem durch die Einstellung der Wählskalen 11, 12 und 13 angegebenen Atmungsvolumen proportional. Die Zahl liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 512.

Die Atmungsvolumen-Zählwertsignale auf den Adern des Kabels 117 werden im Digital-Analogwandler 106 summiert. Das Summensignal gelangt dann über die Leitung 118 zur Höhenkorrekturschaltung 105, um die Signalpegel für Höhen zwischen 0 und etwa 1800 m maßstabsgerecht einzustellen. Diese Korrektur ist vorgesehen, da das Luftvolumen, das durch die Rohrbegrenzung ermöglicht wird, eine Funktion des Drucks über dem Rohr sowie der Dichte des durch das Rohr fließenden Luft- oder Sauerstoffstroms ist. Die geregelte Quelle 27 liefert immer Luft oder Sauerstoff mit einem festen Druck mit Bezug auf den Atmosphärendruck. Die Dichte der Luft oder des Sauerstoffes ändert sich aber mit dem Atmosphärendruck.

Wenn beispielsweise der Atmosphärendruck Pp ist, das gelieferte Volumen beim Druck P₂ gleich V₂ beträgt und die atmosphärische Ausgangstemperatur T₂ ist, so ergibt sich : P₂V₂

wobei P₁, V. und T₁ sich auf den Druck, das Volumen und die Temperatur auf der Hochdruckseite beziehen. Wenn die Temperatur Τ_Λ - T₀ ist, erhält man

PV P₁V₁ = P₂V₂ oder V₂ = ^Ll .

^P1 = ^pp /Δ» ^p» wobei J\ P durch die Regeleinrichtung gehalten

wird. Demgemäß ist V₉ = ' 2 ⁺ *—> ' 1 , so daß bei Anderun-

ρ
F₂

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gen von P₂ (Atmosphäre) Vp nicht konstant sein kann. Für kleine Änderungen von Pp ist der Fehler ohne Korrektur klein. Für Änderungen von Pp aufgrund großer atmosphärischer Änderungen , beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Höhenlagen, wird die maßstäbliche Korrektur (zwischen O und 1800 m) durch die Höhenkorrekturschaltung 105 durchgeführt, und die sich ergebenden, korrigierten Signale werden über die Leitung 119 zur Treibgas-Korrekturschaltung 104 übertragen. Diese Schaltung weist eine Anordnung zur manuellen Einschaltung einer geeigneten Maßstabseinrichtung in Reihe zwischen die Leitungen 119 und 120 abhängig davon auf, ob Luft oder Sauerstoff die Ventile 34-38 beaufschlagen.

Als Folge der vorstehend beschriebenen Maßnahmen gibt die Signalspannung auf der Leitung 120 genau ein vorgeschriebenes Atmungsvolumensignal entsprechend der Einstellung der Wählskalen 11, 12 und 13 wieder. Wenn die Spannungen auf den Leitungen 120 und 112 gleich sind, wird der Komparator 103 betätigt und schaltet die Gatter 86-90 ab, so daß der Durchlauf der binären Zählsignale zu den Ventilen 34-38. Die Ventile werden daraufhin geschlossen, um die Einatmungszeit I zu beenden und die Ausatmungszeit E zu beginnen. Die Einatmungszeit I ist also diejenige Zeit, welche für die Integration des tatsächlichen Durchflusses mittels des Integrators 40 benötigt wird, um das korrigierte, auf das Atmungsvoluraen bezogene Signal von der Korrekturschaltung 104 zu erhalten. Die Einatmungszeit I ist demgemäß kürzer oder langer um einen Betrag, der für einen Ausgleich des größeren oder kleineren Zählwertes bei der 2ⁿ-Binärzählung durch den Zähler 55 sorgt.

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-ar-

Wenn beispielsweise das Ventil 38 für 32 l/min tatsächlich im geöffneten Zustand 29 1/min liefert und die Spannungseinstellung im Digital-Analogwandler auf 29/32 des Wertes eingestellt ist, der dem Ventil 38 für 32 l/min entspricht, so bleiben alle betätigten Ventile 34-38 aufgrund der Funktionen der Kompensationsschaltung für eine längere Zeitdauer offenum die fehlenden 3 l/min auszugleichen. Anders gesagt, die betätigten Ventile bleiben lange genug offen, um das geforderte, durch die Einstellung der Wählskalen 11, 12 und 13 argegebene Atmungsvolumen zu erreichen.

Durchflußprüf-Begrenzungsschaltung (Fig. 6)

Diese Schaltung begrenzt die Höhe des Durchflusses durch die Ventile 34-38 auf 62 l/min trotz einer fehlerhaften Arbeitsweise des Zwischenspeichers 56 und immer dann, wenn die PJinstellung der Wählskalen 11 und 12 einen größeren Durchfluß angibt. Als Beispiel tritt die Einstellung eines solchen größeren Durchflusses auf, wenn die Wählskalen 11 und 12 auf MV = 30 und I:E = 3 eingestellt sind. Gemäß der Gleichung F = MV(1+E/I) wäre dann der geforderte Durchfluß 120 l/min.

Die Prüfschaltung führt die Durchflußbegrenzung aus, indem sie die Funktion der ODER-Gatter 81-85 und der UND-Gatter 86-90 steuert. Die Prüfschaltung betätigt alle ODER-Gatter 81-85 zwecks Betätigung aller Ventile 34-38 und Abschaltung der UND-Gatter 86-90, wenn das durch die Einstellung der Wählskalen 11, 12 und 13 verlangte Atmungsvolumen erreicht ist.

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-2β-

Ein Komparator 72 in der Prüfschaltung steuert die Betätigung aller ODER-Gatter 81-85 immer dann, wenn die am Ausgang 70 erzeugte Durchfluß-Spannung einem Durchfluß von mehr als 62 l/min entspricht. Ein erster Eingang 121 des !Comparators 72 ist an eine Quelle (nicht gezeigt) für ein Bezugspotential angeschaltet, das in Beziehung zur Begrenzung auf maximal 62 l/min steht. Wenn die Durchfluß-Spannung etwas größer als die Bezugsspannung ist, liefert der Komparator 72 an seinem Ausgang 122 ein Schaltsignal, das über alle ODER-Gatter 81-85 und die normalerweise betätigte UND-Gatter 86-90 läuft und alle Ventile 34-38 betätigt, so daß der volle Durchfluß von 62 l/min an die Balgeinrichtung 14 geliefert wird.

Wie oben erläutert, sind die UND-Gatter 86-90 normalerweise betätigt, um ein von den Ausgängen 91-95 der ODER-Gatter 81-85 kommendes Ventilbetätigungssignal durchzulassen. Die Gatter 86-90 werden, wie bereits erläutert, abgeschaltet, wenn das durch die Einstellung der Wählskalen 11, 12 und 13 vorgeschriebene Atmungsvolumen durch die Ventile 34-38 zur Balgeinrichtung 14 geliefert worden ist. Die Abschaltung der Gatter bei einem Wert von 62 l/min bewirkt, daß das Verhältnis I;E automatisch von einem zu hohen auf einen erträglichen Wert herabgesetzt wird, wenn die Einstellung der Wählskalen 11 und 12 einen größeren Durchfluß verlangt. Die automatische Verringerung wird durch eine Steuerung der Einatmungszeit erreicht, wie oben beschrieben. Diese Zeit wird durch die Zeit bestimmt, die benötigt wird, damit die korrigierten, auf das Atmuiigsvolumen bezogenen Signale der Korrektur schaltung 104

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den Signalpegel am Ausgang 112 des Integrators 40 erreichen. Dieses Signal stellt eine Integration des maßstäblich bewerteten Durchflußsignals entsprechend 62 l/min dar.

Frequenz - Atemzüge .je Minute

Diese Schaltung beinhaltet einen Atemfrequenz-Spannungsintegrator 123 und einen Komparator 125. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Gesamtzeit für das Einatmen und Ausatmen zu regeln. Dies geschieht durch eine Überwachung der Gesamtzeit, · während der die Ventile 34 bis 38 geöffnet und geschlossen sind. Die Gesamtzeit entspricht der Frequenz und als Beispiel den Atemzügen je Minute. Das Zeitintervall ist gleich 60 Sekund en/Frequenz.

Ein Einatmungsintervall ist vorhanden, wenn die Ventile 34-38 offen sind und den vorgeschriebenen Durchfluß zur Balgeinheit 14 ermöglichen. Das Einatmungsintervall läßt sich steuerbar verändern, um ein vorbestimmtes Atmungsvolumen zur Einheit zu geben. Es wird dann sofort beendet, wie oben beschrieben, um das Ausatmungsintervall einzuleiten. Im Ausatmungsintervall sind die Ventile 34-38 geschlossen und unterbrechen den Durchfluß zur Balgeinheit 14. Das Ausatmungsintervall wird - abhängig von der Einstellung der Atemfrequenz-Y/ählskala 12 beendet.

Zur Erzeugung einer Gesamtzeit, die gleich der Einatmungsund Ausatmungszeit ist,.wird die von der Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 an die Leitung 75 gegebene Atemfrequentspannung im Integrator 123 integriert, bis eine vorgegebene

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-bespannung erreicht ist. Ein sich ergebendes Ausgangssignal dos Integrators wird über die Leitung 124 an einen Komparator gegeben. Das Ausgangssignal ist proportional dem Integral der Atemfrequenz-Spannung mal der Zeitdifferenz von O bis zur Eezugsspannung. Die Aterafrequenz-Spannung mal der Zeitdifferer'z ist gleich der Bezugsspannung, und die Zeitdifferenz ist proportional der Bezugsspannung/Atemfrequenz-Spannung.

Ein Eingang des Komparators 125 ist mit der Bezugsspannung verbunden,und der andere Eingang liegt an der Leitung 124. Wenn die integrierte Atemfrequenz-Spannung auf dem Leiter

124 gleich der Bezugsspannung ist, liefert der Komparator

125 an seinem Ausgang 127 ein Rückstellsignal} das den Atemfrequenz-Integrator 123 sowie den Durchfluß-Integrator 40 zurückstellt und gleichzeitig eine Tiefatmungs-Zählschaltung

126 weiterschaltet. Auf diese Weise wird das Ausatmungsintervall beendet und ein weiteres Einatmungsintervall begonnen. Bei der Rückstellung steuert der Integrator 102 den Komparator 103, um die UND-Gatter 86-90 voll zu betätigen, so daß die jeweiligen Ventile erneut betätigt und geöffnet werden, wie oben erläutert. Die Ventile bleiben dann geöffnet, bis das durch die Einstellung der Wählskalen 11, 12 und 13 vorgegebene Atmungsvolumen erreicht ist.

Atmungsvolumenbegrenzung

Als zusätzliche Sicherheitsvorkehrung für die Einstellung der Wählskalen 11, 12 und 13 wird das über die Ventile 34-38 an die Balgeinheit 14 gelieferte Atmungsvolumen durch eine Schaltung begrenzt, die einen Integrator 128 und einen Korn-

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parator 129 enthält. Das maximale Atmungsvolumen liegt beispielsweise zwischen 1,5 und 1,6 1. Ein solches Volumen ist hoch genug für erwachsene Personen.

Der Integrator 128 arbeitet synchron mit dem Atemfrequenz-Spannungsintegrator 110 bei der Feststellung des Atmungsvolumcnc. Die Zeitdifferenz, die sich aus dem Wert Minutenvolumen/Atemfrequenz ergibt, ist proportional dem Atmungsvolumen. Der Integrator 128 integriert eine auf der Leitung 130 gelieferte Bezugsspannung und gibt ein Ausgangssignal auf die Leitung 131. Der Komparator 129 vergleicht die Spannungen auf den T.r>i hmirpri 1^0 iifi(i 1^1, Wem dl ο "bfiden Spnrn^in"¹^^ ^I " i "^v· .-»v,-» aktiviert der Komparator 129 über das Gatter 108 den Zwischenspeicher 107, der dann an seinem Ausgang den im Zähler 55 vorhandenen, zugeordneten Atmungsvolumen-Zählwert festhält. Als Beispiel entspricht dieser Wert 1,55 1.

Tiefatmungsschaltung

Die Schaltung 126 in Fig. 6 erhöht sowohl die Einatmungs- als auch die Ausatmungszeit um 15 5^. Es handelt sich um eine Zähleinrichtung, die beispielsweise für jeden 64-sten Atmezug Spannungspegel innerhalb der Komparatoren 103 und 125 so einstellt, daß die Atmung auf 150 % des erforderlichen Atmungsvolutncns erhöht und die Dauer der Ausatmunßßzoit ebenfailr, auf 150 % des Normalwertes vergrößert wird.

Jeder Rüclt.stfJ Ί impuls auf der Loitunp 127 vom Komparator ^^?^ιl wird durch die Tiefatmungsschaltung 126 gezählt, bis insgesamt 64 Atmungr.vorgönge gezählt worden sind. Die Schaltung

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legt dann Steuerspannungen an die Leitungen 132 und 133 an, derart, daß die Komparatoren 125 und 103 so vorgespannt werden, daß sie das Einatmungsvolumen auf 150 % des Normalwertes und die Dauer der Ausatmung auf 150 % des Normalwertes erhöhen.

Getaktete Rückstellung

Um ein genaues Einatmungsvolumen und eine sichere Atmungsvolumen-Begrenzung der Durchflußsteuereinrichtung zu erreichen, ist die Schaltung gemäß Fig. 6 so ausgelegt, daß sie automatisch die Integratoren 128 und 110 für das Atmungsvolumen unu die Atmungsvolumenbegrenzung in periodisch wiederkehrenden Intervallen zurückstellt. Die Rückstellung erfolgt durch ein Rückstellsignal, das am Binärausgang 512 des Zählers 55 immer dann erzeugt wird, wenn bei der Zählung von Impulsen des Taktgebers 54 ein Zählwert 512 und abwechselnde Vielfache hiervon erreicht werden. Das Rückstellsignal dauert an, solange der Ausgang 512 aktiviert ist, d.h. beispielsweise von dem Zeitpunkt an, zu dem der Zählwert 512 erreicht, bis zum Zählwert 1024. Im Ergebnis laufen die Integratoren 110 und 128 sowie zugeordnete Komparatorschaltungen während dieses ZeL tabschnitts voll zurück und führen dann wieder die oben beschriebenen Funktionen aus.

Die Rückstellung gibt die Möglichkeit, daß die Wählskalen 11, 12 und 13 neu eingestellt werden können und die Durohflußsteuerschaltung auf die gewünschten Werte für den Durchfluß, das Atmungsvolumen und "das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung ansprechen kann.

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Zyklus-Einleitung

Eine Schaltung 139 zur Einleitung eines Zyklus enthält einen manuell betätigbaren Kastenschalter. Der Schalter veranlaßt den Komparator 125, ein Ausgangssignal auf der Leitung 127 zu erzeugen, um die Integratoren 123 und 40 für die Atemfrequenz und das Atmungsvolumen zurückzustellen und den Tiefatmungszähler um Eins weiterzuschalten. Die Schaltung 139 läßt eine Betätigung durch den Drucktastenschalter nur während des Ausatmungsabschnittes eines Zyklus zu. Das Rückstellen tritt nur im Augenblick der Schalterbetätigung auf, und das Festhalten des Tastenschalters hat keinen Einfluß auf nachfolgende Zyklen.

Steuerschaltung (Fig. 7-10)

Der Taktgeber 54 in Fig. 7 weist einen astabilen Multivibrator 137 auf, dessen Arbeitsfrequenz durch eine ZeitSteuerungsschaltung mit einem Widerstand 138, einem Potentiometer 139 und einem Kondensator 140 bestimmt wird. Ausgangsimpulse auf der Leitung 141 treiben den Zähler 55.

Der Zähler 55 ist ein Übertrags-Binärzähler/Teiler 142 mit 12 Ausgängen 2^ ' bis 2^ . Diese Ausgänge entsprechen den Werten 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 und 2048. Die Ausgänge 1-256 werden für die Berechnungsfunktionen benutzt, v/obei sich 1 bis 511 Schritte ergeben. Der Ausgang wird zur Rückstellung dßr Integratorschaltungen für das Atmungsvolumen und die Atmungsvolumenbegrenzung benutzt. Eine zusätzliche Funktion des Ausgangs 256 besteht darin, die optischen und akustischen Alarmeinrichtungen mit einer

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"Pfeif"-Frequenz bei ihrer Betätigung arbeiten zu lassen.

Der Zwischenspeicher 56 weist eine Flipflop-Schaltanordnung auf, die Eingangssignale auf den Leitungen 59-63 aufnimmt und Ausgangssignale auf den Leitungen 76-80 abhängig von einem positiven Impuls auf der Leitung 74 erzeugt. Die Ausgfingssißnale werden anschließend für die Purchfluß-Abgabefunktionen festgehalten.

Die ODER-Gatter 81-85 enthalten 4 ODER-Gatter mit je 2 Eingängen. Der Ausgang jedes der 4 ODER-Gatter ist eingeschaltet, wenn das entsprechende Flipflop-Ausgangssignal des Zwischen-Speichers auf der jeweiligen Leitung 76-80 eingeschaltet ist. Für diese Funktion sind 4 ODER-Gatter und ein Dioden-Widerstandsnetzwerk 143 für das erforderliche fünfte ODER-Gatter vorgesehen.

Die UND-Gatter 86-90 sind aus 4 UND-Gattern mit je zwei Eingängen gebildet, die so angeordnet sind, daß sich 5 individuelle UND-Gatter ergeben. Die UND-Gatter werden wahrend der Einatmungsperioden betätigt, um die Ausgangsignale der ODER-Gatter 81-85 zur Betätigung der Fünf-Ventil-Anordnung 2h in Fig. 8 durchzulassen. Die 5 Ventile 34-38 der Anordnung 24 werden unter Steuerung von Transistor-Ventiltreibern betätigt, die auf die Ausgangssignale der UND-Gatter 86-90 ansprechen. Die Ventile 34-38 sind während der Einatmungszeit betätigt und offen, während das Ausatmungsventül geschlossen ir.t. Umgekehrt sind die Ventile 34-38 während der Ausntrnungsze.it geschlossen, und das Ausatmungsventil ist geöffnet.

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Dic Luft/Op-Rcgulier- und Versorgungseinrichtung 26, 27 versorgt die Ventile mit Luft/Op konstanten Druckes, beispielsweise einem Druck von 2,6 bar, und wird beispielsweise aus einer Krankenhaus-Versorgungsleitung mit einem Nenndruck von 3,5 bar gespeist. Üblicherweise enthält die Regeleinrichtung ein Filter zur Beseitigung von Schmutzteilchen aus der Eingangsleitung. Eine zur Verwendung bei dein vorliegenden Aunführungsbeispiel geeignete Regeleinrichtung wird von der Firma Norgen Company hergestellt.

Fig. 7 zeigt, daß der Digital-Analogwandler 57 mehrere Eingänge besitzt, die über Widerstände 157-162 mit den 1-j 2-, 4-, β-, 16- und 32-Ausgängen des Zählers 55 verbunden sind. Der Wandler 57 ist ein Treppenspannungs-Generator, der auf die 2 - bis 2 -Ausgangssignale des Zählers 55 anspricht. Am Ausgang 163 des Verstärkers 164 im Wandler 57 steht eine Folge von Spannungßschrittcn an, die von 0 bis auf einen Wert; ansteigen, der 63 Einheitsschritten entspricht. Die Spannung am Ausgang 163 steigt von 0 auf 63 an, und es wird eine sich zyklisch wiederholende Treppenspannung erzeugt.

Vom Wandlerausgang 163 gelangt das Treppensignal über einen Widerstand 166 zum invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 165 im Komparator 71. An den nichtinverticrendcn Eingang des Verstärkers 165 wird von der eitung 70 über einen Widerstand 169 und einen Kondensator 170 der berechnete Wert der Durchfluß-Spannung von dor Einstellung der Wan]/skalen und der Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 in Fig.9 angelegt. Der berechnete Wert der Durchfluß-Spannung ent-

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spricht einem Durchfluß « MV (1 + E/l). Wenn die Treppenspannung den Wert der Durchfluß-Spannung auf der Leitung 70 erreicht, wird am Ausgang des Komparator-Verstärkers 165 eine schnell ansteigende positive Spannung erzeugt, die über eine? Diode 167 u)id ein Gatter I68 zur Flipflop-Sch.'ü tcr.slcucrl H.·· tung 74 gegeben wird, um den Flipflop-Schalter 56 so umzuschalten und zu verriegeln, daß der binäre Zählwert am Ausgang des Zählers 142 auf die Gatter 81-85 geschaltet wird und den Durchflußwert annimmt, der durch die Wähl skalen 11-1 .'5 vorgegeben ist.

Unmittelbar unterhalb des Komparators 71 in Fig.7 befindet sich der Komparator 72, der einen Operationsverstärker 175 enthält. Dessen invertierender Eingang int über ein Widerstandsnetzwerk mit einer Bezugsspannung 171 sowie mit der von der Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 auf der Leitung 70 gelieferten Spannung verbunden. Das Netzwerk enthält die Widerstände 172 , 173 und 174. Wenn die Spannung auf der Leitung 70 größer als der Wert der Bezugsspannung ist, (die dem Wert von 62 l/min entspricht), wird das Ausgangnsignal des Verstärkers 175 über die Leitung 122 und Dioden 176, 177 sowie einen Widerstand 178 an die Gatter 76-80 geliefert. Demgemäß sind alle 5 Ventile 34-38 über die Gatter 91-95 aktiviert, wie oben erläutert, um sicherzustellen, daß ein Maximum von 62 l/min an einen Patienten immer dann geliefert wird, wenn die Skaleneinstellung und die von der Maßstabsund Multiplizierschaltung 41 auf der Leitung 70 gelieferte Spannung einen Wert verlangen, der größer ist als 63 l/min. Der Komparator 72 erzielt dieses Ergebnis, da die vom Wandler

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α -3T-

57 gelieferte Treppenepannung keinen Wert erreichen kann,der größer ist als eine Grenze von 63 l/min, so daß der Komparator 71 für Werte größer'als 63 l/min auf der Leitung 70 nicht betätigt wird. ^:: -""""

Das Ausgangssignal auf <|er. Leitung 122 wird außerdem zu einem Widerstand 179 in'Fig.10 weitergeleitet, um eine Transistor-Treiberschaltung 180 zu aktivieren, die wiederum eine ^ Alarmeinrichtung 19 auf der Frontplatte betätigt, welche an-, gibt, daß der tatsächliche Wert I:E kleiner ist als der ein«' gestellte Wert. Parallel zur Alarmeinrichtung 181 ist ein Tonalarm 182 geschaltet»;; Die Alarmanzeigen ergeben sich aufgrund der Operationen der Schaltung in den Fig. 7-10, die automatisch das Verhältnis I:E ändern, wenn der durch äie Einstellung der WähleJcalen 11-13 verlangte Durchfluß größer ist als 62 l/min. Beispielsweise ergibt sich aus der Beziehung F = MV (1 + E/I)*der maximale Durchfluß bei einer Wählskala-Einstellung von E/I * 1s3 als 30 (1 + 3) = 120 l/min. Dieser Wert wird von der Schaltung nach Fig. 7-10 nicht bereitgestellt. Bei einem Verhältnis E/I =1:1 beträgt der maximale Durchfluß 30 (1+1 ) oder 60 l/min. Wie oben erläutert, wird durch Integrieren des tatsächlichen Durchflußwertes (maximal 62 l/min) blaß zum Erreichen des vorgegebenen Atmungsvolumens die Einatmungszeit gegenüber dem durch den eingestellten Wert I:E verlängert. Wenn beispielsweise MV = 20 und I:E 3 sind , so würde der Durchfluß sein = 20 (1 + 3) = 80 1/rnin, und der Wert I:E wird automatisch geändert in 1:2,1, was einem Wert von 20(1 + 2,1} β 62 1/ffiin entspricht.

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Der Tonalarra 182 wird unter dem Einfluß einer Schaltung aktiviert, die eine Batterie 183, einen Schalter 184, eine Diode 185 parallel zu einem Widerstand 186 sowie eine Diode 187 enthält.

Der tatsächliche Wert des gesamten Durchflusses, der von den eingeschalteten Ventilen 34-38 geliefert wird, wird durch den Digital-Analogwandler 39 in Fig.6 abgeleitet. Gemäß Fig. 7 ünxi 8 ist der Wandler 39 an die Ventilbetätigungsleitungen 97-1Oi angeschaltet und enthält ein Netzwerk mit Widerständen 144-148 und Potentiometern 149-153. Die Potentiometer können so eingestellt werden, daß das summierte elektrische Signal auf der Leitung 154 auf einem Wert ist, der Unterschiede zwischen dem gewünschten Durchfluß jedes Ventils (2, 4, 8, 16 und 32 l/min) und dem tatsächlichen Durchflußwert kompensiert. Das Signal auf der Leitung 154 wird durch einen invertierenden Operationsverstärker 155 so verarbeitet, daß ein Ausgangssignal auf der Leitung 156 erzeugt wird, dessen Größe den tatsächlichen V entildurchfluß darstellt.

Das Signal auf der Leitung 156 v/ird an ein Höhen-Beeinflussungsnetzwerk in Fig. 9 gegeben, das Potentiometer 188, 189 und einen Widerstand 190 enthält. Dieses Netzwerk stellt die Betriebswerte der Schaltungsanordnung entsprechend der Höhenlage ein.

Ein Luft/Sauerstoff-Wahlschalter 236 in Fig. 9 ändert den Treibgas-Maßstabsfaktor des Digital-Analogwandlers 39 durch Einfügen eines Widerstandes 237 zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Verstärkers 155. Die Änderung des

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Maßstabsfaktors ist erforderlich, um den Einfluß unterschiedlicher Gasvolumina bei Verwendung von Luft oder Sauerstoff auszugleichen. Der Grund für den Unterschied ist ein Unterschied von etwa 5 % bei der Dichte und Viskosität zwischen dei beiden Gasen. Die Änderung durch den Widerstand 237 beeinflußt den Verstärkungswert des Verstärkers 155.

Das bezüglich der Höhe und des Treibgases korrigierte Signal gelangt vom Potentiometer 189 über die Leitung 111 zum Durchfluß-Integrator 40 in Fig. 10 und dort über einen Widerstand 191 und ein Potentiometer 192 zum invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 193. Das Potentiometer 192 stellt die Anstiegsgeschwindigkeit für das Ausgangssignal des Integratorverstärkers 193 ein. Der Integrator startet am Beginn der Frequenz-Gatterrampe, die den Anfang des Einatmungszyklus darstellt. Der Integrator wird am Ende des Ausatmungszyklus zurückgestellt, das mit dem Ende der Frequenz-Rampe zusammenfällt, und zwar unter Steuerung des Komparators 125, wie oben beschrieben. Eine Zenerdiode 194 begrenzt die Spannung über dem Kondensator 195.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 193 wird, wie oben erläutert, durch einen Komparator 103 in Fig.10 mit dem berechneten und korrigierten Atmungsvolumen-Signal auf der Leitung 120 verglichen. Der Komparator 103 enthält einen Operationsverstärker 196, der das Ausgangssignal des Verstärkers 193 über einen Widerstand 197 am invertierenden Eingang aufnimmt und mj t dem Atmungsvolumen-Signal auf der Leitung 120 vergleicht, dac am nichtinvertierenden Eingang ansteht. Wenn das integrierte

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Durchflußsignal das berechnete und korrigierte Atmungsvolumen-Signal erreicht, ändert das Ausgangssignal des Verstärkers 196 seinen Zustand. Diese Änderung stellt einen Übergang zwischen dem Einatmen und Ausatmen dar, und das Ausgangssignal des Verstärkers I96 wird über die Leitung 113 und eine Diode 198 woitergeleitet, um die Abschaltung der UND-Gatter 91-95 sowie der Ventile 34-38 zu steuern.

Zur weiteren Erläuterung dieser Steuerung sei der Beginn eines Einatmungsintervalls betrachtet. Zu diesem Zeitpunkt wird ein geschlossener, den Kondensator 195 überbrückender Schalter in der Schaltung 199 in den geöffneten Zustand überführt, so daß das Ausgangssignal des Verstärkers 193 eine logische "0" ist und das sich ergebende Ausgangssignal des Verstärkers 196 positiv wird und über eine Verzögerungsschaltung 200 sowie eine Diode 201 in Fig.7 an die UND-Gatter 76-90 geliefert wird, um deren Betätigung zu veranlassen. Die Vfc-c'zögerungsschaltung 200 bewirkt, daß der Einatmungsfluß beginnt, nachdem das Ausatmungsventil 29 voll geschlossen hat, um ein Überströmen während der Schließzeit zu vermeiden. Das positive Ausgangssignal des Verstärkers I96 wird außerdem an das Ausatmungsventil 29 der Ventilanordnung 24 über eine Diode 202 gegeben, um sicherzustellen, daß das Ausatmungsventil geschlossen ist, bevor die Durchflußsignale der Ventile 34-30 auftreten.

Am Ende der Einatmung ändert sich das Ausgangssignal des Verstärkers 196 und wird negativ, um die UND-Gatter 86-90 schnell abzuschalten und die betätigten Ventile 34-38 auszuschalten.

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Etwa zur gleichen Zeit wird die positive Spannung über die Diode 202 von der Steuerschaltung für das Ausatmungsventil 29 abgetrennt. Das Ventil 29 bleibt für sine kurze Zeitspanne nach Unterbrechung des Durchflusses durch die Ventile 34-36 geschlossen, damit genügend Zeit vorhanden ist, um den DrucK in den Gasleitungen abnehmen zu lassen, damit kein Verlust dann auftritt, wenn das Ausatmungsventil nahe dem Ende des Einatmungsventils öffnet.

Die manuelle Einleitung eines Atmungszyklus wird durch einei" Drucktastenschalter 22 auf der Frontplatte, einen Kondensator 238 und einen Widerstand 239 in Fig. 10 gesteuert. Der Kondenstor 238 wird während des Ausatmungszyklus vom Komparator 103 über den Widerstand 239 auf eine negative Spannung aufgeladen. Wenn der Schalter 22 betätigt wird, wird die Spannung am Kondensator 238 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 240 im Komparator 125 übertragen, um zu bewirken, daß die Frequenzintegrations-Rückstellung in kürzerer Zeit als normal stattfindet und damit eine manuelle Einleitung des Atemzyklus zu veranlassen. Man beachte, daß die negative Ladung des Kondensators 238 nur beim Ausatmen vorhanden ist und während des Einatmens eine positive Ladung des Kondensators 238 besteht, deren Übertragung zum Verstärker 2AO keinen Einfluß ausübt.

Fig. 9 zeigt die Maßstabs- und Multiplizierschaltung 41 zusammen mit den Frontplatten-Wählskalen 11, 12 und 13 zur Erzeugung der Spannungen für das Minutenvoüumeri, die Atemfrequenz und das I:E-Verhältnis sowie der Spannung, die dem verlangten Durchfluß in l/min gemäß der Beziehung F = MV(1+E/J)

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entspricht.

Es sei die Atemfrequenzschaltung betrachtet. Das der Wählskala 12 zugeordnete Potentiometer 213 sorgt für einen Bereich von 6 bis 40. Da~.zu werden der Widerstand 211 und das Potentiometer 212 in Fig. 9 so eingestellt, daß die Spannung am Verbindung.spunkt zwischen dem Potentiometer 212 und dem Potentiometer 213 gleich 6/40 der positiven Spannung ist, so daß die Spannung au» Schleifer des Potentiometers 213 proportional der Frequenz von 6 bis 40 ist. Der Schleifer des Potentiometers 213 ist über einen Widerstand 214 mit dem invertierenden Eingang eines multiplizierenden Operationsverstärkers 215 verbunden, der die Skalenspannung verstärkt und dessen negative Ausgangsspannung mit den Integratoren 110 in Fig. 8 und 123 in Fig. 9 verbunden ist.

Für üas Minutenvolumen beträgt der Bereich zwischen 2 und 30 und wird durch die Frontplatten-Wählskala 11 gesteuert. Zur Erzie-^ lung dieses Bereichs werden der Widerstand 216 und das Potentiometer 217 in Fig. 9 so eingestellt, daß die Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Potentiometer 217 und dem Potentiometer 218 gleich 2/30 der positiven, an das Potentiometer 218 angelegten Spannung ist, so daß die Spannung vom Schleifer des Potentiometers 218 proportional einem Minutenvolumen zwischen 2 und 30 ist. Die letztgenannte Spannung wird an den nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 219 angelegt, der die Spannung multipliziert und dessen Ausgangssignal über die Leitung 230 zum Komparator 109 in Fig. 8 und zur I:E~Schaltung in Fig. 9 mit den Potentiometern 221, 222 und dem Widerstand 223 weitergeleitet wird.

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Das Potentiometer 222 und der Widerstand 223 sind im Hinblick auf den I:E-Bereich von 1 bis 3 gewählt, so daß die Spannung am Schleifer de s Potentiometers 221 über einen Widerstand 224 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 225 angelegt wird. Sie wird dort verstärkt und bewirkt eine negative Ausgangsspannung auf der Leitung 70, die proportional zu F = MV (1 + E/I) ist. Die Spannung auf der Leitung 70 gelangt an die Komparatoren 71 und 72, wie bereits erläutert.

Die vorerwähnte Atemfrequenz-Spannung auf der Leitung 75 wird durch zv/ei Integratoren 110 in Fig. 8 und 123 in Fig. 9 verarbeitet. Die Integration durch die Schaltung 110 wird durch einen Operationsverstärker 226 und einen Kondensator 227 gesteuert. Der Kondensator 227 ist durch einen Schalter in der Schaltung 208 während der Rückstellperiode unter Steuerung rl er- Ausgangs 512 des Binär Zählers 55 kurzgeschlossen. Zu allen anderen Zeiten wird die Schaltung 208 durch ein Logiksignal am Ausgang 512 aktiviert. Wenn die Schaltung 110 nicht durch einen Transistor am Ausgang 512 kurzgeschlossen ist, bewirkt sie eine Integration der über einen Widerstand 228 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 226 angelegten Atmefrequenz-Spannung und erzeugt ein Ausgangssignal, das an den Komparator 109 gelangt. Dieser Komparator weist einen Operationsverstärker 229 zum Vergleichen der integrierten Spannung auf der Leitung 11A mit der vom Verstärker 219 über die Leitung 230 ankommenden Minutenvolumen-Spannung. Wenn die integrierte Spannung größer als die Minutenvolumen-Spannung ist, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 229 genügend

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positiv, um über die Diode 231 des ODER-Gatters 108 und die Leitung 116 den Atmungsvolumen-Zwischenspeicher 58 in Fig.9 zu betätigen.

Der Integrator 123 in Fig.9 weist einen Operationsverstärker 241 und einen Kondensator 242 zum Integrieren der Atemfrequenz-Spannung auf der Leitung 75 auf. Die Spannung wird von der Leitung 75 über einen Widerstand 243 und ein Potentiometer 244 zum invertierenden Eingang des Verstärkers 241 geführt. Der Integrator erzeugt eine Rampenspannung, deren Steigung mit zunehmender Frequenzeinstellung an der Wählskala 12 größer wird. Der Kondensator 242 wird durch einen Schalter in der Schaltung 199 während der Rückstellung des Integrators auf 0 unter Steuerung des Komparators 125 kurzgeschlossen. Während der Integration wird der Kurzschluß aufgehoben.

Ramp en spannung am Ausgang des Verstärkers 241 wird über einen Widerstand 245 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 240 im Komparator 125 angelegt. Der invertierende Eingang des Verstärkers 240 liegt an einer Bezugsspannung, die über Widerstände 246 und 247 abgeleitet wird.

Wenn die Größe der Rampenspannung die Bezugsspannung übersteigt, liefert der Verstärker 240 ein positives Ausgangssignal, das den Kondensator 248 über eine Diode 249 auflädt und gleichzeitig die Schaltung 199 aktiviert. Diese schließt dann ihre Schalter, um die Kondensatoren 195 und 242 kurzzuschliessen, wie oben erv/ähnt, und damit ihre Rückstellung zu bewirken. Der Kondensator 248 und der Widerstand 250 halten die Schaltung 199 für eine ausreichende Zeit aktiviert, um sicherzu-

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stellen, daß die Kondensatoren 195 und 242 vollständig entladen werden. Wenn sich der Kondensator 240 entladen hat, wird die Schaltung 199 deaktiviert und ihre Schalter öffnen. so daß die Integrationskondensatoren 195 und 242 wiederum ihren Zyklus beginnen können.

Die Tiefatmungsschaltung 128 in Fig.9 weist einen 7-stufigen Binärzähler 232 auf, der positive Treibimpulse auf der Leitung^? über ein Gatter 233 empfängt. Der Zähler ist durch einen Widerstand 234 und eine Spannung 235 im Aus-Zustand gehalten. Er wird zur Zählung von Impulsen aktiviert, wenn der Frontplatten-Tiefatmungsschalter 21 geschlossen wird. Bei Zählung des 64-ten Impulses ist der Ausgang 2 eingeschaltet, und das Ausgangssignal wird über die Leitung 132 zur Schaltung 199 im Komparator 125 zur Durchführung von Tiefatmungsoperationen weitergeleitet. Bei Auftreten des 65-ten Impulses sind die Ausgänge 2 und 2 des Zählers 232 eingeschaltet und stellen den Zähler über den Tiefatmungsschalter 21 zurück.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 240 gelangt außerdem über eine Diode 251 an den Treibeingang des Tiefatmungszählers 232. Wenn der Zähler 232 einen Zählwert entsprechend 64 Impulsen über die Diode 251 erreicht, wird ein Signal an der Zählerausgangsleitung 132 zur Betätigung der Schaltung 125 und zur Durchführung einer Skalenfaktoränderung in den Komparatorcn 103 und 125 aktiviert. Im Ergebnis werden die Einatmungsund Ausatmungszeiten sowie das Atmungsvolunen für die Dauer des Zählzustandes mit 64 Impulsen zur Durchführung einer Tiefatmung um 50 % erhöht.

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Der Zwischenspeicher 58 in Fig.9 weist einen Flipflop-Speichor auf, der ein Verriegelungssignal auf der Leitung 116 von dem Atmungsvolumen-Begrenzungskomparator 129 und dem Komparator 109 in Fig.8 über das durch die Dioden 210 und 231 gebildete ODER-Gatter erhält. Bei Empfang dieses Signals spricht der Zwischenspeicher 58 an und rastet ein, so daß die an seinem Eingang über das Kabel 252 ankommenden Binärzähler-Zustandssignale zu den Ausgangsleitungen an entsprechende Summierwiderstände 253 eines Operationsverstärkers 254 im Digital-Analogwandler 106 weitergeleitet werden. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 254 wird durch den Zustand der Ausgangssignale des Zwischenspeichers 58 und des Zählers 55 bestimmt. Jedes Ausgangssignal des Zwischenspeichers 58 trägt entsprechend seinem Binärwert zum Ausgangssignal des Verstärkers 254 bei.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 254 gelangt an den invertierenden Eingang eines Verstärkers 255 mit dem Verstärkungsfaktor 1 und stellt das berechnete Atmungsvolumen-Signal dar. Dieses Signal wird an den Verstärker 196 des Komparators 103 und an einen Verstärker 256 eines Alarrn-Komparators gegeben. Wenn das berechnete Atmungsvolumen gleich dem Wert des Integrators 40 ist, werden die UND-Gatter 86-90 zur Beendigung des Einatmungsintervalls abgeschaltet. Wenn das berechnete Atmungsvolumen-Signal eine über Widerstände 257 und 258 abgeleitete Bezugsspannung für den Verstärker 256 übersteigt, wird der Transistortreiber 180 über den Widerstand 259 aktiviert und setzt eine optische Alarmeinrichtung 16 in Tätigkeit,die angibt, daß die Einstellung die Konstruktionsangaben übersteigt.

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Der Integrator 128 in Fig. 8 begrenzt - wie oben erläutert das Atmungsvolumen auf 1,5 1. Die Schaltung 128 weist einen Operationsverstärker 203 und ein Netzwerk mit einem Kondensator 204, Widerständen 205, 207 und einem Potentiometer 206 " zur Erzeugung einer ansteigenden Rampe auf, die der des Atmungsvolumen-Integrators 110 entspricht. Die Atmungsvolumen~ Rampeneinstellung wird durch das Potentiometer 206 bestimmt.

Es wird jetzt die Funktion des Integrators 128 mit Bezug au-C dessen Rückstellung erläutert, die beim Auftreten des 512-ten Ausgangsimpulses des BinärZählers 55 erfolgt, der dann auf eine logische "1" schaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Schalter in der Schaltung 208 unter Ansprechen auf die logische "1" geschlossen, der den Kondensator 204 kurzschließt. Dieser Kurzschluß wird wieder beseitigt, wenn der Zählwert 512 wie-

O 9 der auf eine logische "0" geht und alle Ausgänge 2 bis 2 des Zählers 55 auf 0 sind. Daraufhin leiten beide Integratoren 128 und 110 gleichzeitig Atmungsvolumen-Funktionen unter Steuerung des 512-Rückstellzählausgangs ein und werden gleichzeitig beim Auftreten der logischen "1" an diesem Ausgang in Zusammenwirken mit der Schaltung 208 zurückgestellt.

Das Rampen-Ausgangssignal des Verstärkers 203 erscheint auf der Leitung 131 und wird durch den Komparator 129 mit einer festen Bezugsspannung auf der Leitung 130 verglichen.Diesen Vergleich führt der Operationsverstärker 209 durch. Wenn die verglichenen Signale gleich sind, entspricht das Zeitintervall vom Start der Rampe des Integrators 128 bis zum Auftreten der Gleichheit dem Intervall für ein berechnetes Atmungs-

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volumen von 1,5 1. Das Ausgangssignal des Verstärkers 209 wird über eine Diode 210 des ODER-Gatters 108 und über die Leitung 116 zur Betätigung des Zwischenspeichers 58 in Fig. 7 weit er ·- geleitet, wenn - wie oben erläutert - das Ausgangssignal de^ Verstärkers 209 einen Wert entsprechend dem Grenzwert von 1,5 1 erreicht.

Zur Sicherheit für den Fall eines Fehlers in der Transistor-Ventilbetätigungsschaltung für das Ausatmungsventil 29 in Fig. 2 sowie der Ventilanordnung 24 in Fig. 8 sind der Atemfr equenz-Spannungsintegrator und Alarmschaltungen in den Fig. 8 und 10 vorgesehen. Diese Schaltungen öffnen das Ausatmungsventil 29 aufgrund des Fehlers und aktivieren die für eine manuelle Beatmung vorgesehene Alarmlampe 15 in Fig. 10, die gemäß Fig. 1 auf der Frontplatte des Gerätes angeordnet ist. Gleichzeitig mit der Lampe 15 wird der Tonalarm 182 in Fig.10 betätigt. Die Lampe 15 und der Alarm 182 werden über einen Widerstand 270 und eine Diode 279 unter Steuerung des Transistortreibers in Fig. 10 betätigt, und zwar unter Ansprechen auf ein Alarmsignal, das am Eingang 271 über einen Widerstand 272 und eine Leitung 274 von einem Komparator-Operationsverstärker 273 in den Alarmschaltungen in Fig. 8 ankommt. Der Verstärker 273 ist normalerweise bei NichtVorhandensein eines Fehlers ausgeschaltet. Der Verstärker 273 überwacht das an seinem invertierenden Eingang von einem weiteren Komparator-Operations verstärker 275 ankommende Signal. Dieser Verstärker vergleicht ein Integratoreingangssignal an seinem invertierenden Eingang mit einer positiven Bezugεspannung an seinem nichtinvertierenden Eingang. Der Integrator enthält einen Ope-

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rationsverstärker 276 , einen Kondensator 277 und eine Zenerdiode 278. Der Kondensator 277 ist während der Rückstelloperationen durch einen Schalter in der Schaltung 208 (Fig.8) kurzgeschlossen und während der Nichtrückstellintervalle zum Zwecke einer Atemfrequenz-Spannungsintegration offen. Die Schaltung 208 wird abhängig von zwei unterschiedlichen Rückstellsignalen aktiviert, von denen das eine vom Ausgang des Zählers 142 in Fig. 7 kommt und das andere von der Transistor-Ventilbetätigungsanordnung 24 in Fig.8. Das letztgenannte Rückstellsignal wird von der Anordnung 24 über die Leitung 280 und Dioden 285 und 286 weitergeleitet. Die Betätigung der Schaltung 208 im Komparator 109 bewirkt die Rückstellung oder Entladung des Kondensators 277 in Fig. 8 sowie eine Freigabe dieses Kondensators bei der Aberregung der Schaltung 208 für Atemfrequenz-Spannungsintegrationen.

Der Integrationsverstärker 276 und der Kondensator 277 sollen im wesentlichen sicherstellen, daß die Rückstelloperation durch die Transistor-Ventiltreibanordnung 24 zum richtigen Zeitpunkt stattfindet und im anderen Fall die Alarme 15 und 182 in Tätigkeit treten.

Bei Beginn eines Einatmungszyklus , der mit dem Beginn einer Integration der Atemfrequenz-Spannung durch den Verstärker 276 zusammenfällt, wobei diese Spannung dem Verstärker von der Leitung 75 über den Widerstand 288 und das Potentiometer 289 zugeführt wird, wird das Ausatmungsventil 29 in Fig. 2 aktiviert und unter Steuerung eines Schließsignals von der Ventilanordnung 24 in Fig.8 über die Leitung 280, einen ge~

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-geschlossenen Kontakt 281 des Relais 282 und die Leitung 283 geschlossen. Das Relais 282 bewirkt das Schließen unter Ansprechen auf eine positive, vom Ausgang des Komparatorverstärkers 275 gelieferte Ansprechspannung zu bewirken.

Beim Ausatmen gibt die Treibschaltung für das Ausatmungsven-" til in der Anordnung 24 ein Rückstellsignal auf die Leitung 280, das die richtige Funktion der Anordnung anzeigt. Das Rückstellsignal aktiviert die Schaltung 208 in Fig.8 über den" Widerstand 284 und die Dioden 285 und 286 , um - wie oben erläutert - die Entladung des Kondensators 277 für die Dauer des Ausatmungszyklus zu bewirken.

Für den Fall, daß das Rückstellsignal nicht auf der Leitung 280 erscheint, steigt die Atemfrequenz-Integrationsspannung, die durch den Verstärker 276 und den Kondensator 277 erzeugt wird, am invertierenden Eingang des Verstärkers 275 über die Bezug&spannung am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 275 an, so daß dessen Ausgangssignal negativ wird und den Abfall des Relais 282 bewirkt. Dann öffnet der Kontakt 281 des Relais 282 , um ein weiteres Schließen des Ausatmungsventils 89 zu verhindern. Gleichzeitig wird der Rückstellimpuls über den Widerstand 290 und die Diode 291 gesperrt und der Verstärker 273 betätigt, um die Aktivierung der Alarme 15 und 182 in Fig.10 unter Steuerung der Treibschaltungen 180 zu bewirken, wie oben erläutert.

Die Alarmlampe 17 für niedrigen Gasversorgungsdruck gemäß Fig. 10, die auf der Frontplatte des Geräts gemäß Fig.1 angeordnet ist, wird durch den Transistortreiber 180 in Fig.10

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unter Steuerung des Druckschalters 292 in Fig.10 betätigt. Dieser ist normalerweise bei niedrigem Treibgasdruck offen. Wenn der Druck einen Wert von etwa 2,5 bar übersteigt, schließt der Schalter 292, wodurch Erdpotential an den Verbindungspunkt der Widerstände 293 und 294 angelegt wird, wodurch die Treibschaltung 180 veranlaßt wird, die Alarmbetäti-, gung zu verhindern. Wenn der Druck unter etwa 2,4 bar abfällt, öffnet der Schalter 292, und es wird eine negative Spannung über die Widerstände 293 und 294 zur Betätigung der.. Treibschaltung 180 und damit der Alarme 17 und 182 zugeführt.

Die Patient-Abgetrennt-Alarmlampe 18 in Fig. 10, die ebenfalls auf der Frontplatte des Geräts gemäß Fig.1 angeordnet ist, wird durch den Transistortreiber 180 in Fig.10 unter Steuerung der Atemfrequenz-Integrator- und -Komparatorschaltungen sowie eines Druckschalters 32 in Fig.2 und 8 erregt *. Der Ausgangsdruck der Balganordnung 14 in Fig.2, der zur Anästhesi'e-Einrichtung gelangt, wird durch den Schalter 32 in Fig.8 überwacht. Der Schalter 32 ist im Ruhezustand bei niedrigem Druck geöffnet. Wenn der gewünschte Druck vorhanden ist, schließt der Schalter 32 und gibt eine positive Rückstell-Signalspannung über einen Kondensator 295 und eine Diode 296 an die Schaltung 208 im Komparator 109. Die positive Eingangsspannung der Schaltung 208 ist für eine Zeitspanne vorhanden, die durch den Kondensator 295 und die Diode 296 bestimmt wird, und sie veranlaßt die Schaltung 208, den Integrator-Kondensator 287 zu entladen. Nach Beendigung dieses Vorgangs erzeugen der Kondensator 287 und sein zugeordneter Verstärker 297 eine Rampenspannung unter Ansprechen auf die

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über den Widerstand 298 und das Potentiometer 299 von der Leitung 75 zugeführte Eingangsspannung. Wenn die Rampenausgangsspannung des Verstärkers 297 die Bezugsspannung am invertierenden Eingang des Komparator-Operationsverstärkers ?OO in Fig.8 erreicht, erzeugt der Verstärker eine Ausgangsspannung auf der Leitung 301, die den Transistortreiber 180 · in Fig.10 über den Widerstand 302 und damit die Alarme 18 und 182 in Fig.10 betätigt. Beispielsweise ist die Dauer der Rampenspannung so eingestellt, daß das Intervall zwischen dcT. Schließen des Schalters 32 und der Alarmbetätigung etwa zwei vollen Atemzügen entspricht. Es sei darauf hingewiesen, daß das Rückstellsignal über den Kondensator 295 wechelstrommäßig angekoppelt ist, d.h. daß der Schalter 32 nur beim Schließen einen Impuls erzeugt und zur Erzeugung des nächsten Impulses geöffnet und geschlossen werden muß. Falls ein solcher Rückstellimpuls nach beispielsweise zwei Atemzügen fehlt, werden die Alarme 18 und 182 betätigt, wie bereits beschrieben.

Bei Auftreten einer Stromversorgungsunterbrechung für das Gerät wird ein Alarmton von der Alarmeinrichtung 182 geliefert. Wenn die Stromversorgung nicht unterbrochen ist, ist ein Stromversorgungsschalter 184 geschlossen, und es vjird negative Spannung an das Gate des Feldeffekt-Transistors 303 angelegt, die den Transistor ausschaltet. Wenn die negative Spannung abgeschaltet ist, leitet der Transistor 303 und schließt einen Stromkreis über die Alarmeinrichtung 182, den Widerstand 186 und den Schalter 184 zur Batterie 183, um den Stromausfall anzuzeigen.

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Eine Prüfung aller Alarmlarapen 15-19 und des Tonalarms 182 wird durch Drücken der Alarmprüftaste 20 in Fig.10 durchgeführt, die ebenfalls auf der Frontplatte des Geräts nach Fi^.

1 angeordnet ist. Das Drücken der Taste 20 bewirkt das Anlegen von Erdpotential an die Transistortreibschaltung 180 über Dioden 304, wodurch die Transistortreiber 180 für alle Alarme betätigt werden.

Die optischen und akustischen Alarme sind pulsierende Alarme (Piep-piep und Blink-blink) mit Ausnahme dos Alarms 19 dafür, daß der tatsächliche Wert I:E kleiner als die Einstellung ist. Das Pulsieren wird mit der Frequenz des Zählwertes 256 erreicht, indem die Transistortreiberschaltung 180 unter Steuerung des 256-Ausgangssignals des BinarZählers 142 in Fig.7 über das Kabel 305 betätigt wird.

In Fig.7 ist eine Alarmsteuerschaltung zur Überwachung des

2 -Ausgangs des Binärzählers 152 gezeigt. Die Schaltung weist einen Widerstand 306 und einen Kondensator 307 auf, die einen Mittelwert der 2 -Ausgangsspannung ist, der beispielsweise 509O der an den Zähler 142 angelegten , positiven Spannung ist. Zwei Komparatoren 308 und 309 vergleichen die 50%-Spannung am Kondensator 307 mit beispielsweise +3V und +9V an den Eingängen der Komparatoren. Wenn die Spannung des Kondensators 307 zwischen 3 und 9 V liegt, ist der Ausgang der Komparatoren 308 und 309 negativ. Dann wird kein Alarm gegeben. Wenn die Spannung des Kondensators 307 unterhalb von 3 V oder oberhalb von 9 V liegt, schaltet der zugehörige Komparatorausgang auf positive Spannung, die über die Diode 310 oder 311 und das Kabel 305 weitergeleitet wird, um den Transistortreiber 180

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«Γ

in Fig. 10 und daraufhin alle optischen und akustischen Alarme 15-19 und 182 zu betätigen.

Es wurden in der Steuerschaltung gemäß Fig.7-10 beispielsweise die folgenden Bauteile verwendet:

Typ

COS/MOS-monostabiler/. astabiler Multivibrator niedriger Leistung

COS/MOS-Binärzähler/. - Teiler mit 12 Stufen

4-Fach-0perationsverstärker niedriger Leistung

4-Fach-ODER-Gatter mit 2 Eingängen

4-Fach-UND-Gatter mit 2 Eingängen

7-stufiger Zähler 6-Fach-D-Flipflop

Element	Bau teil	Her steller
137	4047BPC	Fairchild
142	F4040BPC	Fairchild
Operationsver stärker, bei spielsweise 164,175,308, 309	LM324N	National
81-85	MC14071B	Motorola
86-90	F4081BPC	Fairchild
232	F4024BPC	Fairchild
56	MM74C174	National
Transistor- Ventiltrei ber 24 und Transistor treiber 180	ULN2004A	Sprague
199, 208	MC1406B	Motorola

4-Fach-Analogschalter 4-Fach-Multiplexer
für hohe Spannung und hohen Strom, Darlington-Anordnung

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Claims (30)

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegiamme Patenlconsult Palentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patenlconsult PCT/US 80/00091 Rule Medical Instruments, Inc., Pittsfield, USA Patentansprüche

1. Durchflußsteuereinrichtung mit einer Vielzahl von Ventilen (24), die je individuell betätigbar sind und eine vorgegebene Strömungsmittelmenge von einer Quelle (25, 26, 27) zu einer Verbrauchseinrichtung (14) durchlassen, und mit einer Einrichtung zur Betätigung der Ventile (24), dadurch gekennzeichnet, dai? die Betätigungseinrichtung Schaltmittel (23) aufweist, die unter Ansprechen auf Signale für das Minutenvolumen, die Atemfrequenz und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung die Betätigung der Ventile (24) so steuert, daß ein bestimmtes Atmungsvolumen des Strömungsmittels von der Quelle (25, 26, 27) an die Verbrauchereinrichtung (14) abgegeben wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (23) eine Einrichtung (41) aufweisen, die unter Ansprechen auf Signale für das Minutenvolumen und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung ein Signal erzeugt, das die Strömungsmittelmenge

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dlpl.-Phys. Dr. rer. nal. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dlpl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. )ur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass, Pat.-Anw. bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W-Ing

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vorgibt,

ferner eine Einrichtung (55, 56, 57, 71, 72, 81-90), die unter Ansprechen auf das Vorgebesignal vorbestimmte Ventile (24) betätigt, um die vorgegebene Strömungsmittelmenge abzugeben,

und daß jedes der betätigten Ventile (34-38) eine unterschiedliche, binärbewertete Strömungsmittelmenge von der Quelle zur Verbrauchseinrichtung gibt.

3. Durchflußsteuereinrichtung zur automatischen Regelung der Abgabe vorbestimmter Atmungsvolumina eines Strömungsmittels von einer Quelle zu einer Verbrauchseinrichtung unter Steuerung direkt eingestellter Werte für das Minutenvolumen, die Atemfrequenz und das VeA ältnis von Einatmung zu Ausatmung, mit einer Vielzahl von Ventilen (34-38), die zur Abgabe einer Strömungsmittelmenge von der Quelle zur Verbrauchseinrichtung betätigbar sind, und mit einer Einrichtung zur Betätigung der Ventile,

dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung eine Durchflußschaltung (41, 55,, 56, 57, 71, 72, 81-90) aufweist, die unter Ansprechen auf Durchfluß-Spannungssignale, welche durch die eingestellten Werte für das Minutenvolumen und das Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung erzeugt worden sind, die Ventile (34-38) betätigt, um die Größe der abgegebenen Durchflußmenge zu bestimmen, und

eine Atmungsvolumenschaltung (39, 40, 58, 103, 104, 105, 106, 108, 109, 110), die mit der Durchflußschaltung zusammenwirkt und unter Ansprechen auf Spannungssignale für das Minuten-

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sr

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volumen und die Atemfrequenz, welche durch die Einstellung für das Minutenvolumen und die Atemfrequenz erzeugt worden sind, die Ansprechzeit der Ventile (34-38) so steuert, daß ein vorbestimmtes Atmungsvolumen des Strömungsmittels von der Quelle an die Verbrauchseinrichtung geliefert wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Atmungsvolumenschaltung eine Atemfrequenzschaltung (123, 125) aufweist, die unter Ansprechen auf die Atemfrequenz-Spannungssignale Einatmungs- und Ausatmungszeiten für die Strömungsmittelabgabe von der Quelle Über die betätigten Ventile (34-38) an die Verbrauchseinrichtung erzeugt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß jedes der betätigten Ventile (34-38) eine unterschiedliche, binär bewertete Strömungsmittelmenge vcn der Quelle zur Verbrauchseinrichtung gibt.

6. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung eine Maßstabs- und Multiplizierschaltung (41) mit Operationsverstärkern (215, 219, 225) und Widerstandsnetzwerken (213, 218, 221) zur Erzeugung von Spannungssignalen für die Strömungsmittelmenge, das Minutenvolumen und die Atemfrequenz aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung eine Anordnung mit einem Taktgeber (54) und einem Zähler (55)

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SB

9034338

zur Steuerung der Durchfluß- und Atmungsvolumenschaitungen aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (55) einen Binärzähler (142) aufweist, der durch Signale des Taktgebern (5Ma^f eine Vielzahl von Zählzuständen gebracht wird, und daß die Durchflußschaltung einen Strömungsmittelmengen-Zwischenspeicher (46) besitzt, der so betätigbar ist, daß er am Ausgang Signale aufrecht erhält, die den Zählzustand des Binärzählers (142) angeben.

9. Einrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußschaltung eine Wandlerschaltung (57) auf v/eist, die unter Ansprechen auf Ausgangssignale, welche den Zählzustand des Binärzählers (142) angeben, ein Ausgangs-Durchflußsignal erzeugt, und einen Durchflußkomparator (71), der unter Ansprechen auf das Ausgangsdurchflußsignal und das Durchflußspannungssignal den Strömungsmittelmengen-Zwischenspeicher (56) betätigt,derart,daß er am Ausgang binäre Ventilbetätigungssignale aufrecht erhält, die den binären Zählzustand des Binärzählers(i42) bei Betätigung des Strömungsmittelmengen-Zwischenspeichers (56) angeben.

10. Einrichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,, daß die Durchflußschaltung eine Gnttereinrichtung (81-90) aufweist, die zur Weiterleitung der binären Ventilbetätigungssignale zwecks Betätigung der Ven-

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to

tile (34-38) aktivierbar ist, und daß die Atmungsvolumenschaltung eine GatterSteuereinrichtung (103) zur Aktivierung der Gattereinrichtung während eines Einatmungsintervalls und zur Deaktivierung der Gattereinrichtung während eines Ausatmungsintervalls besitzt.

11. Einrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Gattereinrichtung eine Vielzahl von ODER-Gattern (81-85) und eine Vielzahl von UND-Gattern (86-90) geschlossen aufweist, daß die ODER-Gatter (81-85) die binären Ventilbetätigungssignale an die UND-Gatter (86-90) weiterleiten und daß die Gattersteuereinrichtung (103) die UND-Gatter (86-90) veranlaßt, die binären Ventilsteuersignale zu den Ventilen weiterzuleiten, um die Betätigung der Ventile (34-38) während des Einatmungsintervalls und die Abschltung der Ventile während des Ausatmungsintervalls zu bewirken.

12. Einrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung eine Durchflußbegrenzungseinrichtung (72) aufweist, die unter Ansprechen auf die Durchflußspannungssignale Durchflußbegrenzungs-Ventilbetätigungssignale erzeugt, wenn der durch die Einstellung des Minutenvolumens und des Verhältnisses für die Einatmung zur Ausatmung angeforderte Durchfluß die Durchflußgrenze übersteigt, daß die ODER-Gatter (81-85) die Durchflußbcßronzungß-Ventilbctätigungssignale zu den UIID-Gattern (86-90) weiterleiten und daß die UND-Gatter (86-90) unter Steuerung der Gattersteuereinrichtung (103) die letztgenannten

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Signale an die Ventile (34—38) weiterleiten.

13. Einrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußbegrenzungseinrichtung eine Komparatorschaltung (72) zum Vergleichen der Durchflußspannungssignale mit einer einer vorbestimmten Durchflußgrenze entsprechenden Bezugsspannung und zur Erzeugung von Durchflußgrenzwert-Ventilbetätigungssignalen zur gleichzeitigen Aktivierung aller Ventile (34-38) aufweist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußbegrenzungseinrichtung (I8O) auf die Durchflußbegrenzungs-Ventilbetätigungssignale anspricht und einen Alarm (182) erzeugt, der angibt, daß das tatsächliche Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung kleiner ist als das eingestellte Verhältnis von Eina.tmung zu Ausatmung.

15. Einrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Atmungsvolumenschaltung eine Einrichtung (39, 40) aufweist, die unter Ansprechen auf die Ventilbetätigungssignale Atmungsvolumen-Bozugssignale erzeugt, ferner eine Einrichtung (110, 109, 58), die von den Signalen für das Atmungsvolumen und die Atemfrequenz-Spannung gesteuert wird und ein berechnetes Atmungsvolumensignal erzeugt, und Schaltungen (103) zum Vergleichen der Atmungsvolumen-Bezugssignale mit den berechneten Atmungsvolumensignalen und Betätigung der UND-Gatter (06-90) derart, daß diese die Ventilbetätigungssignalc während

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eines Einatmurigsintervalls an die Ventile (3A-38) weiterleiten, und die UND-Gatter (86-90) abschalten, um die
Weiterleitung der Ventilbetätigungssignale an die Ventile (34-38) während eines AusatmungsIntervalls zu unterbrechen.

16. Einrichtung nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (39, 40) zur Erzeugung der Atmungsvolumen-Bezugssignale eine Einrichtung (39) aufweist, die unter Ansprechen auf die Ventilbetätigungssignale diese in eine Signalanzeige für den
tatsächlichen Durchfluß umwandeln, der durch die betätigten Ventile von der Quelle zur Verbrauchseinrichtung gegeben wird, und eine Einrichtung (40) zum Integrieren der Signalanzeige für den tatsächlichen Durchfluß, um ein
Atemvolumen-Bezugssignal bereitzustellen.

17. Einrichtung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung eine
einstellbare Einrichtung (188, 189, 236) aufweist, die
₍ Eigenschaften des Strömungsmittels sowie die Höhe kompensiert, in welcher die Einrichtung sich befindet.

18. Einrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Signals für das berechnete Atmungsvolumen eine Einrichtung (110) zum Integrieren des Atemfrequenz-Spannungssjgnals aufweist, ferner eine Einrichtung (109) zum Vergleichen des integrierten Atemfrequenz-Spannungssignals mit

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dem Minutenvolumen-Spannungssignal, um ein Ausgangssteuersignal "bereitzustellen, wenn die verglichenen Signale gleich sind, ferner eine Zwischenspeicherschaltung (58), die durch den Binärzähler (142) gesteuert und das Ausgangssteuersignal betätigt wird, derart, daß sie an ihrem Ausgang ein Atmungsvolumen-Zählsignal aufrecht erhält, welches dem binären Zählstand bei der Betätigung der Zwischenspeicherschaltung entspricht, sowie eine Einrichtung (106), die unter Ansprechen auf das Atmungsvolumen-Zählsignal das Signal für das berechnete Atmungsvolumen liefert.

19. Einrichtung nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (128, 129) mit dem Binärzähler zur Steuerung der Zwischenspeicherschaltung (58) zusammenarbeitet, um das Atmungsvolumen des Strömungsmittels zu begrenzen, das über die betätigten Ventile (34-38) von der Quelle an die Verbrauchseinrichtung gegeben wird..

20. Einrichtung nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet, daß die Atmungsvolumen-Begrenzungseinrichtung eine Schaltungsanordnung mit einem Integrator (128) und einem Komparator (129) aufweist, um ein weiteres Ausgangssteuersignal zu liefern, das die Zwischenspeicherschaltung (58) zur Erzeugung des Atmungsvolumen-Zählsignals aktiviert.

21. Einrichtung nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelfluß von der

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(9

Quelle über betätigte Ventile (34-38) zur Verbrauchseinrichtung während des Einatmungsintervalls gegeben und v/shrend des Ausatmungsintervalls unterbrochen v/ird, wenn die Ventile geschlossen werden, und daß die Atmungsvolumenschaltung Schaltungen (123, 125) aufweist, die unter Ansprechen auf das Ateinfrequenz-Spannungssignal die Gatter Steuer einrichtung (103) veranlassen, das Ausatmungsintervall zu beenden und das Einatmungsintervall zu beginnen, und daß das Einatmungsintervall durch die Vergleichsschaltung (103) für¹ das Atmungsvolumen-Bezugssignal und das berechnete Atmungsvolumensignal beendet wird.

22. Einrichtung nach Anspruch 21,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltungen (123, 125) eine Vorrichtung (123) zum Integrieren der Atemfrequenz-Spannung aufweisen, ferner eine Einrichtung (125) zum Vergleichen der integrierten Atemfrequenz-Spannung von der Integriereinrichtung (123) mit einer Bezugsspannung (126) zwecks Bereitstellung eines Ausgangsstauersignals, das die Beendigung des Ausatmungsinteryalls und die Einleitung des Einatmungsintervalls steuert, und eine Einrichtung (127), die unter Ansprechen auf das Ausgangssteuersignal die Integriereinrichtung (123) und die Einrichtung (40) zum Integrieren der Signalanzeige für den tatsächlichen Durchfluß zurückstellt.

23. Einrichtung nach Anspruch 22,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Tiefatmungsschaltung (128) in vorbestimmten Intervallen betätigbar ist, derart, daß

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J-

die Atmungsvolumenschaltung das Ausatmungsintervä-l und das vorgegebene Atmungsvolumen für das von der Quelle über betätigte Ventile zur Verbrauchseinrichtung gegebene Strömungsmittel um vorbestimmte Werte erhöht.

24. Einrichtung nach Anspruch 23»

dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefatmungsschaltung (128) einen vielstufigen Binärzähler (232) aufweist, der abhängig von jedem Ausgangssteuersignal von der Vergleichseinrichtung (125) eine vorbestimmte Zahl zählt und dann die Gattersteuereinrichtung (103) veranlaßt, die Erhöhung des Atmungsvolumens und die Vergrößerung des Ausatmungsintcrvalls durchzuführen.

25. Einrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (208) vorgesehen ist, die auf ein zyklisch wiederkehrendes Zählsjgnal vom Binärzähler (142) anspricht und das Rückstellen der Atmungsvolumenschaltung steuert.

26. Einrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausatmungsventil (29) deaktiviert wird, um während eines Ausatmungsintervalls Strömungsmittel auszustoßen, und während eines Einatmungsintervalls aktiviert wird, und daß eine Einrichtung (208, 275, 276) die Aktivierung und Deaktivierung des Ausatinungsvcntils überwacht, um die Aktivierung des Ausatmungsven tils bei einem Fehlfunktionssignal zu unterbrechen.

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27. Einrichtung nach Anspruch 26,

dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung eine Schaltung (276) aufweist, die die Atemfrequenz-Spannungssignale zur Erzeugung eines Ausgangsrampensignals integriert, ferner eine Einrichtung (208) zur Rückstellung der Integrierschaltung abhängig von der Deaktivierung des Ausatmungsventils , eine Einrichtung (275), die durch das Ausgangsrampen signal bei fehlender Deakti\rierung des Ausatmungsintervalls innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls aktiviert wird, um die weitere Aktivierung des Ausatmungsintervalls zu unterbrechen, und eine Einrichtung (15), die durch die Unterbrechungseinrichtung zur Erzeugung einer Alarmanzeige betätigt wird.

28. Einrichtung nach Anspruch 27,

dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungseinrichtung einen Operationsverstärker (275) und ein elektromechanisches Relais (282) aufweist.

29. Einrichtung nach Anspruch 3,

mit einer Alarmtrennschaltung, die einen Schalter (32) zur Überwachung des Drucks aufweist, den das von der Quelle an die Verbrauchseinrichtung gelieferte Strömungsmittel besitzt,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Einrichtung (109, 297, 300, 180) vorgesehen ist, die auf eine längere Deaktivierung des Überwachungsschalters (32) aufgrund eines vorgegebenen, niedrigen Druckes zur Erzeugung eines Alarms anspricht.

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«7

30. Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Alarms einen Integrator (297) aufweist, der unter Ansprechen auf die Atemfrenuenz-Spannungsslgnalc ein Rampensignal erzeugt, und eine Einrichtung (208), die durch eine Aktivierung des Überwachungsschalterr; bei einem vorbestimmten Druck des Strömungsmittels aktiviert \jivd und den Integrator zurückstellt, um die Erzeugung des Rampensignals zu unterbrechen.

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