DE3123678A1

DE3123678A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung von lungenventilatoren

Info

Publication number: DE3123678A1
Application number: DE19813123678
Authority: DE
Inventors: Andras 18330 Täby Gedeon; Ulf Dipl.-Ing. 14032 Grödinge Lundell; Göran Dipl.-Ing. 11327 Stockholm Pilenvik
Original assignee: Engstroem Medical Stockholm AB; Engstrom Medical AB
Current assignee: Gambro Engstrom AB
Priority date: 1980-06-18
Filing date: 1981-06-15
Publication date: 1982-04-22
Also published as: GB2079984A; FR2484841B1; SE8004530L; US4421113A; FR2484841A1; SE434799B; JPS628185B2; DE3123678C2; JPS5731871A; GB2079984B

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Lungenventilatoren.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Steuerung eines Lungenventilators -mit einer Atemgasquelle, mit einer Einatmungsleitung mit einer Vorrichtung zu deren Verbindung mit den Luftwegen eines Patienten, durch die der Patient spontan aus der Atemgasquelle atmen kann, mit einer Ventilatoreinheit, die zur Bewirkung einer Zwangsatmung mit bestimmbarem Atemvolumen aus der Atemgasquelle aktiviert werden kann, und mit einer mit den Luftwegen des Patienten verbindbaren Ausatmungsleitung, durch die der Patient ausatmen kann.

Das bekannteste Verfahren zur Behandlung eines Patienten

eines
mit Hilfe/Lungenyentilators ist das sogenannte CMW-Verfahren (controlled mechanical ventilation method), d.h. gesteuertes mechanisches Ventilationsverfahren, in welchem der Patient einer künstlichen Atmung durch den Lungenventilator unterworfen wird, wobei die Zwangsatmungen, denen der Patient unterworfen ist, von gegebener Frequenz sind, die in dem Lungenventilator voreingestellt ist, wobei jede Atmung ein gegebenes Gasvolumen, das sogenannte Atemvolumen, umfaßt, das ebenfalls in dem Ventilator voreingestellt ist.

Auf diese Weise erhält der Patient durch den Ventilator ein vorbestiinintes Volumen an Atemgas in jeder Minute, das sogenannte Minutenvolumen, welches das Produkt der Frequenz der Zwangsatmungen pro Minute und des Atemvolumens ist. In diesem Behandlungsverfahren ist der Patient nicht in der Lage, spontan zu atmen, sondern.er ist ein vollständig passiver Empfänger der durch den Lungenventilator bestimmten Ventilation.

In der letzten Zeit hat sich die Ansicht durchgesetzt, daß es in vieler Hinsicht vorteilhaft ist, es dem Patienten zu ermöglichen zu versuchen, aus der Atemgasquelle des Lungenventilators spontan zu atmen und eine solche spontane Atmung mit durch den Lungenventilator hervorgerufene Zwangsatmungen in einem solchen Ausmaß zu unterstützen, wie es für eine zufriedenstellende Ventilation des Patienten erforderlich ist. Auf diese. Weise ist es unter anderem möglich, die Behandlungszeit und die Belastung auf das Kreislaufsystem des Patienten zu verringern. Das am fortschrittlichste.. Behandlungsverfahren dieser Art ist das sogenannte SIMV-Behandlungsverfahren (synchronized intermittent mandatory ventilation process), d.h. Verfahren mit synchronisierter unterbrochener Zwangsventilation, in welchem der Lungenventilator prinzipiell dem Patienten Zwangsatmungen aufdrängt, die ein durch den Lungenventilator bestimmtes Atemvolumen haben, wobei die'Frequenz, die auch durch den Ventilator bestimmt ist, so niedrig ist, daß der Patient in der Lage ist, zwischen zwei Zwangsatmungen spontan zu atmen. Durch Abschätzung

der eigenen Möglichkeit des Patienten, spontan zu atmen und durch Anpassung der Frequenz der dem Patient zugeführten Zwangsatmungen in Bezug darauf ist sichergestellt, daß der Patient die gewünschte totale Ventilation erhält. Ein Nachteil dieses Behandlungsverfahrens ist aber, daß das Atemverhalten sehr unregelmäßig in Bezug auf die Frequenz und ungleichmäßig in Bezug auf die Größe der Atemzüge wird.' Außerdem führt irgendeine schnelle Verschlechterung des Patienten, in welchem Falle der Patient plötzlich aufhört spontan zu atmen oder in welchem Falle er in einem viel geringeren Maße spontan atmet als vorher, zu einer gefährlichen Unterventilation des Patienten. Wenn andererseits der Patient sich schnell verbessert, so daß er in der Lage ist, in ausreichendem Maße spontan zu atmen, um eine in vollem Maße zufriedenstellende Ventilation zu erhalten, wird er trotzdem Zwangsatmungen durch den Lungenventilätor unterworfen, wodurch die voll zufriedenstellende normale Atmung des Patienten gestört wird, wodurch dem Patienten Unbehagen und eine Reizung zugefügt wird. Um diese unerwünschten und in Bezug auf die Unterventilation gefährlichen Situationen zu vermeiden, ist es erforderlich, den Patienten ständig zu überwachen. Eine solche überwachung ist in praktischen klinischen VersorgungsSituationen nicht leicht möglich.

Um die Nachteile des SIMV-Behandlungsverfahrens auszuschalten, wurde 1977 ein MMV ("Mandatory Minute Volume") - Behandlungsverfahren eingeführt, das in "Anaesthesia", 1977,

Vol. 32, Seiten 163 - 169, unter der. Überschrift "Mandatory Minute Volume. A new Concept in Weaning for Mechanical Ventilation" von A. M. Hewlett, A.A. Platt und V.G. Terry beschrieben worden ist. In diesem Behandlungsverfahren bestimmt der Lungenventilator die gesamte Ventilation des Patienten, d.h. das dem Patienten pro Minute zugeführte Gasvolumen, das ist das Minutenvolumen. Vorausgesetzt, daß der Patient in der Lage ist, dieses Minutenvolumen spontan zu atmen, wird er durch den Lungenventilator keiner Zwangsatmung unterworfen. Wenn andererseits die spontane Atmung durch den Patienten unter das gegebene Minutenvolumen fällt, führt der Lungenventilator dem Patienten Zwangsatmungen zu, und zwar mit einem durch den Ventilator bestimmten Atemvolumen, so daß der Patient das volle vorbestimmte Minutenvolumen erhält. Bekannte Vorrichtungen, mit denen solche MMV-Behandlungsverfahren ausgeführt werden, enthalten eine Ventilatoreinheit und ein ausdehnbares Gefäß, dem Atemgas kontinuierlich zugeführt wird, und zwar in einer Menge,, die der gewünschten Gesamtventilation des Patienten entspricht, d.h. dem Minutenvolumen entspricht, wobei der Patient hiervon spontan atmen kann. Wenn der Patient nicht in der Lage ist, die gesamte zugeführte Gasmenge spontan zu atmen, wird das ausdehnbare Gefäß eventuell bis zu seinem maximalen Volumen gefüllt, worauf ein Überschuß an Atemgas, das der Patient nicht spontan einatmen kann, über die Ventilatoreinheit geführt und darin gesammelt wird. Wenn sich auf diese Weise in der Ventilatoreinheit ein Gasvolumen angesammelt hat, das dem vorbestimmten Atemvolumen für eine

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Zwangsatmung entspricht, wird dem Patienten durch die Ventilatoreinheit eine Zwangsatmung mit dem genannten Atemvolumen zugeführt. Auf diese Weise erhält der Patient immer das vorbestimmte Minutenvolumen an Atemgas, und zwar entweder durch spontane Atmung aus dem ausdehnbaren! Gefäß oder in Form von Zwangsatmungen durch die Ventilatoreinheit. Die praktische Verwirklichung des MMV-Verfahrens ist aber mit praktischen und prinzipiellen Nachteilen belastet. So ist der Patient beim spontanen Atmen nicht in der Lage, mehr Gas als das voreingestellte Minutenvolumen einzuatmen, da das in dem Behälter enthaltene gesamte Gas dadurch verbraucht wird. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil, da üblicherweise die Höhe der Gesamtventilation auf eine Höhe voreingestellt ist, die etwas unterhalb der normalen Ventilation liegt, so daß der Patient in dieser Weise angeregt wird zu versuchen, natürlich zu atmen. Es wird somit erwartet, daß der Patient in der Lage ist, die eingestellte Ventilationshöhe zu erreichen, d.h. das eingestellte Minutenvolumen zu erreichen, und während er dies tut, überschreitet der Patient gelegentlich diese Höhe. Die volumetrische Kapazität, des ausdehnbaren Behälters bestimmt in dieser Hinsicht, ob und für wie lange der Patient durch spontane Atmung ein größeres Volumen erhalten kann als das eingestellte Minutenvolumen. Wenn die volumetrische Kapazität des Behälters klein ist, wird der Behälter schnell entleert, und es wird die vorhergenannte Zeitperiode sehr kurz. Wenn ein Behäl- ' ter mit großer volumetrischer Kapazität verwendet wird, ist der Patient in der Lage, eine größere Menge Gas spontan

einzuatmen, als es im eingestellten Minutenvolumen entspricht, und zwar über eine etwas größere Zeitperiode, bevor der Behälter geleert wird. Wenn aber nach einer vollständigen Entleerung des Behälters der Patient plötzlich aufhört spontan zu atmen, ist eine entsprechend lange Zeit erforderlich, um den Behälter auf seine maximale Kapazität zu füllen und der Ventilatoreinheit genügend Gas zuzuführen, so daß dem Patienten eine Zwangsatmung zugeführt werden kann. Unter diesen Umständen muß der Patient also, eine verhältnismäßig lange Zeit warten, bis die erste Zwangsatmung erfolgen kann, was zu schwerwiegenden Komplikationen führen kann.

Bekannte Lungenventilatorkonstruktionen für eine MMV-Behandlung haben auch zwei weitere grundlegende Nachteile. Einer dieser Nachteile besteht darin, daß die garantierte Ventilation des Patienten immer gleich dem voreingestellten Minutenvolumen des dem ausdehnbaren Gefäß zugeführten Minutenvolumen an Atemgas ist. Andere geeignete physiologische Größen, wie z.B. die alveolare Ventilation, können nicht für die Einstellung oder für die Veränderung des zugeführten Minutenvolumens verwendet werden. Der andere Nachteil bezieht sich auf eine manchmal gegen die Verwendung des·.MMV-Behandlungsverfahrens erhobene Beanstandung, daß nämlich ein Patient nach Luft schnappen kann, d.h. sehr flach und mit hoher Frequenz atmet. In einem solchen· Fall kann der Patient durch spontane Atmung eine Gesamtmenge an Gas erhalten, die ausreichend erscheint, d.h.

das voreingestellte Minutenvolumen erreicht, ohne daß der Patient tatsächlich in der Lage ist, eine ausreichende Menge Sauerstoff zu absorbieren und sein Kohlendioxid abzugeben, d.h. eine wirklich zufriedenstellende Ventilation zu erhalten. Diese Probleme können nicht durch die bekannten Lungenventilator-Konstruktionen für die MMV-Behandlung ausgeschaltet werden.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Verfahrens und eines entsprechenden Gerätes für die Steuerung eines Lungenventilators zur Durchführung des MMV-Behandlungs-Verfahrens, die nicht mit den obenerwähnten Nachteilen behaftet sind.

Mit diesem Ziel schafft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Lungenventilators mit einer Atemgasquelle, mit einer Einatmungsleitung mit einer Vorrichtung zu deren Verbindung mit den Luftwegen eines Patienten, durch die der Patient spontan aus der Atemgasquelle atmen kann, mit einer Ventilatoreinheit, die zur Bewirkung einer Zwangsatmung mit bestimmbarem Atemvolumen aus der Atemgasquelle aktiviert werden kann, und mit einer mit den Luftwegen des Patienten verbindbaren Ausatmungsleitung, durch die der Patient ausatmen kann. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Atemgasstrom durch die Einatmungsleitung oder die Ausatmungsleitung kontinuierlich gemessen wird, daß ein den Augenblickswert dieses Stromes darstellendes Signal erzeugt wird, daß ein dem kontinuierlichen

Integral der Differenz zwischen einem Bezugssignal und dem Strömungssignal unter Beachtung des Vorzeichens der Signaldifferenz proportionales Signal erzeugt wird, daß der Wert des integrierten Differenzsignals mit einem ersten gegebenen Grenzwert verglichen wird und daß die Ventilatoreinheit aktiviert wird, um den Patienten in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleiches einer Zwangsatmung zu unterwerfen.■

In einem bevorzugten Ausführungsbeispxel der Erfindung wird die Ventilatoreinheit aktiviert, um den Patienten einer Zwangsatmung mit gegebenem Atemvolumen jedesmal dann zu unterwerfen, wenn der Wert des integrierten Differenzsignals den ersten Grenzwert erreicht. Die Erfindung schafft.auch eine entsprechende Vorrichtung zur Steuerung eines Lungenventilators der obengenannten Art. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Strömungsmesser zum kontinuierlichen Messen des Atemgasstromes durch die Einatmungsleitung oder die Ausatmungsleitung und zur Erzeugung eines den Augenblickswert dieses Stromes darstellenden Signals, durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines das kontinuierliche Integral der Differenz zwischen einem Bezugssignal und dem Strömungssignal darstellenden Signals und durch eine Vorrichtung zum Vergleichen des Wertes des integrierten Differenzsignals mit einem ersten Grenzwert und zur Erzeugung des Steuersignals für die Ventilatoreinheit in Abhängigkeit von diesem Vergleich.

Die Erfindung ist nicht auf irgendeine besondere Ausbildungs-

art des tatsächlichen Lungenventilators beschränkt, sondern sie kann angewendet werden auf irgendeine Art eines Lungenventilators, der eine spontane Atmung des Patienten ermöglicht, und der eine elektrisch steuerbare Ventilatoreinheit enthält, die in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal aktiviert werden kann, um eine Zwangsatmung mit gewünschtem Atemvolumen an den Patienten zu liefern, wobei es möglich ist, kontinuierlich die Größe des Atemgasstromes, den der Patient erhält, zu messen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Aμsführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lungenventilators,

Fig. 2 ein mehr Einzelheiten zeigendes Blockschaltbild der Steuereinheit in dem Lungenventilator nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Kurve, welche die Arbeitsweise des Lungenventilators darstellt, wenn der Patient überhaupt nicht spontan atmet, und

Fig. 4 eine entsprechende Kurve, welche die Betriebsart darstellt, in welcher der Lungenventilator arbeitet, wenn der Patient spontan atmet.

Der in Fig. 1 sehr schematisch dargestellte Lungenventilator enthält in üblicher Weise eine geeignete Atemgasquelle 1, die über eine Spontanatmune-Einheit 2 und eine Ventila-

toreinheit 3 an eine Einatmungsleitung 4 angeschlossen ist. Die Einatmungsleitung 4 ist mit einer Patienten-Schlauchleitung 5 verbunden, die mit den Luftwegen des Patienten verbunden sein kann. Die Einatmungsleitung 4 enthält ein geeignetes Einatmungsventil 6, welches es dem Gas ermöglicht, durch die Leitung 4 zum Patienten nur in einer Richtung zu strömen. Mit der Patienten-Schlauchleitung 5 ist auch eine Ausatmungsleitung 7 verbunden/ die ein geeignetes Ausatmungsventil 8 enthält, die es dem Gas nur ermöglicht, durch die Leitung 7 in einer Richtung weg vom Patienten zu strömen. Das Ausatmungsventil 8 ist in geeigneter Weise so gesteuert, daß es nur dann geöffnet werden kann, wenn der Patient ausatmet. Die Einatmungsleitung 4 enthält einen Strömungsmesser 9 geeigneter Ausbildung , beispielsweise in Form einer Verengung und einer Vorrichtung zum Messen des Druckabfalles über dieser Verengung, wobei hierdurch ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, welches.den Augenblickswert der Gasströmung durch die Einatmungsleitung 4 darstellt. Der Zweck hxerfür wird im folgenden im einzelnen erläutert.

Die Spontan-Atmungseinheit 2 und die Ventilatoreinheit 3 können von bekannter Konstruktion sein, die es dem Patienten ermöglicht, Atemgas aus der Atemgasquelle 1 durch spontane Atmung durch die Spontan-Atmungseinheit 2 zu erhalten, und zwar unter gegebenen, gewünschten Bedingungen, beispielsweise mit einem gegebenen Druck, wobei die Ventilatoreinheit 3 aktiviert werden kann durch ein elektrisches

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Steuersignal, um den Patienten einer Zwangsatmung mit einem gewünschten Gasvolumen, d.h. einem Atemvolumen, zu beliefern, Und zwar in einer gewünschten Weise, beispielsweise im Hinblick auf die Zeitfunktion der Gasströmung und/oder dem Gasdruck während der Zwangsatmung. Die Spontan-Atmungseinheit 2 und die Ventilatoreinheit 3 sind normalerweise in einer einzigen Einheit im Lungenventilator enthalten. Ein Lungenventilator, der in Verbindung mit der vorliegenden Verbindung verwendet werden kann, ist beispielsweise in der schwedischen Patentanmeldung 7905509-1 beschrieben. Dieser Lungenventilator ermöglicht es einem mit ihm verbundenen Patienten, spontan zu atmen, und zwar beispielsweise mit einem gewünschten, einstellbaren, kontinuierlich positiven Luftwegdruck, CPAP. Der Lungenventilator kann auch aktiviert werden, um den Patienten einer Zwangsatmung mit einem gewünschten, veränderbaren Atemvolumen und einer gewünschten, einstellbaren zeitlichen Funktion der Strömung und/oder des Druckes während der Zwangsatmung, zu unterwerfen. In dem oben beschriebenen Lungenventilator, wie er in der vorhergenannten Patentanmeldung beschrieben worden ist, kann das Ausatmungsventil 8 so gesteuert werden, daß der Patient gegen einen gewünschten, einstellbaren positiven Ausatmungsdruck (PEEP) ausatmet. Andere Lungenventilator-Konstruktionen können auch in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt aber, daß sie die obengenannten Bedingungen erfüllen. Bei der Ausführung der Erfindung ist die Atemgasquelle 1 zweckmäßig von solcher Konstruktion, daß sie in der Lage ist, eine Gasmenge entsprechend wenig-

stens dem maximalen Wert an Gas pro Minute, die der Patient erfordert, liefern kann.

Zur Durchführung des MMV-Behandlungsverfahrens ist der erfindungsgemäße Lungenventilator mit einem Strömungsmesser 9 in der Einatmungsleitung 4 und einer Steuereinheit 10 versehen, welche das von dem Strömungsmesser 9 erhaltene Meßsignal aufnimmt, und zwar entsprechend dem Augenblickswert der Strömung an Atemgas durch die Einatmungsleitung 4, und das die Lungenventilatoreinheit 3 mit Hilfe eines elektrischen Steuersignals aktiviert, um den Patienten einer Zwangsatmung zu unterwerfen.

Fig. 2 zeigt die grundlegende Konstruktion der Steuereinheit 10. Die Steuereinheit 10 erhält das Strömungssignal V-vom Strömungsmesser 9 und auch ein Bezugs- oder Einstellpunkt-Wertsignal V , wobei angenommen wird, daß es das gleiche Vorzeichen hat wie das Strömungssignal V- und das der Einfachheit halber zunächst als konstant angenommen werden kann, wobei aber dessen Wert einstellbar ist. Das Bezugssignal V und das Strömungssignal V- werden jeweils an eine Integrierschaltung 13 bzw. 16 geliefert, welche die Eingangssignale kontinuierlich integrieren. Das integrierte BezugssignalJV wird einem Eingang einer Subtraktionsschaltung 11 zugeführt, deren anderem Eingang das integrierte Strömungssignal J V^ über eine Begrenzerschaltung oder Schwellenschaltung 12 zugeführt wird , deren Funktion und Zweck im folgenden im einzelnen beschrieben

wird. Das integrierte Signal J V^ wird in der Schaltung 11 von dem integrierten Bezugssignal JV subtrahiert, und deshalb wird, wenn der Begrenzer 12 als nicht in Betrieb angenommen wird oder wenn angenommen wird, daß der Begrenzer in dem System nicht vorhanden wird, das Signal j (V - V^) am Ausgang der Schaltung 11 erzeugt. Wie ersichtlich, können, wenn der Begrenzer 12 weggelassen wird, die Subtrahierschaltung 11 und die Integrierschaltungen 13 und 16 wahlweise durch eine einzige Subtrahier-Integrier-Schaltung ersetzt werden, oder es können die beiden Signale V und V^ statt dessen zuerst voneinander subtrahiert werden, worauf das Differenzsignal kontinuierlich integriert wird. In allen Fällen ist das sich ergebende Ausgangssignal J (V - V_f) das gleiche. Dieses Signal wird einer Begrenzungsschaltung 14 zugeführt, welche verhindert, daß das Signal unter einen vorbestimmten unteren Grenzwert G2 fällt, wobei dieser Grenzwert in geeigneter Weise einstellbar ist. Das Ausgangssignal von der Begrenzungsschaltung 14, welches identisch zu dem Signal j (V - V_£) ist, vorausgesetzt, daß die Begrenzungsschaltung 14 nicht arbeitet, wird einem Eingang einer Vergleichsschaltung 15 zugeführt, während ein oberes, vorzugsweise einstellbares Grenzwertsignal G1, das höher ist als der vorhergenannte Grenzwert G2, dem anderen Eingang der Vergleichsschaltung 15. zugeführt wird.

Zur Erläuterung der beschriebenen Arbeitsweise der Steuerschaltung 10 wird anfänglich der Einfachheit halber angenommen, daß die Begrenzungsschaltung 12 weggelassen ist

und daß die Begrenzungsschaltung 14 ebenfalls weggelassen ist oder daß diese niemals in Wirkung tritt. Ferner wird angenommen, daß die Vergleichsschaltung 15 so angeordnet ist, daß sie ein Ausgangssignal an die Ventilatoreinheit 3 liefert, wenn ihre beiden Eingangssignale ./(V - V-) und.GI zusammenfallen. Es wird auch angenommen, daß das Bezugssignal V auf einen Wert entsprechend einer Strömung an Atemgas eingestellt ist, der dem Minutenvolumen, das der Patient mindestens erhalten sollte, gleich ist. Schließlich wird angenommen, daß der Wert des Strömungssignals V- Null ist, wenn kein Gas durch die Einatmungsleitung 4 strömt.

Unter den vorgenannten Annahmen arbeitet der Lungenventilator in der Art und Weise, wie sie durch die Kurve in Fig. 3 dargestellt ist, d.h., wenn der Patient überhaupt nicht spontan .:"*.. atmet. In diesem Falle ist das Strömungssignal V- bei Beginn der Atmungsbehandlung Null, da der Patient keinen Versuch macht zu atmen. Infolgedessen ist das integrierte Signal J(V - V-) gleich J V_r und es steigt anfänglich linear, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn dieser integrierte Signalwert den Grenzwert G1 im Zeitpunkt ti in Fig. 3 erreicht, gibt die Vergleichsschaltung 15 ein Signal an die Ventilatoreinheit 3 ab, die unter dem Einfluß dieses Signals aktiviert wird, um den Patienten einer Zwangsatmung mit vorbestimmtem Volumen, dem Atmungsvolumen, zu unterwerfen. Somit wird während dieser Zwangsatmung

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das integrierte Signal /(V - V_f) erneut unter einen Wert G3 fallen, wie es in dem Zeitpunkt t2 in Fig. 3 dargestellt ist. Somit entspricht die Differenz zwischen G1 und G3 dem Integral von ti bis t2 von (V - V^) oder, was im vorliegenden Falle dasselbe ist, dem Integral von Null bis ti des Bezugssignals V . Somit wird eine Zwangsatmung zwischen den Zeitpunkten t. und t„ an den Patienten geliefert. Der Patient atmet darauf durch die Ausatmungsleitung 7 aus, und es steigt das integrierte Signal J(V - Vp) erneut linear an, bis es erneut im Zeitpunkt t₃ in Fig. 3 den Grenzwert G1 erreicht. Der Patient atmet somit zwischen den Zeitpunkten t₂ und t_ aus. Im Zeitpunkt t, sendet der Vergleichskreis 15 erneut ein Ausgangssignal an die Ventilatoreinheit 3, die unter dem Einfluß dieses Signals erneut eine Zwangsatmung in der varbeschriebenen Weise an den Patienten liefert. Dies wird periodisch wiederholt, vorausgesetzt, daß der Patient keinen Versuch macht, spontan zu atmen. Somit entspricht die Behandlung des Patienten einer gesteuerten mechanischen Ventilation mit einem Minutenvolumen entsprechend dem voreingestellten Wert des Bezugssignals V und mit einem voreingestellten Atemvolumen. Die
Atmungsfrequenz wird automatisch gleich dem Verhältnis
des Minutenvolumens V und des voreingestellten Atemvolumens .

Wenn aber der Patient in der Lage ist, spontan zu atmen,
arbeitet der Lungenventilator in der dargestellten Weise, beispielsweise entsprechend der in Fig. 4 dargestellten

Kurve. In diesem Falle ändert sich das integrierte Signal f (V - V_f) im Zeitmaß mit der spontanen Atmung des Patienten, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, d.h., der Wert des Signals fällt während der spontanen Atmungen des Patienten in Abhängigkeit von der spontan durch den Patienten eingeatmeten Gasmenge und steigt während der spontanen Atmungen des Patienten, wenn V^ = 0. Wenn die spontane Atmung des Patienten im Mittel nicht das Minutenvolumen "entsprechend dem voreingestellten Wert des Bezugssignals V erreicht, steigt aber das integrierte Signal J (V - V-) allmählich an und erreicht den Grenzwert G1, wie es bei ti in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn dies auftritt, sendet der Vergleichskrels 15 in der vorherbeschriebenen Weise ein Signal an die Ventilatorexnheit 3 die unter dem Einfluß dieses Signals an den Patienten eine Zwangsatmung mit dem voreingestellten Atemvolumen sendet, wodurch der Wert des integrierten Signals J(V - V_f) auf den Wert G3 fällt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Der Patient kann dann fortfahren, spontan zu atmen, und zwar in dem Ausmaß, wie er dazu in der Lage ist. Wenn der Patient weniger Gas einatmet, als es im Mittel dem Bezugswert V entspricht, erreicht das integrierte Signal erneut allmählich den Grenzwert G1, worauf an den Patienten eine weitere Zwangsatmung geliefert wird. Somit ist sichergestellt, daß der Patient eine vollständige Ventilation durch spontane Atmung und Zwangsatmung erhält, und zwar zumindest entsprechend dem voreingestellten Bezugswert V .

Wie vorher erwähnt, ist die Atemgasquelle 1 zweckmäßig

so konstruiert, daß sie in der Lage ist, dem Patienten, wenn dieser spontan atmet, eine Gasmenge zuzuführen, welche das Minutenvolumen entsprechend dem voreingestellten Wert V überschreitet und das zumindest der maximalen Gasmenge gleich ist, welche der Patient möglicherweise fordert.

Während der spontanen Atmung kann deshalb der Patient eine größere Gasmenge atmen als sie dem Bezugswert V entspricht. Unter diesen Bedingungen fällt das integrierte Signal J(V -Vf) auf einen Wert unter den Wert G3,wie es rechts in Fig. 4 gezeigt ist, und es fällt weiter, solange der Patient in dieser Weise spontan atmet. Auf diese Weise kann das integrierte Signal auf einen sehr niedrigen Wert fallen, und sollte der Patient anschließend aus irgendeinem Grunde plötzlich aufhören spontan zu atmen, kann es unter Umständen eine sehr lange Zeit dauern, bevor das integrierte Signal den Grenzwert G1 erreicht und eine Zwangsatmung an den Patienten geliefert wird. Dieser Nachteil kann gemäß der Erfindung dadurch ausgeschaltet werden, daß das Signal J(V - Vr) den Begrenzerkreis 14 durchsetzt, der so ausgebildet ist, daß er das integrierte Signal begrenzt und verhindert, daß es unter einen Signalwert G2 fällt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Der Grenzwert G2 muß so ausgewählt werden, daß er unter dem Wert G3 liegt. Wenn das integrierte Signal den unteren Wert G2 erreicht, und zwar aufgrund einer kräftigen spontanen Atmung durch den Patienten, was nach Fig. 4 im Zeitpunkt t2 auftritt, wird das integrierte Signal auf den Wert G2 begrenzt, und es

wird auf diesen Wert gehalten, bis die kräftige spontane Atmung durch den Patienten aufhört und die Signaldifferenz (V - V~) erneut positiv wird, so daß das integrierte Signal J (V - V_) erneut anfängt zu ate igen, was. in dem Beispiel nach Fig. 4 im Zeitpunkt t3 stattfindet.

Somit ermöglicht die Erfindung einem Patienten, stärker spontan zu atmen, als es dem voreingestellten Minutenvolumen V entspricht, und zwar ohne Gefahr für den Patienten, und zwar auch dann, wenn der Patient nach einer solchen Periode kräftiger spontaner Atmung plötzlich aufhören sollte,spontan zu atmen.

Das Problem des Keuchens bzw. nach Luftschnappens des Patienten, d.h. einer flachen und schnellen Atmung, wie es in der Einleitung und im Zusammenhang mit der Lungenventilatorkonstruktion für die MMV-Behandlung beschrieben worden ist, kann gemäß der Erfindung durch die Verwendung der Schwellenschaltung oder Begrenzungsschaltung 12 ausgeschaltet werden. Die Schaltung 12 ist so ausgebildet, daß bei jeder Steigerungszunahme des Wertes des integrierten Strömungssignals .Jv,., was bei jeder Einatmung durch den Patienten auftritt, entweder bei spontaner Atmung oder bei Zwangsatmung, und entsprechend dem Gasvolumen jeder Einatmung die Schaltung -12 nur solche Steigerungszunahmen mit einem Wert, der einen gegebenen Minimalwert überschreitet, d.h. ein gegebenes Minimalvolumen an Atemgas bei jeder Einatmung, weitergibt. Auf diese Weise

vernachlässigt die Steuerschaltung 10 solche Einatmungen mit geringem Volumen, die auftreten, wenn der Patient nach Luft schnappt und die keine irgendwie bedeutsame Wirkung auf die Ventilation des Patienten haben. Auf diese Weise wird eine ausreichende Ventilation des Patienten auch dann sichergestellt, wenn der Patient nach Luft schnappen sollte.

In dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung steuert die Steuereinheit 10 die Frequenz der Zwangsatmungen, denen der Patient durch die Ventilatoreinheit 3 unterworfen ist, während das Atemvolumen für jede solche Zwangsatmung in der Ventilatoreinheit 3 bestimmt und zur Verfügung gestellt wird. Es ist aber denkbar, eine andere Ausführungsform der Erfindung zu verwenden, in welcher die Ventilatoreinheit voreingestellt ist und so angeordnet ist, den Patienten Zwangsatmungen mit vorbestimmter Frequenz auszusetzen, während die Steuereinheit 10 die Ventilatoreinheit 3 veranlaßt, das Atemvolumen dieser Zwangsatmungen in Abhängigkeit der Größe der Differenz zwischen dem Grenzwert G1 und dem integrierten Signal·,/(V - V,.) zu dem Zeitpunkt anzupassen, wenn eine soiche Zwangsatmung vorgenommen werden soll. Somit stellt die Vergleichsschaltung 15 diese Differenz fest und sendet ein entsprechendes Steuersignal an die Ventilatoreinheit 3. In diesem Fa^e steuert also die Steuereinheit 10 das Atemvolumen der Zwangsatmungen, während die Frequenz dieser Atmungen voreingestellt ist.

In der vorhergehenden Beschreibung ist angenommen worden,

daß das Bezugssignal V auf einen Wert voreingestellt ist, welcher dem Minutenvolumen an Atemgas entspricht, welches der Patient zumindest erhalten sollte. Es ist aber auch möglich, dieses Bezugssignal V in Abhängigkeit von anderen physiologischen Parametern zu verändern, wie z.B. die gewünschte alveolare Ventilation des Patienten.

In dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Gasströmung durch die Einatmungsleitung 4 durch den Strömungsmesser 9 gemessen. Da aber, insgesamt gesehen, der Gasstrom durch die Ausatmungsleitung 7 gleich dem Gasstrom durch die Einatmungsleitung 4 ist, ist es gemäß der Erfindung auch möglich, den Strömungsmesser 9 in die Ausatmungsleitung 7 einzubringen, um den Gasstrom durch diese Leitung zu messen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./ Verfahren zur Steuerung eines Lungenventilators mit einer Atemgasquelle, mit einer Einatmungsleitung mit einer Vorrichtung zu deren Verbindung mit den Luftwegen eines Patienten, durch die der Patient spontan aus der Atemgasquelle atmen kann, mit einer Ventilatoreinheit,die zur Bewirkung einer Zwangsatmung mit bestimmbarem Atemvolumen aus der Atemgasquelle aktiviert werden kann, und mit einer mit den Luftwegen des Patienten verbindbaren Ausatmungsleitung, durch die der Patient ausatmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Atemgasstrom durch die Einatmungsleitung oder die Ausatmungsleitung kontinuierlich gemessen wird, daß ein den Augenblickswert dieses· Stromes darstellendes Signal (V_f) erzeugt wird, daß ein dem kontinuierlichen Integral der Differenz zwischen einem Bezugssignal (V ) und dem Strömungssignal (V_f) unter Beach-

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tung des Vorzeichens der Signaldifferenz (V - V^) proportionales Signal (J (V - V^) ) erzeugt wird,· daß der Wert des integrierten Differenzsignals (J (V -V_f) ) mit einem ersten gegebenen Grenzwert (G1) verglichen wird und daß die Ventilatoreinheit aktiviert wird, um den Patienten in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleiches einer Zwangsatmung zu unterwerfen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatoreinheit aktiviert wird, um den Patienten

einer Zwangsatmung mit gegebenem Atemvolumen jedesmal dann zu unterwerfen, wenn der Wert des integrierten Differenzsignals (mV - V.c) ) den ersten Grenzwert (G1) erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatoreinheit aktiviert wird, um den Patienten Zwangsatmungen mit gegebener konstanter Frequenz und einem von der Abweichung des integrierten Differenzsignals (/(V - Vc) ) vom ersten Grenzwert/zum Zeitpunkt jeder Zwangsatmung zu unterwerfen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des integrierten Differenzsignals (J(V - V_£) ) nach abwärts begrenzt ist, um zu verhindern, daß dieser Wert unter einen zweiten Grenzwert (G2) fällt, der niedriger liegt als der erste Grenzwert (G1) .

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Bezugssignals (V ) so gewählt ist, daß er einem Atemgasstrom entspricht, der dem Minutenvolumen' an Atemgas, das der Patient wenigstens erhalten sollte, gleicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Bezugssignals (V ) so eingestellt ist, daß er einem Atemgasstrom entspricht, der eine gewünschte alveolare Ventilation des Patienten hervorruft.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal (V ) und das Strömungssignal (V..) jeweils kontinuierlich integriert werden, daß das integrierte Strömungssignal dann von dem integrierten Bezugssignal subtrahiert wird und daß das integrierte Strömungssignal von der Subtraktion einer Begrenzung unterworfen wird, welche irgendwelche Steigerungszunahmen des integrierten Strömungssignals ausschaltet, die kleiner sind als ein gegebener Minimalwert.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche mit einer Atemgasquelle, mit einer Einatmungsleitung, die mit den Luftwegen eines Patienten verbindbar ist und durch die der Patient aus der Atemgasquelle spontan atmen kann, mit einer Ventilatoreinheit, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal aktiviert werden kann, um den Patienten durch die Einatmungsleitung zu einer Zwangsatmung mit bestimmbarem Atemvolumen aus der Atemgasquelle zu veranlassen, und mit einer Ausatmungsleitung, die mit den Luftwegen des Patienten verbindbar ist und durch die der Patient ausatmen kann, gekennzeichnet durch einen Strömungsmesser (9) zum kontinuierlichen Messen des Atemgasstromes·durch die Einatmungsleitung oder die Ausatmungsleitung und zur Erzeugung eines den Augenblickswert dieses Stromes darstellenden Signals (V^), durch eine Vorrichtung (11, 13, 16) zur Erzeugung eines das kontinuierliche Integral der Differenz zwischen einem Bezugssignal (V ) und dem

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Strömungssignal (V_f) darstellenden Signals (J(V - V_f) ) und durch eine Vorrichtung (15) zum Vergleichen des· Wertes des integrierten Differenzsignals (/(V ~ V_f) ) mit einem ersten Grenzwert (G1) und zur Erzeugung des Steuersignals für die Ventilatoreinheit (3) in Abhängigkeit von diesem Vergleich.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung (15) so ausgebildet ist, daß sie das Steuersignal für die Aktivierung der Ventilatoreinheit dieser Einheit zuführt, um den Patienten einer Zwangsatmung mit vorbestimmtem Atemvolumen jedesmal dann zu unterwerfen, wenn die Vergleichsvorrichtung feststellt, daß der Wert des integrierten Differenzsignals (J (V - V_f) ) mit dem ersten Grenzwert zusammenfällt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatoreinheit (3) so ausgebildet ist, daß sie einen Patienten Zwangsatmungen mit einer gegebenen Frequenz unterwirft und daß die.Vergleichsvorrichtung (15) so ausgebildet ist, daß sie im Zeitpunkt einer jeden solchen Zwangsatmung der Ventilatoreinheit ein Steuersignals zur Bestimmung des Atemvolumens der Zwangsatmung in Abhängigkeit von der im betreffenden Zeitpunkt bestehenden Differenz zwischen dem Wert des integrierten Differenzsignals und dem ersten Grenzwert zusendet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da-

durch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung des integrierten Differenzsignals (J(V - V_f) ) getrennte Integrationsschaltungen (13, 16) für die kontinuierliche Integration des Bezugssignals (V ) bzw. des Strömungssignals (V_f) und eine Subtraktionsschaltung (11), der die Ausgangssignale der beiden Integrationsschaltungen zugeführt werden, enthält und daß zwischen die Subtraktionsschaltung und die Strömungssignal-Integrierschaltung (16) ein Begrenzungskreis (12) geschaltet ist, welcher Irgendeinen Anstieg des integrierten Strömungssignals (j VJ der unter einem gegebenen Minimalwert fällt, ausschaltet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzungsschaltung (14) zur Begrenzung des Wertes des integrierten Differenzsignals derart, daß dieser Wert nicht unter den zweiten Grenzwert (G2) fallen kann, zwischen die Vorrichtung (11, 13, 16), welche das integrierte Differenzsignal (J (V - V_f) ) erzeugt, und die Vergleichsvorrichtung (15) geschaltet .ist.