DE3123678C2

DE3123678C2 - Vorrichtung zur Steuerung eines Lungenventilators

Info

Publication number: DE3123678C2
Application number: DE3123678A
Authority: DE
Inventors: Andras Täby Gedeon; Ulf Dipl.-Ing. Grödinge Lundell; Göran Dipl.-Ing. Stockholm Pilenvik
Original assignee: Gambro Engstrom AB
Current assignee: Gambro Engstrom AB
Priority date: 1980-06-18
Filing date: 1981-06-15
Publication date: 1985-08-22
Also published as: JPS628185B2; US4421113A; FR2484841B1; JPS5731871A; GB2079984A; SE8004530L; SE434799B; FR2484841A1; GB2079984B; DE3123678A1

Abstract

Für die Durchführung einer MMV-Behandlung (Mandatory Minute Volume), d.h. einer Zwangsatmung mit Minutenvolumen, mit Hilfe eines Lungenventilators, der eine Atemgasquelle aus der ein mit dem Ventilator verbundener Patient durch eine Einatmungsleitung spontan atmen kann, und einer Ventilatoreinheit (3) besteht, die mit Hilfe eines Steuersignals aktiviert werden kann, um so den Patienten über die Einatmungsleitung einer Zwangsatmung mit bestimmbarem Atemvolumen aus der Atemgasquelle zu unterwerfen, wird der Atemgasstrom durch die Einatmungsleitung kontinuierlich mit Hilfe eines Strömungsmessers gemessen. In einer Steuereinheit wird ein Signal erzeugt, welches das kontinuierliche Integral der Differenz zwischen einem Bezugssignal und dem Strömungssignal vom Strömungsmesser wiedergibt. Der Wert des integrierten Differenzsignals wird mit einem gegebenen Grenzwert verglichen. Immer dann, wenn der Wert des integrierten Differenzsignals den Grenzwert erreicht, wird die Ventilatoreinheit aktiviert, um den Patienten einer Zwangsatmung mit gegebenem Atemvolumen zu unterwerfen. Wahlweise kann die Ventilatoreinheit so angeordnet sein, daß sie den Patienten Zwangsatmungen mit einer gegebenen Frequenz und einem Atemvolumen unterwirft, dessen Größe mit jeder Zwangsatmung bestimmt ist durch die bestehende Differenz zwischen dem Wert des integrierten Differenzsignals und dem Grenzwert.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes eines Lungenventilators nach dem Oberbegriff der Patentansprüche I oder 4.

Das bekannteste Verfahren zur Behandlung eines Patienten mit Hilfe eines Lungenventilators 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 Lungen ventilator voreingestellt ist, wobei jede Atmung ein gegebenes Gasvolumen, das sogenannte Atemvolumen, umfaßt, das ebenfalls in dem Ventilator voreingestelll ist.

Auf diese Weise erhält der Patient durch den Ventilator ein vorbestimmtes 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 Lungenvent-lator hervorgerufene Zwangsatmungen in einem solchen Ausmaß zu unterstützen, wie es für eine zufriedenstellende Ventilation des Patienten erforderlich ist. Auf diese Weise ist c: 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-Behandiungsverfahren (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 L.ungenventilator 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 durc^ 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 w^;rd. 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 r»met 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 Lungenventilator unterworfen, wodurch die voli 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 zugeführtc Gasvolumen, das ist das Minutenvolumen. Vorausgesetzt, daß der Patient in der Lage ist, dieses Minutenvoiumen spontan zu atmen, wird er durch den Lungenventilator keiner Zwangsatmung unterworfen. Wenn andererseits

ίο die spontane Atmung durch den Patienten unter das gegebene Minuienvolurnen iälli, führt der Lurigenventilator 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. de Minutenvolumen entspricht, wobei der Patient hiervo;. 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 Volui -.en 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 Zwangsatmung entspricht, wird dsm 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 prinzipiellt/t 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 ai'f 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 Behälter, benimmt in dieser Hinsicht, ob und für wie lange der Patient durch spontane Atmung ein größeres VoIumen erhalten kann als das eingestellte MinutenvoLumen. Wenn die volumetrische Kapazität des Behälters klein ist, wird der Behälter schnell entleert, und es wird d.e vorhergenannte Zeitperiode sehr kurz. Wenn ein Behälter 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 ütwas 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 Ventila · toreinheit genügend Gas zuzuführen, so daß dem Pa-

tienten 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 Lungenvemilatorkonstruktionen 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.

Es ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt (DE-OS 29 27 839). bei welchem ein Mittelwertbildner vorgesehen ist, welcher die Strömungsmenge über eine vorbestimmte begrenzte Zeitperiode feststellt und an seinem Ausgang ein Signal erzeugt, welches das Minutenvolumen des durch die Ausatmungsleitung strömenden Aierngases darstellt. Dieses tatsächliche Minutenvolumen an ausgeatmetem Atemgas wird in einer Schwellwertschaltung mit einem vorbestimmten Wert entsprechend einem gewünschten Minutenvolumen für den Patienten verglichen. Wenn das durch den Patienten ausgeatmete tatsächliche Minutenvolumen unter das voreingestellte minimale Minutenvolumen abfällt, aktiviert die Schwellwertschaltung einen Zeitgeber, wodurch eine Anzahl Zwangsatmungen an den Patienten geliefert werden, bis die Schwellwertschaltung feststellt, daß das von dem Patienten ausgeatmete tatsächliche Minutenvolumen das für den Patienten gewünschte, voreingestellte minimale Minutenvolumen überschreitet. Es wird hier also nur verhindert, daß eine Zwangsatniung eingeleitet wird, während der Patient noch ausatmet. Diese bekannte Vorrichtung ist unter anderem insoweit nachteilig, als ihre Funktionen unstabil arbeiten und dazu neigen, zu häufig und unnötigerweise Zwangsatmungen zu bewirken. Aus diesem Grunde ist auch ein Strömungsinhibitor erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die besonders an die eigenen Anstrengungen des Patienten, spontan zu atmen, angepaßt ist

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Errechnen des Gesamtintegrals der Differenz zwischen dem Bezugssignal und dem Strömungsmengensignal während der gesamten Eänatrnur.gs- und Ausatmungszyklen der Atmung des Patienten, mit den weiteren kennzeichnenden Merkmalen nach den Patentansprüchen 1 oder4.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders an die eigenen Anstrengungen des Patienten, spontan zu atmen, angepaßt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Volumen an Atem· gas vergleicht. Ferner wird durch die erfindungsgemäßc Vorrichtung erreicht, daß eine Zwangsatmung nur am Ende der Ausatmung des Patienten beginnt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zcichnung zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschallbild eines erfindungsgemäßen Lungenventilators,

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

F i g. 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 Spontanatmungs-Einheit 2 und eine Ventilatoreinheit 3 an eine Einatmungslcitung 4 angeschlossen ist. Die Einatmungsleitung 4 ist mit einer Pitienten-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 Ausatmungslettung 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 Ausaimungsventil 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 Einatmungslcitung 4 darstellt. Der Zweck hierfür 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 Spon' vi-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 Steuersignal.

um den Patienten einer Zwangsatmung mit einem gewünschten Gasvolumen, & 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 79 05 509-1 beschrieben. Dieser Lungenventilator ermöglicht es einem mit ihm verbundenen Patienten, spontan zu atmen, und zwar beispielsweise mit einem gewünschten, einstellba-

rcn, kontinuierlich positiven Luftwegdruck, CPAP. Der Lungcnvcntilator kann auch aktiviert werden, um den Patienten einer Zwangsatmung mit einem gewünschten, veränderbaren Alemvolumen 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 wenigstens dem maximalen Wert an Gas pro Minute, die der Patient erfordert, liefern kann.

Zur Durchführung des MMV-Behandlungsverfahrcns 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 Lungenvcntilatoreinheit 3 mit Hilfe eines elektrischen Steuersignals aktiviert, um den Patienten einer Zwangsatmung 'u unterwerfen.

F i g. 1 zeigt die grundlegende Konstruktion der Steuereinheit 10. Die Steuereinheit 10 erhält das Strömungssignal Vf vom Strömungsmesser 9 und auch ein Bezugs- oder Einstellpunkt-Wertsignal V_n wobei angenommen wird, daß es das gleiche Vorzeichen hat wie das Strömungssignal V₁ und das der Einfachheit halber zunächst als konstant angenommen werden kanu, wobei aber dessen Wert einstellbar ist. Das Bezugssignal V, und das Strömungssignal Vt werden jeweils an eine Integrierschaltung 13 bzw. 16 geliefert, welche die Eingangssignale kontinuierlich integrieren. Das integrierte Bezugssignal JV_r wird einem Eingang einer Subtraktionsschaltung 11 zugeführt, deren anderem Eingang das integrierte Strömungssignal J V₁ über eine Begrenzcrschaltung oder Schwellenschaltung 12 zugeführt wird, deren Funktion und Zweck im folgenden im einzelnen beschrieben wird. Das integrierte Signal J VV wird in der Schaltung 11 von dem integrierten Bezugssignai J V_r 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 ist, das Signal ](V_r — Vf) 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 V₁. und Vr statt dessen zuerst voneinander subtrahiert werden, worauf das Differenzsignal kontinuierlich integriert wird. In allen Fällen ist das sich ergebende Ausgangssignal \(V_r— V₁) das gleiche. Dieses Signal wird einer Begrenzungsschaltung 14 zugeführt, welche verhindert, daß das Signal unter einen vorbestimmten unteren Grenzwert G 2 fällt, wobei dieser Grenzwert in geeigneter Weise einstellbar ist. Das Ausgangssigna! von der Begrenzungsschaltung 14, welches identisch zu dem Signal J(V₁- — Vr) ist, vorausgesetzt, daß die Begrenzungsschaltung 14 nicht arbeitet, wird einem Eingang einer Vergleichsschaltung 15 zugeführt, während ein oberes, vorzugsweise einstellbares Grenzwertsigna! Cl, das höher ist als der vorhergenanntc Grenzwert G 2. 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 Begrenzungsschallung 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_r — Vt) und G 1 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 Vi 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 ](V_r — Vi) gleich J V_r und es steigt anfänglich linear, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Wenn dieser integrierte Signalwert den Grenzwert G 1 im Zeitpunkt 11 in F i g. 3 erreicht, gibt die Vergleichsschaltung 15 ein Signal an die Ventilatoreinheit 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 das integrierte Signa! j(V_r — V₁) erneut unter einen Wert G 3 fallen, wie es in dem Zeitpunkt / 2 in F i g. 3 dargestellt ist. Somit entspricht die Differenz zwischen G 1 und G 3 dem Integral von 11 bis 12 von (V_r — Vf) oder, was im vorliegenden Falle dasselbe ist, dem Integral von Null bis f 1 des Bezugssignals V_r. Somit wird eine Zwangsatmung zwischen den Zeitpunkten ii und r? an den Patienten geliefert. Der Patient atmet darauf durch die Ausatmungsleitung 7 aus, und es steigt das integrierte Signal l(V_r- Vt) erneut linear an, bis es erneut im Zeitpunkt f3 in F i g. 3 den Grenzwert G 1 erreicht. Der Patient atmet somit zwischen den Zeitpunkten f? und fj aus. Im Zeitpunkt fj sendet der Vergleichskreis 15 erneut ein Ausgangssignal an die Ventilatoreinheit 3, die unter dem Einfluß dieses Signals erneut eine Zwangsatmung in der vorbeschriebenen 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 V₁- und mit einem voreingestellten Atemvolumen. Die Atmungsfrequenz wird automatisch gleich dem Verhältnis des Minutenvolumens V_r 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, !n diesem Falle ändert sich das integrierte Signal \(V_r — V₁) im Zeitmaß mit der spontanen Atmung des Patienten, wie es in Fig.4 dargestellt ist, d. h., der Wert des Signals fällt während der sponta-

nen Atmung des Patienten in Abhängigkeit von der spontan durch den Patienten eingeatmeten Gasmenge und steigt während der spontanen Atmungen des Patienten, wenn Vr = 0. Wenn die spontane Atmung des Patienten im Miuel nicht das Minutenvolumen entsprechend dem voreingestellten Wert des Bezugssignals V_r erreicht, steigt aber das integrierte Signal \(V_r — Vf) allmählich an und erreicht den Grenzwert C 1, wie es bei il in Fig.4 gezeigt ist. Wenn dies auftritt, sendet der Vergleichskreis 15 in der vorherbeschriebenen Weise ein Signal an die Ventilatoreinheit 3 die unter dem Einfluß dieses Signals an den Patienten eine Zwangsatmung mit dem voreingestellten Atemvolumen sendet, wodurch der Wert des integrierten Signals \(V, — Vl) auf den Wert G 3 fällt, wie es in F i g. 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 wenigei Gas einatmet, als es im Mitte! dem Bezugswert V_r entspricht, erreicht das integrierte Signal erneut allmählich den Grenzwert C 1, 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_r.

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_r 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 Vf entspricht. Unter diesen Bedingungen fällt das integrierte Signal [(V_r — VV) auf einen Wert unter den Wert G 3, wie es rechts in F i g. 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 C 1 erreicht und eine Zv/angsatmung an den Patienten geliefert wird. Dieser Nachteil kann gemäß der Erfindung dadurch ausgeschaltet werden, daß das Signal \(V_r — VV) den Begrenzerkreis 14 durchsetzt, der so ausgebildet ist, daß er das integrierte Signal begrenzt und verhindert, daß es unter einen Signalwert G 2 fällt, wie es in F i g. 4 gezeigt ist. Der Grenzwert G 2 muß so ausgewählt werden, daß er unter dem Wert G 3 liegt. Wenn das integrierte Signal den unteren Wert C 2 erreicht, und zwar aufgrund einer kräftigen spontanen Atmung durch den Patienten, was nach Fig.4 im Zeitpunkt ti auftritt, wird das integrierte Signal auf den Wert G 2 begrenzt und es wird auf diesen Wert gehalten, bis die kräftige spontane Atmung durch den Patienten aufhört und die Signaidifferenz (V₁- — Vf) erneut positiv wird, so daß das integrierte Signal J(V_r — Vf) erneut anfängt zu steigen, was in dem Beispiel nach F i g. 4 ω im Zeitpunkt 13 stattrindet.

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 plöt7'ich aufhören sollte, spontan zu atmen.

Das Problem des Keuchens bzw. nach Luftschnappens des Patientu.t, d. h. einer flachen und schnellen Atmung, wie es in der Einleitung und im Zusammenhang mit der LungenvOntilatorkonstruktionfürdie 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 \Vf, 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 Ausführiingsbeispiel 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 G 1 und dem integrierten Signal J(V_r — Vf) zu dem Zeitpunkt an/.upassen, wenn eine solche Zwangsatmung vorgenommen werden soll. Somit stellt die Vergleichsschaltung 15 diese Differenz fest und sendet ein entsprechendes Steuersignal an die Ventilatoreinheit 3. In diesem Falle 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_r 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

eines Patentansprüche: to 15 20 30

1. Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes eines Lungenventilators mit einer Atemgasquelle mit einer Vorrichtung, welche in der Lage ist, ein Volumen an Atemgas pro Zeiteinheit zu liefern, das zumindest gleich dem maximalen Volumen ist, das für die Beatmung des Patienten erforderlich sein kann, mit einer Einatmungs'eitung mit einer Vorrichtung für deren Verbindung mit den Luftwegen des Patienten, durch die der Patient spontan aus der Atemgasquelle atmen kann, mit einer mit der Atemgasquelle verbundenen Ventilatoreinheit, die zur Bewirkung einer Zwangsatmung durch ein Aktivierungssignal aktiviert werden kann, um dem Patienten über die Einatmungsleitung aus der Atemgasquelle ein bestimmbares Atemvolumen zu liefern, und mit einer Ausatmungsleitung mit einer Vorrichtung zu deren Verbindung mit den Luftwegen des Patienten, durch die dieser ausatmen kann, mit einem Strömungsmesser zum kontinuierlichen Messen der Strömungsmenge an Atemgas durch die Einatmungsleitung oder die Ausatmungsleitung, welcher ein dem Augenblickswert der Strömungsmenge proportionales Signal erzeugt, und mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines mit dem Minimalwert pro Zeiteinheit, dem sogenannten Minutenvolumen an Atemgas, das der Patient erhalten soll, in Verbindung stehenden Bezugssignals, wobc. dieses Minimalvolumen pro Zeiteinheit kleiner ist als das Volumen, das die Atemgasquelle liefern kann, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (U, 13, i6) z'-ii kontinuierlichen Errechnen des Gesamtintegrals (J(V, — Vi)) der Differenz zwischen dem Bezugssigna! (V,) und dem js Strömungsmengensignal (V₁) während der gesamten Einatmungs- und Ausatmungszyklen der Atmung des Patienten und zum Erzeugen eines diesem Integral proportionalen Signals, durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines ersten Schwellwertsignals (G 1) und durch eine Vorrichtung (15) zum Vergleiche" des Wertes dem Integral (J(K — K)) proportionalen Signals und des ersten Schwellwertsignals (G 1) und zum Erzeugen eines Aktivierungssignals zum Aktivieren der Ventilatoreinheit (3). um den Patienten jedesmai dann eine Zwangsatmung zuzuführen, wenn der Wert des dem Integral (J(K - K)) proportionalen Signals den Wert des ersten Schwellwertsignals (G 1) erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung /um Errechnen des Integrals (J(K - K)) eine Vorrichtung (16) zur kontinuierlichen Bestimmung des Gesamtintegrals des Bezugssignals (K). eine Vorrichtung (13) zum kontinuierlichen Bestimmen des Gesamtintegrals des Strömungsmengensignals (K). eine Vorrichtung (12) /um Begrenzen des letztgenannten Integrals zum Ausschalten irgendwelcher zusätzlicher Zunahmen in dem Integral, welche unter einen gegebenen Minimalwert fallen, und eine Vorrichtung (11) zum Subtrahieren des begrenzten Integrals des Strömungsmengcnsignals (K) von dem Integral des Be/.ugssignals (Vr) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines zweiten Schwellwertsignals (G 2) mit einem geringeren Wert als das erste Schwellwcrtsignal (G 1) und auch einem geringeren Wert als der Wert des

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65 dem Integral (J(V₁. - Vt)) proportionalen Signals am Ende einer Zwangsatmung und durch eine Begrenzungsschaltung (14) zum Begrenzen des Wertes des dem Integral (J(Vr- V₁)) proportionalen Signals derart, daß es nicht unter den Wert des zweiten Schwellwertsignals (G 2) abfällt

4. Vorrichtung zum Steuern des Betriebes eines Lungenventilators mit einer Atemgasquelle wit einer Vorrichtung, weiche in der Lage ist, ein Volumen an Atemgas pro Zeiteinheit zu liefern, das zumindest gleich dem maximalen Volumen ist, das für die Beatmung des Patienten erforderlich sein kann, mit einer Eiaatmungsleitung mit einer Vorrichtung für deren Verbindung mit den Luftwegen des Patienten, durch die der Patient spontan aus der Atemgasquelle atmen kann, mit einer mit der Atemgasquelle verbundenen Ventilatoreinheit. Tür die Belieferung des Patienten mit Zwangsatmungen mit einer bestimmbaren Frequenz und mit eines veränderbaren, durch die Größe eines an die Vcnlüaioreinheit gelieferten Steuersignals bestimmten Tidalvolumen durch die Einatmungsleitung und mit einer Ausatmungsleilung mit einer Vorrichtung zu deren Verbindung mit den Luftwegen des Patienten, durch die der Patient ausatmen kann, mit einem Strömungsmesser zum kontinuierlichen Messender Strömungsmenge des Atemgases durch die Einatmungsleitung oder die Ausatmungsleitung und zum Erzeugen eines dem Augenblickswert dieser Strömungsmenge proportionalen Signals und mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines mit dem Minimalvolumen pro Zeiteinheit, dem sogenannten Minuten-Volumen, an Atemgas, welches der Patient erhalten soll, in Verbindung stehenden Bezugssignals, wobei dieses Minuten-Volumen pro Zeiteinheit kleiner ist als das Volumen, das die Atemgasquclle liefern kann, gekennzeichnet d'irch eine Vorrichtung (11, 13, 16) zum kontinuierlichen Errechnen des Gesamtintegrals .-'-er Differenz /wischen dem Bezugssignal (V,) und dem Strömungsmengensignal (Vi) während der gesamten Einatmungs- und Ausatmungszyklen der Atmung des Patienten und zum Erzeugen eines diesem Integral (JfVV _ VV)) proportionalen Signals, durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Schwellwertsignals (G 1) mit einem Wert entsprechend einem von Beginn der Atmung des Patienten an größtzulässigen Defizit im Volumen des vom Patienten erhaltenen Atemgases und durch eine Vorrichtung (15) zum Vergleichen des dem Integral (J(V, - V,)) proportionalen Signals und dem Schwellwertsignal (G 1) und zum Erzeugen eines Steuersignals für die Ventilatoreinheit (3) zum Bestimmen des Tidalvolumens jeder Zwangsatmung in Abhängigkeit von der Differenz, die zwischen dem Wert des dem Integral proportionalen Signals und dem Wert des Schwellwertsignals zur Zeit jeder Zwangsatmung herrscht.