-
Lungensimulator und Betriebsverfahren hierzu
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Lungensimulator, welcher aus
einer unter Verformung von Wandteilen in ihrem Volumen veränderbaren Kammer besteht,
die mit einem bewegbaren Wandteil an eine Antriebsvorrichtung angeschlossen ist,
und bei dem zur Steuerung des von der Kammer abgegebenen Volumens und des in ihr
erzeugten Druckes in Verbindung mit der Kammer Sensoren angeordnet sind. Außerdem
werden vorteilhafte Betriebsverfahren für eine solche Vorrichtung angegeben.
-
Lungensimulatoren werden in verschiedenen Bereichen der Medizintechnik,
der Atemschutztechnik und verwandten Gebieten eingesetzt. Sie dienen beispielsweise
zur Ausbildung von technischem oder medizinischem Personal, aber auch zur Prüfung
von Beatmungsgeräten, Atemschutzgeräten und dergl. Ihr Einsatz erfolgt überall dort,
wo die mechanischen Eigenschaften der menschlichen Lunge nachgebildet werden sollen.
-
Die bekannten Lungensimulatoren gestatten die Simulation einiger Parameter
der aktiven (z.B. Atemfrequenz,Tidalvolumen) oder der passiven (z.B. Compliance,
Resistance) Lungenfunktionen.
-
Aus der DE-OS 30 49 583 ist ein Atmungssimulator bekannt, bei dem
die beiden Lungenhälften durch jeweils einen Faltenbalg nachgebildet sind. Diese
werden mittels einer auf einem elastischen Auflager aufliegenden Traverse an einer
Führungsstange geführt, wobei ein einstellbarer Antrieb für die Führungsstange vorgesehen
ist,
an deren Ende sich ein mit der Traverse über Federn verbundener Bügel befindet und
Einstellmittel für die Federspannung der Führungsstange angeordnet sind, Mit Hilfe
geeigneter pneumatischer und elektrischer Steuermittel ist es möglich, den Lungensimulator
mit vorgegebenen unterschiedlichen pneumatischen Beatmungsmustern zu beaufschlagen,
so daß verschiedene aktive und passive Beatmungsparameter simuliert werden können.
-
Die in oben genannter Offenlegungsschrift angegebene Möglichkeit einer
kombinierten Simulation aktiver und passiver Lungeneigenschaften ist in Wirklichkeit
jedoch lediglich eine maschinelle Unterstützung einer passiven Beatmung.
-
Aus der DE-OS 24 03 616 ist ein pneumatisches Meßgerät gemäß o.g.
Gattungsbegriff bekannt, mit dem Beatmungsgeräte geprüft und verglichen werden können.
-
Dieses Meßgerät kann auch als Lehrhilfe für die Ausbildung medizinischen
Fachpersonals angewendet werden.
-
Bei diesem bekannten Gerät werden die Lungenflügel ebenfalls durch
je einen zwischen einer stationären Abdeckplatte und einer schwenkbaren Abdeckplatte
befindlichen Faltenbalg simuliert. An der schwenkbaren Abdeckplatte sind Anzeigeeinrichtungen
für die Ablesung des Volumens und des Druckes im Faltenbalg vorgesehen. Die Abdeckplatten
sind einseitig durch eine Zugfeder miteinander verbunden, wobei durch stufenloses
Verschieben der Angriffspunkte dieser Federn die hierdurch nachgebildete Compliance
verändert werden kann.
-
Um zu verhindern, daß sich der Faltenbalg während des Aufblasens seitlich
ausbaucht, sind um die äußeren Knicklinien-der Falten Drähte gewickelt. Mit einem
solchen Prüfgerät können jedoch nur passive Lungenfunktionen simuliert werden.
-
Bei den bekannten Meß- und Prüfgeräten werden zur Nachbildung der
menschlichen Lunge Faltenbälge aus dehnbarem Gummimaterial benutzt, welche bei den
für Prüfzwecke notwendigen Beatmungsdrücken eine nicht vernachlässigbare Eigendehnbarkeit
besitzen, wodurch keine lineare Beziehung zwischen dem vom Faltenbalg geförderten
Volumen und im Faltenbalg erzeugten Förderdruck hergestellt werden kann. Ein solcher
linearer Zusammenhang zwischen der Volumenänderung und Druckänderung ist jedoch
Voraussetzung für eine exakt durchführbare Regelung, die mit Hilfe einfacher elektronischer
Bauelemente aufgebaut werden kann.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, einen Lungensimulator
zu schaffen, welcher hinsichtlich der verschiedensten Beatmungsmuster mit einfachen
Steuermitteln steuerbar ist, und der außerdem ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand
eine genaue trägheitsarme Nachbildung verschiedener mechanischer Lungeneigenschaften
ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wandteile der Kammer derart
dehnungsfrei ausgebildet sind, daß einer Verschiebung des bewegbaren Wandteiles
um die Strecken seine proportionale Änderung des Volumens um den Betrag 4V entspricht,
und daß an dem bewegbaren Wandteil ein Wegsensor vorgesehen ist, welcher in Verbindung
mit dem Drucksensor die Antriebsvorrichtung steuert.
-
Ein zur Regelung geeignetes Betriebsverfahren ist dadurch bestimmt,
daß das ein vorgegebenes Atemmuster erzeugende elektrische Signal U (t) als Sollwert
mit der Position X (t) der bewegbaren Wandkammer als Istwert verglichen wird, und
die Antriebsvorrichtung durch diese Regelabweichung derart gesteuert wird, daß die
Differenz zwischen Sollwert und Istwert ein Minimum wird.
-
Statt des elektrischen Signals U (t) kann auch der im Innenraum der
Kammer erzeugte Druck P als Sollwert mit dem Istwert X (t) verglichen werden.
-
Durch den linearen Zusammenhang zwischen dem Weg des Wandteils und
der Änderung des Volumens lassen sich vorgegebene Beatmungsmuster exakt nachbilden.
Die Ausbildung der Kammer kann dabei in verschiedener Weise unter Benutzung starrer
bzw. elastischer Wandteile vorgesehen sein. So sind beispielsweise zylindergeführte
Kolben und schalenartig ineinandergreifende Hohlzylinder möglich. Wenn teilweise
elastische Wandteile angewendet werden, muß dafür gesorgt werden, daß bei den gegebenen
Drücken keine nichtlineare Verformung eintritt. Dies wird bei der Ausbildung der
Kammer als Faltenbalg aus gummielastischem Material dadurch erreicht, daß der Werkstoff
des Faltenbalges mit vernachlässigbarer Materialdehnbarkeit, z.B. durch Stützeinlagen
aus Textil- oder Metallgeweben verstärkt ist.
-
Die durch die Verschiebung Lls s erzeugte Druckänderung wird im wesentlichen
durch die Dichte-Änderung des in der Kammer befindlichen Gases bewirkt. Damit werden
die in einem Lungensimulator bestimmten Parameter auf die linear voneinander abhängigen
Größen Wegänderung i s des beweglichen Wandteils der Kammer und Druckänderung
P
P imi?n Innenraum der Kammer zurückgeführt, die sich in beson#ders vorteilhafter
Weise zur Steuerung der an dem bewegbaren Wandteil angeschlossenen Antriebsvorrichtung
eignen.
-
Eine weitere-vorteílhafte Ausbildung des verstärkten Faltenbalges
kann dadurch erreicht werden, daß zu seiner weiteren Versteifung in die Mehrzahl
der inneren und äußeren Knickkanten des Faltenbalges ringförmige federelastische
Versteifungselemente eingelegt sind.
-
Die in die Knickkanten eingelegten Versteifungselemente besitzen den
Vorteil, daß der Faltenbalg sowohl bei einer Ausdehnung als auch bei einer Zusammenziehung
der Kammer exakt geführt und ein mögliches Ausbuchten der Innenkanten bei einem
Überdruck in der Kammer, oder ein Einbuchten der Außenkanten bei einem Unterdruck
in der Kammer verhindert wird. Zusätzlich sorgen die Versteifungselemente für eine
Erhöhung der materialeigenen Steifigkeit des Faltenbalges.
-
Zweckmäßigerweise erfolgt der Antrieb des beweglichen Wandteils der
Kammer durch einen in seiner Drehrichtung steuerbaren Folgeantrieb. Hierbei sind
die verschiedensten an sich bekannten Antriebe verwendbar, welche ausgehend von
einer Steuergröße eine ihr direkt proportionale Drehbewegung auslösen, und somit
der Steuergröße exakt folgen. Der Folgeantrieb kann vorteilhaft als über einen Vierquadrantenverstärker
gesteuerter Scheibenläufermotor ausgebildet sein, welcher über einen Zahnriemen
mit einer Antriebsspindel verbunden ist, die an dem bewegbaren Wandteil der Kammer
angreift.
-
Dadurch wird die für die Verschiebung des bewegbaren Wandteils notwendige
Genauigkeit erreicht, da durch den praktisch spielfreien Spindelantrieb die Bewegung
des
Wandteils der vorgegebenen Steuergröße genau folgt, und wegen
der ausdehnungsfreien Wandteile der Kammer eine streu proportionale Volumenänderung
bzw. Druckänderung herbeiführt. Ein weiterer Vorteil dieser Antriebsvorrichtung
besteht in den ausgezeichneten dynamischen Eigenschaften, da die zu beschleunigenden
Massen klein sind, und da ein Scheibenläufermotor sehr große Impulsdrehmomente erzeugen
kann. Dadurch sind hohe#Beschleunigungs- u. Verzögerungswege des bewegbaren Wandteiles
der Kammer möglich. Insgesamt läßt sich dadurch eine direkte Kopplung zwischen Wegänderungssignal
und Druckänderungssignal erreichen.
-
Durch die lineare Beziehung zwischen der Wegverschiebung des bewegbaren
Wandteils um die Strecke d s und der durch die Bewegung erzeugten Druckänderung2
P ist es möglich, mit Hilfe dieser beiden Größen die Antriebsvorrichtung nach beliebig
vorgebbaren Beatmungsmusterfunktionen zu steuern. Zu diesem Zweck wird das nachzubildende
Beatmungsmuster V (t) vorteilhaft in ein elektrisches Signal U (t) umgewandelt,
welches als Istwert mit dem vom Wegsensor geliefertensollwert verglichen, und die
daraus resultierende Regelabweichung einem Vierquadrantenverstärker zugeführt wird,
welcher den Scheibenläufermotor derart steuert, daß die Positionierung des bewegbaren
Wandteils der Kammer dem vorgegebenen Sollwert so lange nachgefahren wird, bis die
gemessene Regelabweichung ein Minimum wird.
-
Ein mit diesem Betriebsverfahren arbeitender Lungensimulator kann
zur Nachahmung aktiver Lungeneigenschaften eingesetzt werden.
-
In einem weiteren zweckmäßigen Betriebsverfahren zu Simulation der
passiven Lungeneigenschaften wird als Sollgröße der in der Kammer erzeugte Druck
mit dem Istwert
der Position des bewegbaren Wandteiles der Kammer
verglichen, und die daraus resultierende Regelabweichung dient zur Ansteuerung der
Antriebsvorrichtung in der Weise, daß ein definierter Druckwert als Minimum der
Regelabweichung erreicht wird. Zu jeder Zeit, insbesondere im Verlaufe eines Atemhubes,
kann die gewünschte Compliance durch stufenlose Variation eines zwischen dem Drucksensor
und dem Eingang des Verstärkers angebrachten Widerstandes verändert werden. Da die
Volumen-Druckbeziehung innerhalb der Kammer linear ist, verhält sich die Compliance
ebenfalls linear, so daß eine Variation der Compliance durch eine lineare Verstärkung
bzw. Abschwächung des Drucksignals erreicht werden kann.
-
Die Betriebsverfahren zur Simulation aktiver und passiver Lungenfunktionen
können in einfacher und zweckmäßiger Weise kombiniert werden, um eine voneinander
unabhängige Überlagerung aktiver und passiver Lungenfunktionen zu simulieren. Dazu
ist es lediglich notwendig, in einer zweistufigen Verstärkerschaltung zunächst das
aufgeprägte Beatmungsprofil in Form des elektrischen Signals U (t) mit dem gemessenen
Drucksignal P zu überlagern, dieses resultierende Signal als Sollwert mit dem gemessenen
Weg-Signal X als Istwert zu vergleichen, und durch die so gewonnene Regelabweichung
den Scheibenläufermotor derart zu steuern, daß die Abweichung zwischen Sollwert
und Istwert ein Minimum erreicht. Durch eine solche Anordnung läßt sich einer physiologischen
Situation Rechnung tragen, bei der zusätzlich zu dem durch das Beatmungsmuster vorgegebenen
Druckanstieg während des aktiven Atemhubes eine von außen initiierte Druckänderung
eintritt, die dann durch eine angepaßte Volumenänderung unter Beibehaltung der eingestellten
Compliance ausgeglichen werden kann. Der aktiv arbeitende Lungensimulator kann auf
diese Weise auch auf
äußere Einflüsse unter Beibehaltung der einmal
vorgegebenen Beatmungsprofile und Druckwerte reagieren.
-
Für die Praxis bedeutet des beispielsweise , daß dadurch eine weiche
Ankopplung des Lungensímulators an ein zu prüfendes Gerät erzielt wird.
-
Die angegebenen Betriebsverfahren ermöglichen es, den Lungensimulator
auch dafür einzusetzen,mögliche Leckagen angeschlossener Geräte zu überprüfen. Dazu
wird der Prüfling an den Lungensimulator angeschlossen, welcher durch Verschieben
des beweglichen Wandteils einen bestimmten Druck innerhalb der Kammer aufbaut, der
sich in das angeschlossene, gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedichtete zu überprüfende
Gerät fortsetzt. Der für die Erzeugung des Druckes notwendige zurückgelegte Weg
des beweglichen Wandteils wird gemessen. Besitzt der Prüfling keine Leckage, wird
sich der eingestellte Druck halten.
-
Anderenfalls wird, entsprechend der Leckagegröße, Gas aus der Kammer
entweichen, und die bewegliche Wandseite muß, um den Druck aufrecht zu erhalten,
um eine bestimmte Wegstrecke nachgefahren werden. Diese Wegstrecke wird gemessen,
und ihre Größe ist ein Maß für das Ausmaß der Leckage.
-
Eine Leckageüberprüfung kann jedoch auch dann erfolgen, während mit
dem Lungensimulator periodische Atemhübe simuliert werden. Beim Wechsel von Inspirationsphase
zu Exspirationsphase tritt im Umkehrpunkt des beweglichen Wandteils eine Ruhestellung
ein. Der Weg X1 dieser Ruhestellung des ersten Atemhubes wird gemessen und mit dem
Wert X2 des nachfolgenden Atemhubes verglichen. Weichen beide Werte voneinander
ab, besitzt das angeschlossene System eine Leckage, deren Größe dem Unterschied
beider gemessener Werte X1, X2 proportional ist.
-
Ein Lungensimulator in der erfindungsgemäßen Ausbildung kann unter
Verwendung bekannter Anschlußelemente auch als Beatmungsgerät eingesetzt werden.
Für diesen Zweck stellt sich die Eigenschaft des aktiv arbeitenden Lungensimulators,
nach beliebig vorgebbaren Atemmuster U (t) angesteuert zu werden, als besonders
vorteilhaft heraus. Sind nämlich die vorher mit anderen Mitteln aufgenommenen physiologischen
Lungeneigenschaften des zu Beatmenden in Form eines ihm eigenen Atemprofils mit
Hilfe bekannter Datenträger gespeichert, kann diesesAtemprofil als Sollwertsignal
U (t) in den Regelkreis des Lungensimulators eingegeben werden. Dadurch wird eine
besonders wirksame aktive Beatmung bei vollständiger Anpassung des Beatmungsgerätes
an den physiologischen Zustand des zu Beatmenden erreicht.
-
Bei einer überlagerten aktiven/passiven Beatmung ermöglicht die weiche
Ankopplung des Beatmungsgerätes an den zu Beatmenden eine selbständige Anpassung
der Beatmung an eventuelle Eigen-Atmungsaktivitäten des zu Beatmenden.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung
des Lungens imula tors, Fig. 2 die Schaltungsanordnung für ein Betriebsverfahren
zur aktiven Beatmung sowie zu passiven Beatmung, Fig. 3 eine Schaltungsanordnung
zur überlagerten aktiven und passiven Beatmung, Fig. 4 den linearen Zusammenhang
zwischen Volumenänderung d V und DruckänderungiX L#lr P.
-
In der Figur 1 ist eine Kammer 2 dargestellt, welche eine als Faltenbalg
7 autgebildete verschiebbare Mantelfläche aufweist, und die an ihrer eine Seite
mit einem feststehenden Wandteil 6 und auf ihrer anderen Seite mit einem beweglichen
Wandteil 1 abgeschlossen ist. Das gummielastische Material des Faltenbalges 7 ist
mit einer Stützeinlage 8 aus Textil- oder Metallgewebe verstärkt. Zur weiteren Versteifung
der Mantelfläche sind in der Mehrzahl der inneren und äußeren Knickkanten 9, 11
der Falten ringförmige, federelastische Versteifungselemente lo, 12 angeordnet.
-
An dem beweglichen Wandteil 1 ist eine Hülse 16 befestigt, in der
eine von der Spindel 15 mitgenommene Spindelmutter 19 angebracht ist.
-
Eine Drehbewegung, die der Scheibenläufermotor 13 durch eine beliebige
Drehung in Richtung des Pfeiles 17 mittels des Zahnriemens 14 auf die Spindel 15
überträgt, wird somit in eine lineare Verschiebung A S des beweglichen -Wandteils
1 umgesetzt.
-
Dieser Verschiebung iX s wird von einer ebenfalls am beweglichen Wand
teil 1 besfestigten Führungsstange 5 in den Wegaufnehmer 18 übertragen. Dieser gibt
ein der Ver-Schiebung proportionales Wegsignal X (t) über die Leitung 24 ab.
-
An dem feststehenden Wandteil 6 des Faltenbalges 7 ist ein Drucksensor
3 angebracht, der den im Innenraum der Kammer 2 herrschenden Druck mißt, und ein
entsprechendes elektrisches Signal P (t) über die Leitung 28 abgibt.
-
Außerdem ist ein Anschlußstutzen 4 vorgesehen, der eine Verbindung
zwischen dem Innenraum der Kammer 2 und einem anzuschließenden, nicht dargestellten
Beatmungsgerät oder dergleichen herstellt.
-
Die Kammer #2, an deren beweglichen Wandteil 1 der Wegaufnehmer 18
mit seiner Führungsstange 5 befestigt ist, und die Hülse 16 der Spindel 15 sind
in geeigneter Weise mit bekannten, nicht dargestellten Befestigungselementen gegenüber
der Antriebsvorrichtung 44 verdrehsicher angeordnet.
-
In der Schaltanordnung nach Fig. 2 werden die Eingangsgrößen, gebildet
von der Signalguelle 42 zur Erzeugung des Atemmusters, von dem Wegaufnehmer 18 und
dem Druckaufnehmer 3, zu einem Steuersignal für die Simulation von aktiver bzw.
passiver Beatmung verarbeitet.
-
Zur Simulation einer aktiven Beatmung (Schalter 30 in Schaltstellung
a) ist durch den Schalter 30 die Signalquelle 42 über die Leitungen 20,21 mit dem
Eingang 22 eines Verstärkers 23, und der Wegaufnehmer 18 über die Leitung 24 mit
dem Eingang 25 des Verstärkers 23 verbunden. Das Signal am Eingang 22 wird als Sollwert
mit dem Signal am Eingang 25 als Istwert verglichen und bei einer Differenz beider
Signale ein Ausgangssignal erzeugt, welches, verstärkt durch den Vierquadrantenverstärker
27, über die Verbindungsleitung 43 dem Scheibenläufermotor 13 zugeführt wird. Dieser
wird zu einer Drehbewegung veranlaßt, die das bewegliche Wandteil 1 der Kammer 2
um einen solchen Betrag A s verschiebt, bis die Differenz zwischen den Eingangssignalen
zu einem Minimum wird.
-
Zur Simulation einer passiven Beatmung (Schalter 30 in Schaltstellung
b) wird eine Verbindung zwischen Druckaufnehmer 3 und Eingang 22 des Verstärkers
23 über die Leiungen 28,29,21 hergestellt. Innerhalb dieses Leitungsverlaufes 28,29
ist ein Einstellwiderstand 31 in Potentiometerschaltung angeordnet, mit dem das
Drucksignal aus dem Druckaufnehmer 3 verstärkt oder abge-
schwächt
werden kann. Das am Eingang 22 anstehende Drucksignal wird als Sollwert mit dem
am Eingang 25 anstehenden Wegsågnal als Istwert verglichen. Bei einer Differenz
beider Signale wird ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Scheibenläufermotor
13 so lange zu einer Drehbewegung veranlaßt, bis die Differenz zwischen Sollwert
und Istwert ein Minimum aufweist.
-
Wegen des linearen Zusammenhanges zwischen Volumenänderung d V und
Druckänderung a P können als Komponenten der Steuervorrichtung linear arbeitende
Bauteile benutzt werden, wodurch ein sehr einfacher, zuverlässiger und preisgünstiger
elektronischer Regelkreis zur Steuerung der Antriebsvorrichtung aufgebaut werden
kann.
-
In Fig. 3 ist eine zweistufige Verstärkerschaltung dargestellt, mit
der eine kombinierte Simulation von aktiven und passiven Lungeneigenschaften erzielt
werden kann.
-
Die Signalquelle 42 liefert das dem gewünschten Atmungsprofil entsprechende
elektrische Signal über die Leitung 32 in den Eingang 33 eines ersten Verstärkers
36. Das vom Druckaufnehmer gemessene Drucksignal im Innenraum der Kammer 2 wird
über die Leitung 34 dem Eingang 35 desselben Verstärkers 36 zugeführt, und beide
Signale überlagert. Das Ausgangssignal wird als Sollwert über die Leitung 37 dem
Eingang 38 des Verstärkers 39 zugeführt und mit dem am zweiten Eingang 40 des Verstärkers
39 anstehenden Wegsignals aus dem Wegaufnehmer 18 als Istwert verglichen. Bei einer
Abweichung zwischen Istwert und Sollwert wird am Ausgang des Verstärkers 39 über
die Leitung 26 ein entsprechendes Differenzsignal
an dem Vierquadrantenverstärker
27 abgegeben, der über eine Leitung 43 den Sch#eibenläufermotor 13 ansteuert, der
daraufhin eine solche Drehbewegung ausführt, daß die Differenz zwischen dem Sollwert
am Eingang 38 und dem Istwert am Eingang 40 des Verstärkers 39 ein Minimum wird.
-
In Fig. 4 ist ein Diagramm dargestellt, welches den linearen Zusammenhang
zwischen einer durch die Verschiebung a s erzeugten Volumenänderung d V und dem
im Innenraum der Kammer 2 erzeugten Druckänderung A P wiedergibt. Die unterschiedliche
Steigung der verschiedenen Geraden ergibt sich aus den verschiedenen Compliance-Werten,
die mit Hilfe des variablen, linearen Widerstandes 31 eingestellt werden können,
und die mit den entsprechenden Ziffern an den Geraden angegeben sind. Aus der dargestellten
Figur ist erkennbar, daß sich das Verhältnis zwischen Volumenänderung und Druckänderung
in einem sehr weiten Bereich linear verhält, wie-dies für viele Anwendungsfälle,
wie z.B.
-
für eine funktionsgerechte Überprüfung von Beatmungsgeräten, notwendig
ist.