DE3706559C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Überwachung der bei der Narkose einzuhaltenden Parameter - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Messung und Überwachung der bei der Narkose einzuhaltenden, sowohl die Spontanatmung als auch die Beatmung der narkoti­ sierten Person betreffenden Parameter in einem halb­ geschlossenen System und umfaßt eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Es sind im Stand der Technik Narkosebeatmungssysteme bekannt, so z. B. aus der DE-OS 29 45 485 und aus der DE-OS 30 23 095. Mit der aus der DE-OS 29 45 485 bekannten Vorrichtung ist auch eine Spontanatmung möglich. Das dort integrierte Meßsystem wird benutzt, um die Beatmungsgrößen, die durch die Maschine vorge­ geben werden, zu kontrollieren und dadurch die Beatmung zu steuern. Die patienteneigenen Paramter wie z. B. das Zugvolumen, das Minutenvolumen, das Atemzeitver­ hältnis etc. können mit Hilfe des bekannten Systems nicht bestimmt werden.

Das gleiche gilt für das aus der DE-OS 30 23 095 be­ kannte System. Bei diesem System ist der Strömungsmesser ein integrierter Teil des Beatmungsgeräts und zwar ein unverzichtbarer Teil. Er wird nicht zur Messung und Anzeige des Zugvolumens oder des Minutenvolumens ein­ gesetzt. Es handelt sich daher nicht um ein geräteun­ abhängiges Meßsystem, sondern um ein integriertes Kontrollsystem.

Es sind zwar aus der Fachliteratur Verfahren und auch Vorrichtungen zur Erfassung z. B. der Atemstromkurve bei einem narkotisierten Erwachsenen bekannt. In diesem Zusammenhang wird auf die als Fleischkopf be­ kannte Vorrichtung verwiesen. Bei dem relativ großen Atemgasdurchsatz eines Erwachsenen sind diese Verfahren ausreichend genau, so daß kleine Fehlmessungen nicht ins Gewicht fallen.

Diese groben Meßmethoden sind jedoch bei Frühgeborenen, Neugeborenen, Säuglingen bzw. Kleinkindern nicht ohne weiteres anzuwenden, da bei der Narkose dieses Personenkreises mit z. T. extrem kleinen Atemgasmengen gearbeitet werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu führen, daß die Spontanatmung und die Beatmung von Frühgebo­ renen, Neugeborenen, Säuglingen und Kleinkindern exakt überwacht werden kann, ohne durch die Überwa­ chung störend in das System einzugreifen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Mit Hilfe des Verfahrens ist es möglich, Inspiration und Expiration bzw. Inspiration oder Expiration ge­ trennt voneinander zu messen. Dadurch, daß Inspi­ ration und Expiration getrennt und patientenfern gemessen werden, ergibt sich im System keine Totraum­ vergrößerung. Ebenso bleibt der Strömungswiderstand im Beatmungssystem bei Werten, die eine Störung des Durchflusses des bei dem hier angesprochenen Patientenkreis geringen Atemgasvolumens ausschließen.

Obwohl als Meßmethode z. B. die Fleischkopftechnik in Frage kommt, wird erfindungsgemäß die Hitzdraht­ anemometrie vorgezogen. Die Hitzdrahtanemometrie ist die einzige Methode, die keine Veränderung des Strömungswiderstandes über den gesamten physiolo­ gischen Bereich des maximalen Volumenstromes während der Atemphase bei Frühgeborenen bis zum Kleinkind hervorruft (zwischen 15 ml/sec. und 450 ml/sec.). Die Fleischkopftechnik kann nur für sehr enge Bereiche der maximalen Strömung widerstandsarm eingerichtet werden, so daß trotz prinzipieller Eignung das Gesamtsystem auf enge Altersstufen eingeschränkt bleibt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können sowohl das Zugvolumen, das Minutenvolumen, die maximale Strömung und die Atemstromkurve bestimmt werden. Ferner ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, Korrekturen, die durch unter­ schiedliche Körpergrößen bzw. Körpergewichte des jeweiligen Patienten bedingt sind oder durch unter­ schiedliche Gasgemische, durchzuführen.

Die Hitzdrahtanemometrie basiert auf dem Kühlungs­ effekt durch den Gasstrom auf den geheizten Drähten. Der Energiebedarf, der erforderlich ist, um die Drähte auf einer konstanten Temperatur zu halten, ist dabei mit dem Volumenstrom des Atemgases korreliert. Bei großen Strömen, wie bei Erwachsenen, ist der hauptsächliche physikalische Effekt der des Wärmetransports durch Konvektion. Bei sehr kleinen Strömen treten verschiedene Effekte auf, die das Meßsignal beeinflussen:

• 1. Es tritt ein thermischer Fluß auf, welcher das Ergebnis des in unmittelbarer Nachbarschaft des heißen Drahtes aufgeheizten Gases ist. Daraus ergibt sich ein Signal, obwohl dieser thermische Fluß senkrecht zum Atemgasstrom gerichtet ist.
• 2. Ferner ändert sich die Physik des Gasstromes, wie z. B, seine Dichte, die Viskosität, die Leitfähigkeit und die spezifische Wärmekapa­ zität, die sich durch Änderung von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit sowie durch die Verände­ rung des Gasgemisches zwischen Inspiration und Expiration ergeben.

Um ein genaues Meßergebnis zu erhalten, müssen diese Veränderungen und die Nebeneffekte berücksichtigt werden. Hierzu gehört auch die Berücksichtigung der Kompressibilität der Gase bzw. das Ausmaß des druckabhängigen Gasvolumens im System zwischen inspiratorischem und expiratorischem Ventil.

Aus diesem Grunde werden alle diese physi­ kalischen Größen überwacht und über einen Analog­ digitalwandler einem Rechner zugeführt, welcher mit Hilfe einer speziellen Software aus den an­ gelieferten Rohwerten einen in engen Fehlergrenzen exakten Meßwert liefert.

Dabei wird ausgenutzt, daß die Hitzdrahtanemometrie in Konstant-Temperatur-Technik ein hohes Auflösungs­ vermögen hat und ihre Empfindlichkeit gerade bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Gegensatz zu anderen Meßgeräten größer ist als bei hohen. Die einzige Schwierigkeit hierbei ist, daß bei der Hitzdrahtanemometrie in Konstant-Temperatur- Technik die dem Hitzdraht zugeführte Energie der Strömung nicht direkt proportional ist; d. h. daß die Eichkurve des Hitzdrahtanemometeroutputs in ihrer Abhängigkeit zur Strömungsgeschwindigkeit nicht linear ist. Diese Schwierigkeit läßt sich jedoch leicht beseitigen, indem für jeden Hitz­ draht eine spezielle Kalibrierkurve erstellt wird.

Die Atemgastemperatur ist weder inspiratorisch noch expiratorisch konstant (z. B. bei Änderung der Außentemperatur, Heizen des inspiratorischen Gasgemisches, Temperaturänderung des Patienten u. ä.). Diese Temperaturdifferenzen liegen üblicher­ weise in Bereichen, die 10 Grad C nicht über­ schreiten. Für die Hitzdrahtanemo­ metrie in Konstant-Temperatur-Technik ergibt sich daraus im Gegensatz zur Konstant-Strom-Technik der Vorteil, daß sich durch Messung der Fluidtempe­ ratur das Spannungssignal rechnerisch korrigieren läßt und über die zu ermittelnde spezielle Eich­ kurve der Volumenstrom ermitteln läßt. Die Temperatur der Gase wird dabei mit Hilfe von zwei Termistoren gemessen. Die inspiratorische Temperatur wird im Gehäuse des im Inspirationszweig angeordneten Ventils gemessen, während die expiratorische in der Mitte des den Expirationszweig bildenden Schlauches ungefähr 3 cm vor dem Hitzdraht gemessen wird. Hinter dem im Inspirationszweig angeordneten Ventil kann ein Kanal angeordnet sein, welcher mit einem Manometer zur Druckmessung verbunden ist.

Die Hitzdrähte bestehen aus Platin. Sie können jeweils zu zweit kreuzweise über den gesamten Durchmesser der Gasströmung gespannt sein. Ein elek­ tronischer Regler hält die Drähte auf einer konstanten Temperatur von z. B. 227,3 Grad C. Die Anemometer, die Temperatur- und Druckmeßsysteme sind mit dem Rechner über den A-D-Wandler ver­ bunden. Dieses System liefert folgende Informationen: Die Atemstromkurve, das Atemzug­ volumen, das Atemminutenvolumen, die maximale Strömung, jeweils getrennt für Inspiration und Expiration. Eine Korrektur durch den Rechner ist auch deshalb notwendig, weil die Ventil­ funktion besonders in der Übergangsphase von Inspiration zu Expiration und umgekehrt nicht derart gesichert ist, daß keine Leckströme auftreten, weil z. B. beide Ventile gleichzeitig geöffnet sind.

Daher arbeitet der Rechner in folgender Weise:

• 1. Speicherung der Rohdaten.
• 2. Definition des Anfangs und des Endes von Inspiration und Expiration.
• 3. Definition der Anzahl der Atmungen während einer vorbestimmten Zeit.
• 4. Berechnung der Atemfrequenz.
• 5. Berechnung des Strömungsvolumens.
• 6. Korrektur der berechneten Werte in Abhängigkeit von a) dem jeweiligen Gasgemisch, b) der Tem­ peratur, c) dem Druck während der Atmungszyklen, d) der Feuchtigkeit und e) des atmosphärischen Drucks und
• 7. Anzeige bzw. Ausdruck der ermittelten Werte.

Gemäß einem Unteranspruch ist vorgesehen, daß gleichzeitig die Sauerstoffkonzentration, z. B. mit paramagnetischer Messung, in den beiden Zweigen gemessen wird. Dadurch kann die Sauer­ stoffaufnahme des Patienten ermittelt werden.

Ein deutlich vereinfachtes System zur Messung der Atemstromkurve kann angeboten werden, wenn auf das expiratorische Signal verzichtet wird. Diese Vereinfachung ist sinnvoll, da das Expi­ rationsgas physiologisch bedingten Änderungen der Zusammensetzung unterliegt. Daher vereinfacht sich bei Beschränkung auf die inspiratorische Volumenmessung der hierzu notwendige Rechenauf­ wand.

Ebenfalls eine Verringerung des Rechenaufwandes ergibt sich, wenn lediglich die maximale Strömung gemessen wird. Es hat sich herausgestellt, daß unter Spontanatmung zwischen der maximalen Strömung und dem Atemminutenvolumen eine statistisch gesicherte Korrelation besteht. So ist es mit Hilfe der Messung der maximalen Strömung möglich, das Atemminutenvolumen zu errechnen. Dabei macht man sich den Vorteil zunutze, daß physiologischerweise die maximale Strömung in Bereichen liegt, in denen die rech­ nerische Berücksichtigung des nichtlinearen Zusammen­ hanges zwischen niedriger Strömung und dem ane­ mometrischen Meßsignal weitgehend entfällt, mit anderen Worten zu einem Zeitpunkt, bei dem das Meßsignal weit über dem Grundrauschen liegt.

Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Anemometrie liegt darin, daß bei Atemstillstand das anemome­ trische Meßsignal die intrathorakale Volumenver­ schiebung als Folge der Herzaktion anzeigt. Gegebenenfalls kann daraus das Herzzeitvolumen ermittelt werden, soweit sich die intrathorakale Volumenverschiebung mit dem Herzschlagvolumen korrelieren läßt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematischer Aufbau der Vorrichtung,

Fig. 2 schematische Darstellung der Position der Hitzdrahtmeßköpfe im halbgeschlossenen System,

In der Fig. 1 ist schematisch dargestellt, daß die Vorrichtung aus einem Inspirationszweig (1) und getrennt davon einem Expirationszweig (2) besteht. In dem Inspirationszweig sind ein Hitzdrahtanemometer (3) ein Manometer (4) und ein Thermometer (5) angeordnet, während im Expirationszweig (2) nur ein Hitzdrahtanemometer (6) und ein Thermometer (7) angeordnet sind. Die von den Thermometern (5 u. 7) und vom Mano­ meter (4) ermittelten Meßwerte werden direkt einem Analogdigitalwandler (8) zugeführt, während die von den Anemometern (3 u. 6) ermittelten Meßwerte erst über ein Frequenzfilter (9) dem Analogdigitalwandler (8) zugeführt werden. Der Übersichtlichkeit halber sind in der Zeichnung 1 die notwendigen aber geläufigen Verstärker nicht dargestellt. Die digitalen Signale werden vom Analogdigitalwandler einem Rechner (10) zugeführt, der die von den Anemometern (3 u. 6) ermittelten Meßwerte unter Berücksichtigung der Temperatur- und Druckwerte korrigiert und auf einem Terminal, Schreiber oder Plotter anzeigt. Die ermittelten korrigierten Meßwerte werden darüberhinaus gespeichert.

In der Fig. 2 sind Expirationszweig (2) und Inspirationszweig (1) in abgebrochener Darstellung schematisch dargestellt. Der Expirationszweig (2) und der Inspirationszweig (1) werden von je einem Schlauch gebildet, die an den beiden Stutzen (11 u. 12) eines Y-Konnektors (13) angeschlossen sind. Der Steg des Y-Konnektors wird von einem Stutzen (14) gebildet, an dem ein als Schlauch ausgebildeter Tubus bzw. eine Atemmaske ange­ schlossen ist. Die Schläuche des Expirations­ zweigs (2) und des Inspirationszweigs (1) führen zu Hitzdrahtanemometern (15 u. 16), denen jeweils ein Ventil (17, 18) nachgeschaltet ist, derart, daß das Inspirationsanemometer (15) in Strömungs­ richtung hinter dem Ventil (17) und das Expirations­ anemometer (16) in Strömungsrichtung vor dem Ventil (18) angeordnet ist. Die Ventile (17 u. 18) öffnen dabei gegensinnig. In der Fig. 2 ist die Plazierung des Manometers (4) bzw. der Thermometer (5 u. 7) nicht dargestellt. Die letzteren können entweder als getrennte Meßfühler in Strömungsrich­ tung jeweils vor dem inspiratorischen bzw. expirato­ rischen Hitzdraht angebracht werden, oder die Ver­ wendung eines Anemometers mit je zwei parallelen Hitzdrähten gestattet die gleichzeitige Messung des Volumenstromes und der Temperatur. Diese Art der Anordnung der Hitzdrähte ist auch deshalb ratsam, weil das Profil des Gasstroms am Meßort immer inhomogen ist. Dieses inhomogene Profil wird dabei überlappt von den beschleunigten und abgebremsten Gasströmen während der verschiedenen Atmungsphasen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft folgendermaßen ab: In das System wird Atemluft eingebracht, die durch einen nicht dargestellten CO₂- Absorber und das Ventil (17) in den Inspirations­ zweig (1) gelangt. Dabei strömt das Gas an den Hitzdrähten des Hitzdrahtanemometers (15) vorbei und kühlt diese ab. Den Hitzdrähten muß Energie zugeführt werden, um den Temperaturabfall wieder auszugleichen. Die zugeführte Energie ist dabei der Strömung proportional und kann als Meßwert abgegriffen werden und dem Analogdigitalwandler (8) zugeführt werden. Die Atemluft gelangt über den Y-Konnektor (13) in die Lunge und von dort beim Ausatmen wiederum über den Y-Konnektor (13) in den Expirationszweig (2), wo die ausgeatmete Luft an den Hitzdrähten des Hitzdrahtanemometers (16) vorbeiströmt und diese ebenfalls abkühlt. Die Temperaturkompensation liefert das Vergleichs­ signal, welches ebenfalls dem Analogdigitalwandler zugeführt wird. Beide Signale werden daraufhin dem Rechner (10) eingegeben, der unter Berück­ sichtigung des aktuellen Drucks im Inspirations­ zweig (1) und der Temperatur in beiden Zweigen (1 u. 2) sowie der Stoffwertedichte, Wärmekapa­ zität, Feuchtigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Viskosi­ tät den korrigierten Meßwert liefert und anzeigt. Bei der Korrektur des Meßwertes muß folgendes noch berücksichtigt werden: Der Hitzdraht kann nicht unterscheiden, in welcher Richtung das Gas fließt, da jede Strömung den Hitzdraht herunterkühlt. Wenn das Expirationsventil öffnet während das Inspirations­ ventil noch nicht geschlossen ist und umgekehrt, geben beide Drähte ein Signal. Das ist die normale Situation unter den Umständen schneller Atmung bei Neugeborenen und Kleinkindern. Daneben kann es geschehen, daß eins oder auch beide Ventile nicht gänzlich geschlossen sind. Das hat zur Folge, daß der Computer Rohwerte speichert, die über den gesamten Atmungszyklus für beide Hitzdrähte von null verschieden sind. Aus diesem Grund kann der Rechner nicht entscheiden, wann die Inspiration oder die Expiration beginnt bzw. endet. Daher ist es notwendig, eine mathematische Korrektur anzubringen. Hierzu verbindet der Rechner den maximalen Anstieg der einen Strömung mit dem maximalen Abfall der anderen. Die Ver­ bindungslinie zwischen diesen beiden Punkten kreuzt die Nullinie. Dieser berechnete Punkt definiert den Augenblick, wenn Inspiration in Expiration übergeht und umgekehrt. Der dabei auftretende Fehler ist jedoch so gering, daß er nicht wesentlich vom Standardfehler des Meßsystems abweicht. Auf diese Weise ist es dem System möglich, die Atemstromkurve, das Atemzugvolumen, das Atemminutenvolumen, die maximale Strömung, jeweils getrennt für Inspiration und Expiration zu ermitteln. Insofern ist es geeignet zur wissen­ schaftlichen Messung und zur Überwachung der oben angeführten Parameter.

Claims (11)

1. Verfahren zur Messung und Überwachung der bei der Narkose einzuhaltenden, sowohl die Spontanatmung als auch die Beatmung einer narkotisierten Person betreffenden Parameter in einem halbgeschlossenen System, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwerte von Meßfühlern, die patientenfern einerseits im Expi­ rationszweig und/oder andererseits im Inspira­ tionszweig des halbgeschlossenen Systems angeord­ net sind, zur Bestimmung des Atemzugvolumens, des Atemminutenvolumens, der maximalen Strömung und der Atemstromkurve bei Früh- und Neugeborenen, Säuglingen und Kleinkindern über einen A-D-Wandler einem Rechner zugeführt werden und daß die vom Rechner erarbeiteten Meßwerte angezeigt und/oder gespeichert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Parameter mit Hilfe der Hitzdrahtanemometrie bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperatur der Hitzdrähte konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sowohl im Expirations- als auch im Inspirationszweig die Temperatur und der Druck des strömenden Gases gemessen wird und diese Werte zur Korrektur der Meßsignale der Hitzdrahtanemometer dem Rechner zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der Meßsignale der Meßfühler Stoffwerte des Atem­ gases wie Dichte, Wärmekapazität, Feuchtig­ keit, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität er­ mittelt werden und dem Rechner zugeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im Expirations- als auch im Inspirationszweig die O₂-Konzentration des Atemgases gemessen wird.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem zur Lunge der narkotisierten Person führenden Anschlußstück, welches an seinem der Lunge abgekehrten Ende an einem Y-Konnektor an­ geschlossen ist, von dessen Schenkeln zwei Schlauchstücke als Inspirations- und als Expirationszweig ausgehen, in welche je ein Ventil mit einander entgegengesetzter Öffnungsrichtung eingebaut ist und bei der mindestens ein Meßfühler zur Ermittlung der Atemgasströmung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Inspirationszweig (1) in Strömungsrichtung hinter dem Ventil (17) und im Expirationszweig (2) in Strö­ mungsrichtung vor dem Ventil (18) je ein Meßfühler (15, 16) zur Ermittlung der Atem­ gasströmung vorgesehen ist, wobei die Meßfühler (15, 17) über elektrische Lei­ tungen und einen Verstärker mit dem A-D- Wandler (8) verbunden sind, dessen Signal­ ausgänge mit den Eingängen eines Rechners (10) verschaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßfühler (15, 16) Hitzdrahtanemometer vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Hitzdrähte kreuzweise über den Schlauchquerschnitt ge­ spannt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ex­ pirationszweig (2) in Strömungsrichtung vor dem Ventil (18) ein erster Temperatur­ meßfühler (7) und in das Ventilgehäuse (17) des Inspirationszweigs (1) ein zweiter Temperaturmeßfühler (5) eingebaut ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Inspirationszweig eine Druckmessung vorgesehen ist.