DE3783621T2

DE3783621T2 - Jet-beatmungssystem mit variabler frequenz.

Info

Publication number: DE3783621T2
Application number: DE8787300665T
Authority: DE
Inventors: Eric H Gluck; Henry Mcdonald; Jayant Sabnis; Bernard C Weinberg
Original assignee: ADVANCED PULMONARY TECHN
Current assignee: ADVANCED PULMONARY TECHN
Priority date: 1986-01-27
Filing date: 1987-01-27
Publication date: 1993-07-29
Anticipated expiration: 2007-01-28
Also published as: IL81478A0; JPS62183763A; EP0234736A1; EP0234736B1; US4747403A; DE3783621D1; CA1287544C

Description

Die Erfindung betrifft Hochfrequenz-Jet-Ventilatoren für die Zufuhr von Gas, um die Atmung beim Menschen zu erleichtern und zu unterstützen.

Stand der Technik

Die EP-A-149 722 (=US-A-4 617 924) beschreibt eine Vorrichtung für die künstliche Beatmung. Beatmungsgas wird durch eine Düse in einer Gas Zufuhrvorrichtung zum Mund eines Patienten zugeführt. An einer Seite der Zufuhrvorrichtung wird Spülgas eingeleitet, und am anderen Ende der Zufuhrvorrichtung sind ein CO&sub2;-Analysator und ein Strömungsmesser in eine Ausgangsleitung geschaltet. Ein Hochfrequenz-Steuergerät unterbricht die Zufuhr von Beatmungsgas und Spülgas für ein Meßintervall, in dem ausgeatmetes Gas durch den Analysator geleitet wird.
Es ist nachgewiesen, daß der Einsatz von Hochfrequenz-Jet- Ventilation für die Behandlung von bestimmten Atembeschwerden hilfreich ist. Bei der Hochfrequenz-Ventilation wird die Ventilation durch Verbesserung der Massentransferprozesse in den Lungen durch Hochfrequenzoszillation des zugeführten Gases erreicht, anstatt Gas in größeren Mengen in die Gasaustauschbereiche der Lungen zu bringen.

Die Erfindung

In einem erfindungsgemäßen Ventilator nach Anspruch 1 führt eine Düse Hochgeschwindigkeitsgasimpulse in ein Mitreißmodul entlang einer Kammer in Richtung eines Auslasses für den Anschluß an den Hund eines Patienten ein. Dies ermöglicht es, das nötige, sich hin- und her bewegende Volumen an Atemgas in Verbindung mit einer hohen Pulsfrequenz zuzuführen, die die Reaktionszeiten der für die Erzeugung der Gasimpulse verwendeten Vorrichtung berücksichtigt. Zuverlässigkeit, Einfachheit der Wartung, Sterilisierbarkeit und Portabilität bzw. Anpassungsfähigkeit sind weitere mögliche Merkmale des Ventilators. Die Ventilation bei supraphysiologischen Frequenzen kann verbessert werden, und eine Belästigung des Patienten sowie die Möglichkeit der Erzeugung oder Verschlechterung von Traumata werden reduziert.
Das für gewöhnlich befeuchtete Atemgas steht unter relativ geringem Druck und wird kontinuierlich von einer ersten Gasquelle einer Einlaßöffnung zugeführt, um einen Grundstrom bzw. beaufschlagten Strom zu bilden. Die Düse kann sich in die Mitreißkammer in einer Richtung erstrecken, die im allgemeinen axial mit einem Gasauslaß ausgerichtet ist. Die Düse steht in fluidischer Verbindung mit einer Quelle von mit relativ hohem Druck beaufschlagten Gasimpulsen und dient dazu, eine Folge von druckbeaufschlagten Hochgeschwindigkeitsgasimpulsen in die Mitreißkammer zu deren Durchquerung in einer im allgemeinen axialen Richtung zum Patienten hin einzubringen. Der Atemgaseinlaß und die Entlüftungsöffnung sind im allgemeinen koaxial gegenüber der Mitreißkammer angeordnet. Im allgemeinen wird ein Hochdruckimpuls während der Einatmungsphase von jedem Zyklus des Ventilators eingebracht. Ein Hochgeschwindigkeitsimpuls von der Düse reißt eine relativ große Menge des Niederdruckgases aus dem beaufschlagten Strom in der Mitreißkammer mit und erzeugt einen Inhalationsimpuls. Während jeder Ausatmungsphase werden zwischen dem Einbringen von aufeinanderfolgenden Impulsen von der Düse Gase in der Mitreißkammer, einschließlich vom Patienten ausgeatmetes CO&sub2;, das in die Kammer über den Zufuhrauslaß fließt, durch die Entlüftungsöffnung ausgeschieden.
Die Innenform der Impulszufuhrdüse ist entweder als konvergierende oder als eingezogene Düse ausgebildet, um die Menge an Gas aus dem beaufschlagten Strom zu erhöhen, die mitgerissen wird.
Eine Leitung verbindet die Quelle von Hochdruck- Ventilationsgas mit der Düse. Ein Ventil ist in diese Leitung geschaltet, um den Druckgasstrom wahlweise zu unterbrechen und die Hochdruckgasimpulse zu erzeugen. Das Ventil wird von einem Solenoid betätigt, das das Ventil von einer geschlossenen in eine völlig offene Position bringt. Eine elektronische Steuerschaltung stellt Signale bereit, die den Betrieb des Solenoids steuern. Diese Steuersignale besitzen eine Frequenz, eine Impulsbreite und eine Betriebsart, die so gewählt werden können, daß das optimale Ventilationsprogramm für den zu behandelnden Patienten bereitgestellt wird. Die Steuersignale haben im allgemeinen eine Stufenwellenform, die eine anfängliche Übersteuerungs- oder Overdrive-Spannung mit festgelegter Länge aufweist. Die Übersteuerungsspannung bewirkt, daß die vom Solenoid für den Wechsel des Schaltzustands des Ventils benötigte Zeit reduziert wird, wobei die vom Ventil benötigte Zeit zum Umschalten vom vollständig geschlossenen in den vollständig geöffneten Zustand minimiert wird.
Das Mitreißen besteht darin, daß der beaufschlagte Strom dem Einfluß von Hochgeschwindigkeitsimpulsen von aus einer Hochdruckquelle von Mitreißgas eingeleitetem Gas ausgesetzt wird. Das Mitreißgas kann gesteuert werden, um die Frequenz, die Dauer und die Breite der Gasimpulse zu verändern, um den Anforderungen der gerade ausgeführten Behandlung zu genügen. Mittel zum periodischen Unterbrechen des Primärgasstroms können in Form eines normalerweise geschlossenen, von einem Solenoid betätigten Ventil vorgesehen sein. Solenoid- Steuerspannungsimpulse mit ersten und zweiten Spannungsgrößenniveaus (V&sub1;, V&sub3;) können erzeugt werden. Diese Spannungsniveaus können eine Anfangsgröße besitzen, die größer ist als die Nennspannung des Solenoids und eine zweite benachbarte Größe, die kleiner als die Nennspannung und ausreichend groß ist, um das Solenoid in aktiviertem Zustand zu halten. Die Spannungsimpulse werden auf das Ventil-Solenoid gegeben, um die Erzeugung von Gasimpulsen zu verursachen.
Die Frequenz oder die Betriebsart der Impulse können als Funktion der benötigten Therapie verändert werden. Die Breite der Impulse kann ebenso als Funktion der benötigten Therapie verändert werden.

Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein funktionales Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Vielfrequenz-Jet-Ventilators;
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte teilweise Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Mitreißmoduls des Vielfrequenz-Jet-Ventilators von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein funktionales Blockdiagramm des Steuermoduls des Vielfrequenz-Jet-Ventilators von Fig. 1;
Fig. 4a, 4b und 4c sind graphische Darstellungen von Gasimpulsfolgen, die dem Mitreißmodul von Fig. 2 als Reaktion auf die vom Steuermodul der Fig. 3 erzeugten Steuersignale zugeführt werden; und
Fig. 5 stellt ein Wellenformdiagramm einer durch das Steuermodul von Fig. 3 erzeugten Steuerspannung dar.

Beste Ausführungsform

Gemäß den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Teile in den Figuren bezeichnen, kann ein Ventilator 10 (Fig. 1) wahlweise bei herkömmlichen Beatmungsfrequenzen eingesetzt oder als Hochfrequenz-Jet-Ventilator benutzt werden. Der Ventilator 10 besitzt vorzugsweise einen Bereich von Betriebsfrequenzen von 4 Atemzügen/Minute (1/15 Hz) bis 3000 Atemzüge/Minute (50 Hz) und eine Einsaugzeit, d. h., eine Betriebsart im Bereich von 5% bis 95%, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Der Ventilator 10 versorgt einen Patienten über einen endotrachealen Schlauch (nicht gezeigt) mit oder ohne Manschette mit Atemgas und kann an die Ventilation mit Luft, Luft/Sauerstoff, Helium/Sauerstoff oder ein anderes geeignetes Gas oder eine Kombination von Gasen angepaßt werden. Der Ventilator 10 besitzt eine kompakte, leichtgewichtige Bauweise und kann entweder batterie- oder netzstrombetrieben sein.
Der Ventilator 10 ist ein integriertes modulares System, das im allgemeinen eine Steuereinheit 12, eine Hochdruckgas- Zufuhreinheit 14, eine Niederdruckgas-Zufuhreinheit 15 und ein Mitreißmodul 16 aufweist. Die Steuereinheit 12 enthält die elektronischen Steuerungen, ein Sicherheitssystem und die elektrische Energieversorgung für den Ventilator. Die Hochdruckgas-Zufuhreinheit 14 weist eine Hochdruckgasquelle, ein Gasdruckregelsystem und eine Ventil-Untergruppe auf, um gesteuerte Impulse des aus der Hochdruckquelle entnommenen Gases zu erzeugen. Die Niederdruckgas-Zufuhreinheit 15 enthält eine Niederdruckgasquelle und ein Befeuchtungssystem für das Gas. Das Mitreißmodul 16 erzeugt aus den Impulsen von Hochdruckgas und dem befeuchteten Niederdruckgas den benötigten Ausstoß des Ventilators. Die Gasströmungslinien sind durch dicke Linien und die elektrischen Verbindungen durch dünne Linien in Fig. 1 bezeichnet. Die Steuereinheit 12 ist über herkömmliche elektrische Verbindungen mit der Zufuhreinheit 14 verbunden. Die Gas-Zufuhreinheiten 14 und 15 sowie das Mitreißmodul 16 sind durch flexible Standardschläuche miteinander verbunden. Die vorstehend genannten modularen Einheiten und deren Untereinheiten können leicht verbunden und wieder voneinander getrennt werden. Der modulare Aufbau erleichtert somit die Wartung des Ventilators und stellt auch einen Ventilator bereit, der im benötigten Umfang einfach desinfiziert und sterilisiert werden kann, wie aus der nachfolgenden Erläuterung im einzelnen hervorgeht.
Gemäß Fig. 1 weist die Steuereinheit 12 ein elektronisches Steuermodul 20 auf, das Steuerimpulse zum Betrieb eines solenoidbetätigten Ventils 22 in der Zufuhreinheit 14 erzeugt. Das Steuermodul 20 stellt auch Eingangssignale für ein elektronisches Sicherheitsmodul 24 bereit. Das Sicherheitsmodul 24 steuert in nachstehend beschriebener Weise ein elektronisch betätigtes Absperrventil 26 in der Primär-, das heißt, Hochdruck-Gaszufuhrleitung und ist des weiteren mit einem Alarmsystem 28 verbunden.
Eine Druckgasquelle 30, die typischerweise aus mehreren, komprimierte trockene Luft, Sauerstoff/Stickstoff oder Sauerstoff/Helium enthaltenden Tanks besteht, ist über das Absperrventil 26 und einen einstellbaren Druckregler 32 mit einem Druckspeicher 34 verbunden. Das an der Auslaßöffnung des Druckspeichers 34 auftretende Druckgas hat einen geregelten, im wesentlichen konstanten Druck im Bereich zwischen 34485 Pascal und 1724250 Pascal (5 psi bis 250 psi). Das Druckgas strömt vom Druckspeicher 34 über einen Strömungsmesser 36 und ein Ventil 22 zum Mitreißmodul 16. Der Strömungsmesser 36 leitet ein Eingangssignal mit Informationen an das Sicherheitsmodul 24, wobei die Art des Gasstroms von der Hochdruckquelle 30 zum Mitreißmodul 16 ständig überwacht werden kann, um ein Mittel für die Auslösung des Alarms 28 für den Fall bereitzustellen, daß sich der vorstehend genannte Gasstrom nicht innerhalb der ausgewählten und benötigten Betriebsgrenzen des Ventilators befindet. Der Alarm 28 ist vorzugsweise sowohl ein hörbarer als auch ein sichtbarer Alarm. Das Sicherheitsmodul 24, das vorzugsweise ein Mikroprozessor ist, wird programmiert, um den Betrieb des Ventilators zu überwachen, insbesondere den Primärgasstrom zum Mitreißmodul und den Druck in Strömungsrichtung gesehen unterhalb des Mitreißmoduls, um zu bestimmen, ob sich die Betriebsparameter innerhalb der festgelegten Bereiche bewegen. Sollte sich ein überwachter Parameter in einen für den Patienten nicht mehr sicheren Bereich bewegen, gibt das Modul 24 den Steuerbefehl zum Schließen des Absperrventils 26.
Eine Sekundärdruckgasquelle 42 in der Einheit 15 ist über ein Absperrventil 44 an einen Befeuchter 46 angeschlossen. Aus dem Befeuchter 46 kommt ein beaufschlagter Strom von geheiztem befeuchtetem Gas, das dem Mitreißmodul 16 bei relativ geringem Druck zugeführt wird, das heißt, gerade über Atmosphärendruck oder leicht darüber, wie 34485 Pascal (5 psi). Die Sekundärgasquelle 42 besteht typischerweise aus einem oder mehreren Tanks, die das gleiche Gas enthalten, wie das von der "Hoch"-Druckquelle 30 gelieferte Gas. Der Befeuchter 46 kann ein Kaskaden-Blasenbefeuchter (cascade bubble humidifier) oder vorzugsweise ein Dampfphasenbefeuchter (vapour phase humidifier) sein und bewirkt, daß der beaufschlagte Strom ca. 100% relative Luftfeuchtigkeit besitzt. Der Druck des beaufschlagten Stroms kann in Abhängigkeit vom Grad der Befeuchtung und der Art der Befeuchtung variieren. Zusätzlich kann ein Ultraschall-Zerstäuber 47 verwendet werden, um einen Nebel in den beaufschlagten Strom von befeuchtetem Gas einzubringen. Der Strom von befeuchtetem Gas mit dem Nebel, der mit niedriger Geschwindigkeit fließt, wird im Modul 16 durch in nachstehend zu beschreibender Weise erzeugte Hochgeschwindigkeits-Gasimpulse mitgerissen, um einen Ausgangsgasstrom zu bilden. Wie vorstehend erwähnt, wird der Ausgangsstrom dem Patienten über einen endotrachealen Schlauch (nicht vollständig gezeigt) zugeführt. Das Mitreißmodul 16 dient auch der Aufnahme von vom Patienten ausgeatmeten Gasen. In Abhängigkeit vom Schaltzustand eines 2-Wege-Strömungssteuerventils 48 wird das ausgeatmete Gas entweder in die Umgebungsatmosphäre geblasen oder an eine Rückgewinnungseinheit 49 geliefert. Ein Drucksensor 50 kann in den sich vom Mitreißmodul zum endotrachealen Schlauch erstreckenden Gasweg geschaltet sein, um dem Druck in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar oberhalb des endotrachealen Schlauchs zu messen und ein entsprechendes Eingangssignal für das Sicherheitsmodul 24 bereitzustellen, um einen sicheren Betrieb des Ventilators zu gewährleisten.
Insbesondere gemäß Fig. 2 weist das Mitreißmodul 16 ein Gehäuse 51 auf, das eine Mitreißkammer 52 bildet. Das Gehäuse 51 ist im allgemeinen ein T-förmiges zylindrisches Teil, das ein offenes Ausgangsende besitzt. Ein Anschlußstück 54 am Ausgangsende verbindet die Kammer 52 fluidisch mit einer Leitung 56, die zum Ende des endotrachealen Schlauchs führt oder dieses umfaßt. Gasimpulse, die durch Modulation des den Druckspeicher 34 verlassenden Gases mittels Ventil 22 erzeugt werden, werden durch eine Düse 58 in die Mitreißkammer 52 eingebracht. Die Düse 58 ist eine konvergierende oder eine eingezogene Düse, und deshalb ist die Geschwindigkeit des Gases in Strömungsrichtung nach dem Düsenhals hoch. Die Düse 58 erstreckt sich durch eine Abschlußwand des Gehäuses 51 entlang der Mittenachse der Kammer axial in die Kammer 52. Die Düse 58 ist aerodynamisch geformt, um das Mitreißen durch Führung des beaufschlagten Stroms mit niedrigem Druck in Strömungsrichtung abwärts in die Kammer 52 zu verbessern. Die Düse 58 besitzt somit vorzugsweise ein nach vorn konisch zulaufendes, konvergierendes Außenprofil 60. Ein Einlaßschenkel 62 und ein Auslaßschenkel 64 stehen radial an diametral gegenüberliegenden Stellen des Gehäuses 51 vor. Die Schenkel 62 und 64 sind im wesentlichen identisch und gleich von der zentral angeordneten Düse 58 beabstandet. Der Einlaßschenkel 62 dient als Anschlußteil zum Ankuppeln einer Leitung für die Zufuhr des beaufschlagten Stroms niedriger Geschwindigkeit von befeuchtetem Gas zur Mitreißkammer 52 über Öffnung 66, wie durch Pfeile in Fig. 2 dargestellt ist. Das befeuchtete Gas wird der Mitreißkammer kontinuierlich zugeführt. Während einer Einsaugphase des Ventilationszyklus (das heißt Einatmen) wird befeuchtetes Gas durch einen über die Düse 58 in die Kammer 52 eingebrachten Hochgeschwindigkeits-Gasimpuls mitgerissen, axial durch die Kammer zur Leitung 56 und anschließend über den endotrachealen Schlauch zum Patienten vorwärtsgetrieben. Die zum Patienten gelieferten Ventilationsgasimpulse bestehen in erster Linie aus über den Einlaßschenkel 62 zugeführtem befeuchtetem Gas, wobei das befeuchtete Gas durch die über die Düse 58 zugeführten Trockengasimpulse mitgerissen wird. Der Patient empfängt entsprechend Gas mit der höchstmöglichen relativen Luftfeuchtigkeit.
Während der Ausatmungsphase des Ventilationszyklus kehrt das vom Patienten ausgeatmete Gas über die Leitung 56 zur Mitreißkammer 52 zurück. Das ausgeatmete Gas wird durch den beaufschlagten Strom mit niedriger Geschwindigkeit mitgerissen und dann durch die Ausströmöffnung 68 abgegeben, die zum Auslaßschenkel 64 führt. Der Schenkel 64 ist mit einer Leitung für den Transport des ausgeatmeten Gases und des überschüssigen befeuchteten Gases zum Ventil 48 verbunden. Das vom Patienten ausgeatmete Kohlendioxid wird durch die Öffnung 68 teilweise aufgrund der Antriebskraft des beaufschlagten Stroms von befeuchtetem Gas abgegeben, die verhindert, daß die ausgeatmeten Gase in die Öffnung 66 eindringen.
Das Mitreißen des befeuchteten Gases durch die Hochgeschwindigkeitsimpulse oder Druckwellen von Primärgas wird durch die konvergierende äußere Form der Düse 58 erleichtert, die, wie vorstehend beschrieben, als strömungssteuernde Oberfläche wirkt. Das Mitreißen des befeuchteten Gases wird durch die Anordnung der Ausgangsöffnung 60 der Düse 58 an einer axialen Stelle der Kammer verbessert, die nahe dem axialen Endpunkt der Abwärtsströmung durch die Einlaßöffnung 66 ist. Folglich wird der Hochgeschwindigkeitsimpuls an einer Stelle in die Kammer eingeführt, die leicht in Strömungsrichtung gesehen abwärts vom Eintritt des befeuchteten Gases liegt. Wie nun klar sein dürfte, dient die kontinuierliche Zufuhr von befeuchtetem Sekundärgas unter niedrigem Druck zum abwechselnden Zuführen von befeuchtetem Gas zum Hitreißen und zum Entfernen des ausgeatmeten Kohlendioxids aus der Ventilatoreinheit ohne Verwendung von mechanischen Ventilen, die sonst dazu neigen, die Mitreißeffekte zu beeinträchtigen, und somit zu einem niedrigeren hin- und herbewegten Volumen führen würden.
Ein relativ starrer Schlauch verbindet die Düse 58 mit dem durch das Solenoid betätigten Steuerventil 22. Das Ventil 22 ist ein Ventil mit zwei Schaltzuständen, das eine offene und eine geschlossene Position besitzt. Das Ventil kann von der Art sein, die normalerweise geschlossen ist. Die durch das Steuermodul 20 erzeugten und dem Solenoid des Ventils 22 zugeleiteten Steuersignale bestimmen die Frequenz und die Dauer der an die Düse 58 gelieferten Gasimpulse. Folglich wird Ventil 22 für ausgewählte Zeitintervalle zyklisch geöffnet und geschlossen, um den Strom an Druckgas zur Düse zu unterbrechen und dadurch die gewünschten Gasimpulsfolge-Charakteristika zu erzeugen, um eine optimale Behandlung für den Patienten sicherzustellen.
Die Charakteristika der durch das Ventil 22 erzeugten Druckgasimpulse können am besten aus den Fig. 4a, 4b und 4c ersehen werden. Die horizontalen Achsen stellen die Zeit in Millisekunden dar, und die vertikalen Achsen stellen die Durchflußgeschwindigkeit des aus der Düse 58 austretenden Hochgeschwindigkeits-Ventilationsgases dar. Der Buchstabe T bezeichnet die Zeit eines Ventilationszyklus, das heißt, die Zeit einer Einatmungsphase plus die Zeit einer anschließenden Ausatmungsphase. Das Symbol t&sub1; stellt das Zeitintervall dar, während dem das Ventil 22 offen ist. In jedem der Graphen von Fig. 4 beträgt die Zeitspanne in der das Ventil 22 geöffnet ist, das heißt, die Einatmungszeit, 30% des Ventilationszyklus T. Der Graph der Fig. 4a stellt die Impulsfolge-Charakteristika dar, wenn das Ventil 22 mit einer Frequenz von 5 Hz geöffnet und geschlossen wird. Graph 4b stellt die Impuls-Charakteristika dar, wenn das Ventil 22 mit einer Frequenz von 10 Hz geöffnet und geschlossen wird. Fig. 4c stellt die Impuls-Charakteristika dar, wenn das Ventil 22 mit einer Frequenz von 20 Hz geöffnet und geschlossen wird.
Das Volumen von durch das Ventil pro Atemzug zugeführtem Gas ist gleich der Fläche unter der Durchflußgeschwindigkeit-Zeit- Kurve der Graphen von Fig. 4. Die durchgezogenen Linien stellen die Fluß-Charakteristika für den Ventilator 10 dar. Die gestrichelten Linien stellen die Strömungs-Charakteristika für einen Ventilator dar, der keine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Reduzieren der vom Ventil für den Wechsel der Schaltzustände benötigten Zeit enthält. Es wird klar, daß die gezeichneten Kurven aufgrund des vom Ventil 22 für den Wechsel von einem Schaltzustand zum anderen, das heißt, von einem vollständig geschlossenen zu einem vollständig offenen Zustand und umgekehrt, benötigten inkrementalen Zeitintervalls eine Trapezform und keine Rechteckwellenform besitzen. Im Stand der Technik stand bei hohen Impulsfrequenzen nicht genügend Zeit für das Ventil zur Verfügung, um sich vollständig zu Öffnen, bevor es einen "Schließen"-Befehl erhielt. Demzufolge ergab sich das durch die gestrichelten Linien von Fig. 4c angegebene dreieckige Strömungsmuster. Ein Strömungsmuster, wie es durch die gestrichelte Linie gemäß Fig. 4c angegeben ist, führt zu einer drastischen Reduzierung des sich hin- und herbewegenden Volumens, das heißt, des Volumens an dem Patienten zugeführtem Gas während der Einatmungsphase. Folglich muß das Ventil dazu veranlaßt werden, schnell auf "Öffnen"-Befehle zu reagieren, und es sollte einen beträchtlichen Teil der Einatmungsphase offen bleiben, damit genügend große sich hin- und herbewegende Volumina bei hohen Ventilationsfrequenzen zugeführt werden.
Gemäß Fig. 3 wird das Ventil 22 mittels eines Solenoids 70 geöffnet und geschlossen, das auf durch das Steuermodul 20 erzeugte Steuersignale anspricht. Das Steuermodul 20 weist einen Rechteckwellengenerator 72 auf. Ein RC-Glied 73 ist in herkömmlicher Weise einstellbar, um die Zeitkonstante und damit die Ausgangsfrequenz des Rechteckwellengenerators 72 zu variieren. Das Rechteckwellen-Ausgangssignal des Generators 72 wird aufeine Taktgeberschaltung 74 gegeben. Gemäß den Fig. 3 und 5 sind eine einstellbare Spannungsgrößen-Wahlschaltung und eine einstellbare Betriebsarten-Wahlschaltung mit dem Taktgeber 74 verbunden, um den Taktgeber zu veranlassen, eine Ausgangswellenform mit einer ausgewählten Amplitude (Spannung V&sub1;), einer Impulsbreite (Zeit t&sub1;) und einer Frequenz f bereitzustellen. Die Spannung V&sub1; wird so gewählt, daß sie die minimale Solenoidhaltespannung ist, die für das Halten des Ventils 22 in der geöffneten Position benötigt wird. Diese Spannung ist typischerweise niedriger als die Spannung, die nötig ist, um das Solenoid zu veranlassen, das Ventil zu öffnen. Die Verwendung einer niedrigen Spannung zum Offenhalten des Ventils reduziert die Schließzeit für das Ventil. Die Schließzeit wird durch eine kurzzeitige starke negative Spannungsspitze -V&sub2; weiter reduziert, die am Ende der Einatmungsphase des Zyklus durch Abkoppeln der Ausgangsspannung des Taktgebers 74 vom Ventil-Solenoid erzeugt wird. Die Zeit t&sub1; wird so gewählt, daß die optimale Einatmungszeit pro Ventilationszyklus erreicht wird. Die Frequenz f wird so gewählt, daß die optimale Ventilationsfrequenz in Abhängigkeit vom Zustand des Patienten erreicht wird. Die Rechteckwelle von Schaltung 72 wird des weiteren auf eine Übersteuerungs-Taktgeberschaltung (overdrive timer circuit) 76 gegeben. Die Übersteuerungs- Taktgeberschaltung ist ebenfalls einstellbar, um eine zweite Wellenform mit einer zweiten Amplitude (Spannung V&sub3;-V&sub1;) und einer zweiten Impulsbreite (Zeit t&sub2;) mit der gleichen Frequenz f wie die durch den Taktgeber 74 bereitgestellte Wellenform und dazu in Phase zu erzeugen. Die Spannung V&sub3;-V&sub1; und die Zeit t&sub2; werden derart gewählt, daß die Ventilöffnungszeit reduziert wird, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Die zwei Wellenformen werden kombiniert, wie schematisch durch die Summierschaltung 77 dargestellt ist, und auf das Solenoid 70 gegeben. Die auf das Solenoid 70 gegebene Wellenform ist in Fig. 5 dargestellt. Die Periode einer Öffnungs- und Schließphase eines Zyklus des Ventils 22 und damit des Ventilationszyklus ist durch die Zeit T gegeben. Durch Anlegen der Übersteuerungsspannung V&sub3;-V&sub1; an das Solenoid wird eine größere elektromagnetische Kraft erzeugt, und die Öffnungszeit des Ventils wird beträchtlich reduziert, da die Übersteuerungsspannung eine Amplitude besitzt, die mindestens dreimal so groß wie die Haltespannung V&sub1; ist. Somit werden die vom Ventilator bei hohen Frequenzen erzeugten sich hin- und herbewegenden Volumina durch die vom Ventil zum Ändern seines Schaltzustands benötigte Zeit nicht wesentlich reduziert. Wie vorstehend angemerkt, stellen die gestrichelten Linien in den Graphen der Fig. 4 im allgemeinen die Impuls-Charakteristika ohne Anwendung der Übersteuerungsspannung auf das Solenoid dar, und die durchgezogenen Linien stellen die Impuls- Charakteristika des Ventilators dar, wenn die vorstehend beschriebene Übersteuerungsspannung vom Steuermodul eingesetzt wird.
Der Ventilator 10 wird durch Auswahl von optimaler Frequenz und Betriebsart für den Zustand des Patienten, das heißt, des Verhältnisses von Einatmungszeit zur Ventilationszykluszeit, betrieben. Das dem Patienten zugeführte Volumen von sich hin- und herbewegendem Ventilationsgas ist eine Funktion der Impulsfrequenz und -dauer sowie des Gasdrucks. Der Druckregler 32 regelt den Druck in herkömmlicher Weise. Das Steuermodul dient zur elektronischen Steuerung des Ventils 22, um die optimalen Ventilations-Charakteristika bereitzustellen. Diese Charakteristika können sich über die Behandlungsdauer ändern, und der erfindungsgemäße Ventilator kann manuell oder automatisch in Übereinstimmung mit den wechselnden Anforderungen des Patienten neu eingestellt werden. Im tatsächlichen Betrieb können die Steuer- und Sicherheitsmodule eine einzige Untereinheit mit einem programmierbaren Mikroprozessor sein, und die Art des Betriebs kann von einer Tastatur eingegeben und/oder aus vorprogrammierten Daten ausgewählt werden. Da die Variation der Ventilationsparameter ohne Trennen des Patienten vom Ventilator ausgeführt werden kann, wird ein Trauma vermieden, das sonst auftreten könnte. Es ist anzumerken, daß die Sterilisierung und Wartung der Einheit relativ einfach ausgeführt werden können, da der Ventilator eine modulare Bauweise besitzt. Das Mitreißmodul 16 besitzt keine sich bewegenden Komponenten und kann somit einfach zur Sterilisierung und/oder zum Ersetzen vom Ventilator abgetrennt werden. Der beaufschlagte Strom kann zumindest als Mittel, und in Abhängigkeit von den Umständen ca. dreimal soviel wie das durch die Düse gepulste Gas, dazu dienen, eine beträchtliche Verdünnung des gepulsten Gasstroms zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung hat die Flexibilität, insbesondere über einen weiten Bereich einstellbare Betriebsparameter, die ihre Verwendung im synchronen intermittierenden Zwangsventilationsmodus (synchronous intermittent mandatory ventilation (IMV) mode) gestattet. Der IMV-Modus wird über das mikroprozessorgestützte Steuermodul 20 gewählt, wenn gewünscht wird, zu versuchen, den Patienten vom Ventilator zu entwöhnen. Im IMV-Modus wird ein Impuls bei einer Frequenz, die niedriger als die normale Atemfrequenz ist, durch eine Uhr im Mikroprozessor bereitgestellt, um die Erzeugung eines Steuersignals für das Solenoid des Ventils 22 zu triggern. Ein Sensor 80, der ein Drucksensor im endotrachealen Schlauch sein kann, nimmt spontanes Atmen des Patienten wahr und liefert im Einklang damit Signale, die in das Steuermodul 20 eingegeben werden. Das Ventil 22 wird sich mit der gewählten Frequenz öffnen, außer in den Fällen, bei denen eine spontane Ausatmung wahrgenommen wird, wobei in diesem Fall die Öffnung des Ventils bis zum Ende des Ausatmens verzögert und die Uhr auf Null zurückgesetzt wird. Die Flexibilität der Erfindung erlaubt einen weiten Bereich von Ventilationsfrequenzen von supraphysiologischen bis zu natürlichen Atemfrequenzen, ohne zusätzliche Schaltungen für niederfrequentes Atmen zu benötigen.
Die vorliegende Erfindung kann durch Entfernen des Mitreißmoduls 16 und der Niederdruckgas-Zufuhreinheit 15 im Fall einer transcutanen Cricothyroidalostomie eingesetzt werden. In Notfallsituationen, beispielsweise unter Schlachtfeldbedingungen oder im Fall von Sanitätern an einem Unfallort, kann ein Patient mit Atmungsschwierigkeiten nicht mit einem endotrachealen Schlauch versehen werden. Das bedeutet, das genaue Einführen eines endotrachealen Schlauchs kann ca. eine halbe Stunde erfordern, setzt gute Beleuchtung voraus und erfordert sehr gut geschultes medizinisches Personal. Die vorliegende Erfindung kann in der folgenden Weise von Sanitätern mit entferntem Mitreißmodul, jedoch mit einer der Düse 58 ähnlichen Düse, die beibehalten wird, eingesetzt werden. Eine Nadel mit angeschlossenem Katheter wird in die Luftröhre eingeführt, dann die Nadel zurückgezogen und schließlich die Düse über den Katheter in die Luftröhre eingeführt. Dann kann mit der Jet-Ventilation begonnen werden, wobei das Ausatmen über den Mund und/oder die Nase des Patienten erfolgt.

Claims

1. Hochfrequenz-Jet-Ventilator, der ein Modul (16) mit einer Gaseinlaßöffnung (66), einer über eine Kammer (52) mit dieser verbundenen Ausströmöffnung (68) und einer Düse (58) zur Einleitung von Gas von einer unter Druck stehenden Quelle in die Kammer (52) in die Richtung eines Atemgasauslasses (56) aufweist, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur fortlaufenden Zufuhr von stark befeuchtetem Atemgas zu der Einlaßöffnung (66), durch eine Entlüftungsöffnung oder eine Rückgewinnungseinheit (49), die dauerhaft an der Ausströmöffnung (68) angeschlossen ist, um einen beaufschlagten Strom des Atemgases durch die Kammer (52) zu erzeugen, und durch Einrichtungen zur Veränderung der Abgabe der unter Druck stehenden Quelle, um die Düse (58) mit Hochgeschwindigkeitsimpulsen von trockenem Gas zu beaufschlagen, wobei die Einlaßöffnung (66) und die Ausströmöffnung (68) quer zu einer zentralen Achse der Kammer (52) koaxial ausgerichtet sind, und wobei die Düse (58) entlang der zentralen Achse ausgerichtet ist und teilweise zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung (66, 68) vorragt, um das Mitreißen des stark befeuchteten Atemgases in Richtung auf den Auslaß (56) durch die Hochgeschwindigkeitsimpuls von trockenem Gas zu fördern.

2. Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (58) einen äußeren konvergierenden Abschnitt hat, um das Mitreißen weiter zu fördern.

3. Ventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuereinrichtung (20) vorgesehen ist, um ein elektrisches Signal einer veränderlichen Frequenz und wahlweise eine veränderliche Betriebsart sowie ein Impulsbreitensignal zu erzeugen, um eine Gasimpulserzeugungseinrichtung (22) zu steuern.

4. Ventilator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugungseinrichtung (22) ein durch ein Solenoid betätigtes, normalerweise geschlossenes Ventil aufweist, das zwischen einer Quelle von Hochdruckgas und der Düse (58) angeordnet ist, und daß die Steuereinrichtung (20) eine Einrichtung zur Erzeugung von Solenoid- Steuerspannungsimpulsen aufweist, die erste und zweite Größenniveaus (V&sub1;, V&sub3;) haben, wobei das erste Niveau (V&sub1;) den Solenoidnennwert übersteigt, und wobei das zweite Niveau (V&sub3;) niedriger ist als der Solenoidnennwert aber ausreichend, um das Solenoid in dem aktivierten Zustand zu halten.

5. Ventilator nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Steuereinrichtung (20) derart angeordnet ist, daß sie eine Stufenwellenform für den Solenoidbetrieb mit einer im wesentlichen sofortigen Anstiegszeit liefert.