DE4103801C2 - Verfahren zur Temperaturregelung eines Inkubators - Google Patents
Verfahren zur Temperaturregelung eines InkubatorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung
der Betriebsparameter eines Gerätes zur Warmhaltung
von Früh- und Neugeborenen, bei dem, zur Ermittlung der
Zustands-Istwerte, mit dem Körper bzw. mit seiner
Umgebungsatmosphäre in Verbindung stehende Sensoren
vorgesehen sind, deren Ausgangswerte einer
Meßwertverarbeitungsanlage zugeführt und von dieser zu
Stellgrößen zur Beeinflussung der Betriebsparameter
verarbeitet werden (DE-A1 36 16 359).
Die Herbeiführung und Einhaltung eines definierten
Wärmehaushaltes besitzt für Säuglinge große Bedeutung
und hat die Entwicklung von Inkubatoren, Wärmebettchen
Strahlungsheizungen, und sogenannten offenen
Intensivpflegebetten wesentlich bestimmt und ist bis
heute noch nicht zufriedenstellend gelöst. Zur
Definition des Wärmezustandes und zur Dosierung der
zugeführten Wärmeenergie genügt im allgemeinen eine
vorbekannte rektale oder örtliche
Hauttemperaturmessung nicht. Diese Meßwerte sind als
Einzelwerte hinsichtlich des gesamten Wärmehaushaltes
des Säuglings nicht genügend aussagekräftig, und es
besteht daher die Aufgabenstellung, ein Verfahren
anzugeben, welches mit möglichst wenig Hilfsmitteln
einen Gesamtüberblick über die Wärmebilanz des
Säuglings und über dessen Zustand ermöglicht. Von
besonderer Bedeutung ist hierbei die Aufrechterhaltung
eines sogenannten Zustandes des Wohlbefindens für den
Säugling, bei dem der Wärmehaushalt des Säuglings
möglichst gering belastet ist, was sich u. a. durch
einen minimalen Sauerstoffverbrauch auszeichnet, der
zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen noch
notwendig ist.
Ein Inkubator mit Strahlungsheizkörpern ist in der
DE-A1 36 16 359 dargestellt. Dabei ist vorgeschlagen
worden, eine Sensor- bzw. Fühleinrichtung für die
wichtigeren Parametern beispielsweise Lufttemperatur,
Luftfeuchtigkeit, Hauttemperatur, Pulsfrequenz usw.
anzuordnen und mit einer Aufzeichnungseinrichtung zu
kombinieren. Eine Alarmeinrichtung soll unmittelbar
jede Abweichung von dem zugelassenen Bereich der
Parameter anzeigen. Ein solches Überwachungsverfahren
verfügt jedoch nicht über hinreichende Kenntnisse der
den Wärmehaushalt bestimmenden Temperaturzonen, und
die Steuerung der Betriebsparameter ist daher im
wesentlichen durch überlieferte Vorgabewerte bestimmt.
Bei einem Inkubator nach der DE-A1 39 30 363 wird ein
Verfahren zur Steuerung von seinen Betriebsparametern
verwendet, bei dem zur Ermittlung der
Zustands-Istwerte wenigstens zwei Temperatursensoren
herangezogen werden, deren Temperaturmeßwerte
miteinander logisch verknüpft und aus dem
resultierenden Vergleichswert eine Stellgröße zur
Änderung der Betriebsparameter gewonnen wird.
Beispielsweise wird die Abweichung der Differenz der
Meßwerte zweier Temperatursensoren mit der Abweichung
eines der Sensoren von dessen Sollwerten miteinander
verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs dient zur
Bewertung des Wärmezustandes des Kindes, und je nach
Zustand werden die Betriebsparameter des Inkubators
verstellt oder nicht.
Aus der DE-A1 38 07 021 ist ein Verfahren zur Regelung
der Raumtemperatur bekannt, bei dem zwei Fühler zur
Erfassung der Raumtemperatur und zur Erfassung der
Oberflächentemperatur eines Heizkörpers vorgesehen
sind. Die jeweils gemessenen Istwerte der Temperaturen
werden miteinander über eine funktionale Abhängigkeit
ins Verhältnis zueinander gesetzt. Diese Abhängigkeit
kann dadurch erreicht werden, daß bei
Widerstandsfühlern deren Widerstände in entsprechendem
Verhältnis zueinander stehen.
Die Erfindung geht von der speziellen Aufgabenstellung
aus, die Betriebsparameter des eingangs genannten Gerätes zur
Warmhaltung von Früh- und Neugeborenen gezielt
aufgrund eines genau definierten Wärmezustandes des
Früh- oder Neugeborenen festzulegen und Aussagen über
das körperliche Wohlbefinden aufgrund der ermittelten
Sensor-Istwerte zur Regelung der Betriebsparameter des
Gerätes heranzuziehen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die
kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die betrachteten Geräte lassen sich summarisch, jedoch
ohne vollständig zu sein, als Inkubator,
Wärmebettchen, Strahlungsheizung, offener
Intensivpflegeplatz mit Strahlenheizung, bezeichnen,
wobei im folgenden der Einfachheit halber auf den
Inkubator als Repräsentant der genannten Geräteklasse
Bezug genommen wird. Die Erfindung läßt sich auch auf
andere Geräte anwenden, sofern sie geeignet sind, die
für das Früh- und Neugeborene erforderliche
Wärmeumgebung bereitzustellen.
Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen darin,
daß nunmehr nicht nur eine einzige Körpertemperatur
für die Betriebsparameter des Inkubators maßgeblich
ist, sondern mindestens zwei, die sich auf
unterschiedliche Meßorte am Körper beziehen.
Beispielsweise kann der erste Temperatursensor die
Kerntemperatur und der zweite Temperatursensor die
Peripherietemperatur des Körpers aufnehmen. Mit der
Kenntnis der zentralen Körpertemperatur und der
peripheren Temperatur kann außer über die aktuell
gemessene Temperatur nun auch eine Aussage über den
Zustand des im Inkubator befindlichen Patienten
gemacht werden. Z.B. kann der Fachmann unterscheiden,
ob der Körper unterkühlt, normotherm oder überhitzt
ist. Diese Aussage läßt die bisherige Messung allein
einer einzigen Temperatur, z. B. der Hauttemperatur,
nach dem Stand der Technik nicht zu. Deshalb ist der
Einsatz beispielsweise einer
Hauttemperaturregeleinrichtung für einen Inkubator
begrenzt. Im Schockzustand (normale Kerntemperatur,
kalte Hauttemperatur) würde die Hauttemperaturregelung
allein den im Inkubator befindlichen Patienten auf
eine Fiebertemperatur anwärmen. Im Fieberzustand (hohe
Kerntemperatur, hohe oder kalte Hauttemperatur (je
nach Zeitpunkt)) würde die Hauttemperaturregelung das
Fieber herunterkühlen bzw. verstärken, ohne daß vom
behandelnden Personal eine schlüssige Diagnose
gestellt werden könnte. Mit der Messung von mindestens
zwei Temperaturwerten können Rückschlüsse auf den
"Wohlbefindlichkeitszustand" des Patienten gezogen
werden und die folgerichtige Entscheidung durch das
behandelnde Personal getätigt werden. Die Regelung
wird so eingesetzt, daß der Patient auf der
Kerntemperatur unter Berücksichtigung seines
allgemeinen Wärmezustandes gehalten wird. Es handelt
sich somit nicht nur um eine feste Regelung auf eine
bestimmte Regelgröße (vorzugsweise der Temperatur),
gemessen an einem einzigen Ort, sondern um eine
angepaßte Regelung unter Berücksichtigung
verschiedener Zustände des Patienten in bezug auf
seinen Wärmehaushalt.
Zweckmäßigerweise mißt der erste Temperatursensor
einen für die Kerntemperatur repräsentativen Istwert,
und der zweite Temperatursensor einen für die
Peripherie repräsentativen Istwert. Diese beiden
Meßorte decken in ihrer Aussagefähigkeit die Mehrzahl
der in bezug auf den Wärmehaushalt eintretbaren
Zustände eines Patienten im Inkubator ab.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform des
Verfahrens besteht darin, daß bei Überschreiten des
Temperatur-Istwertes des ersten Sensors eines ersten
Obergrenzwertes die Wärmezufuhr in den
Inkubatorinnenraum unterbrochen wird, und daß bei
dessen Unterschreiten eines unteren Grenzwertes und
bei gleichzeitigem Vorliegen einer Istwert-Differenz
zwischen beiden Sensoren die Wärmezufuhr in geregelter
Form wieder in Gang gesetzt wird, bzw.
aufrechterhalten bleibt. Bei dieser Art logischen
Verknüpfung der Temperatur-Istwerte wird
sichergestellt, daß der Obergrenzwert einen
Sicherheitswert darstellt, über den hinaus der Patient
auf keinen Fall angewärmt werden darf. Unterschreitet
hingegen der Temperatur-Istwert des ersten Sensors
einen unteren Grenzwert und ist dennoch eine Differenz
zwischen den Istwerten des ersten und des zweiten
Sensors vorhanden, wird die Wärmezufuhr in normaler,
geregelter Form entweder aufrechterhalten bzw. wieder
in Gang gesetzt. Bei Überschreiten der Temperatur des
ersten Sensors, z. B. der Kerntemperatur, eines
Obergrenzwertes wird somit die Heizung ausgeschaltet,
da von einem Zustand des Fiebers ausgegangen werden
kann. Beim Unterschreiten eines unteren Grenzwertes
für die Kerntemperatur und einer vorhandenen
Temperaturdifferenz zwischen beiden Sensoren
(Unterkühlung) wird die Heizung eingeschaltet bzw.
Läuft innerhalb der bisher eingestellten
Regelkennlinie normal weiter.
Es kann ebenfalls günstig sein, daß bei Überschreiten
des Temperatur-Istwertes eines der beiden Sensoren
über einen Obergrenzwert hinaus die Wärmezufuhr
unterbrochen wird, und daß bei Unterschreiten des
Temperatur-Istwertes des ersten Sensors unterhalb
eines unteren Grenzwertes, und bei Vorliegen des
Temperatur-Istwertes eines zweiten Sensors innerhalb
eines vorgebbaren Temperaturbereichs die Wärmezufuhr
wieder in Gang gesetzt wird bzw. aufrechterhalten
bleibt. Beispielsweise ist der Obergrenzwert auf
37,5°C für den Sensor zur Messung der
Körperkerntemperatur eingestellt, dessen
Überschreitung die Abschaltung der Heizung zur Folge
hat. Bei Unterschreiten des Istwertes dieses Sensors
unterhalb 36°C und bei einem Temperatur-Istwert des
zweiten Sensors innerhalb von beispielsweise 37,0 bis
37,5°C wird die Heizung eingeschaltet bzw. bleibt
eingeschaltet. Die Meßwertverarbeitungsanlage
verarbeitet daher die logischen Vergleichswerte
derart, daß der im Inkubator befindliche Patient immer
sowohl auf die Einhaltung der gewünschen
Kerntemperatur als auch auf die Einhaltung einer
warmen Peripherietemperatur gehalten bleibt. Dieser
Zustand kann als "thermischer Komfort" definiert
werden, der sich u. a. auch durch einen minimalen
Sauerstoffverbrauch auszeichnet, wodurch der Kreislauf
und die Organtätigkeit des Patienten nicht
überanstrengt wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und
deren zweckmäßigen Ausgestaltungen werden anhand der
folgenden Beispiele noch einmal dargestellt:
Mit dem einen Sensor wird die
Kerntemperatur gemessen, mit dem zweiten
eine Peripherietemperatur, z. B. am Fuß.
Die Kerntemperatur ist ungefähr 37°C,
der Fuß ist ca. 2°C kälter.
Als Temperaturdifferenz-Sollwert wird
1°C eingestellt. Also wird die
Inkubatorluftheizung zugeschaltet, um
den Säugling stärker zu erwärmen.
Erreicht die Differenz zwischen Kern-
und Peripherietemperatur den Sollwert
von 1°C, dann wird die Heizung
ausgeschaltet.
Die Sollwertvorgabe für die
Temperaturdifferenz wird von dem
Bedienungspersonal, abhängig von dem
Alter, dem Geburtsgewicht und dem
Gestationsalter entschieden und an der
Meßwertverarbeitungseinheit über ein
Tastenfeld eingegeben.
Obwohl ein Sollwert für die
Temperaturdifferenz von 3°C eingegeben
wurde und der Fuß 4°C kälter als der
Kern ist, schaltet die Heizung des
Inkubators nicht ein, wenn die
Kerntemperatur größer ist als 37,5°C.
Der Säugling könnte sich gerade in einem
fiebrigen Zustand befinden, bei dem der
Blutstrom zentralisiert wurde. Dieser
Zustand kann durch die gleichzeitige
Messung der absoluten Kerntemperatur und
durch die Temperaturdifferenzmessung
erkannt und entsprechend gewarnt werden.
Dieses wird von den bekannten
Temperaturregeleinrichtungen nicht
erkannt. Die Inkubatorheizleistung wäre
noch verstärkt und der fiebrige Zustand
verschlimmert worden, ohne daß eine
Warnung gegeben würde, wenn nur der
Periphertemperatur-Istwert zur Regelung
herangezogen worden wäre.
Der Patient ist gerade in einen
schockähnlichen Zustand geraten: Die
Kerntemperatur ist normal, und die
Peripherie ist plötzlich stark
abgefallen. Dieses wird von der
Meßwertverarbeitungseinheit als
Schockzustand analysiert, und es kann
Hilfe durch entsprechende Warnung
herbeigerufen werden. Die Heizung des
Inkubators kann normal weiterlaufen,
damit der Säugling nicht auskühlt oder
überhitzt.
Dieser Zustand konnte von den bisherigen
Temperaturregeleinrichtungen ebenfalls
nicht erkannt werden. Diese hätten die
Inkubatorheizleistung stark erhöht und
den Säugling evtl. überhitzt, ohne eine
Warnung zu geben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der
schematischen Zeichnung dargestellt und im folgenden
näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Inkubators mit
der Meßwertverarbeitungsanlage
Fig. 2 ein logisches Ablaufdiagramm für die
Steuerung der Betriebsparameter.
In Fig. 1 ist ein Inkubatorgehäuse (1) dargestellt,
über welches eine Inkubatorhaube (2) aufgesetzt ist,
in dessen Innenraum sich eine Liegefläche (3)
befindet. Auf dieser Liegefläche (3) ruht ein Patient
(4), an den ein erster Temperatursensor (5) zur
Messung der Kerntemperatur TK und ein zweiter
Temperatursensor (6) zur Messung der
Peripherietemperatur TP am Fuß angebracht sind. Die
Anwärmung des Inkubatorinnenraumes erfolgt durch eine
Umwälzung der Innenraumluft entlang der dargestellten
Strömungspfeile (7). Dabei wird die Inkubatorluft
durch einen Strömungskanal (8) geführt, in dessen
Verlauf sich sowohl eine Heizvorrichtung (9) sowie ein
Lüfter (10) befinden. Dadurch wird die Strömung der
angewärmten Inkubatorluft aufrechterhalten. Die
Heizvorrichtung (9) und der Lüfter (10) sind über
Anschlußkontakte (11) an jeweilige zugehörige, nicht
dargestellte Stromversorgungseinheiten angeschlossen.
Die Temperatursensoren (5, 6) und die Meßverstärker
(15, 16) sind an eine Meßwertverarbeitungsanlage (12)
angeschlossen. Die von den Sensoren (5, 6) ermittelten
Istwerte sind an der Istwert-Darstellung (13)
angezeigt. Die beiden von den Meßverstärkern (15, 16)
übermittelten Werte werden von der
Meßwertverarbeitungsanlage (12) verglichen und der
sich ergebende Differenzwert an der
Differenzwertdarstellung (14) angezeigt. Die zu den
Temperaturwerten und den Differenzwerten zugehörigen
Sollwerte sind an der Sollwertdarstellung (17) und der
Differenzsollwertdarstellung (18) eingegeben und
angezeigt. Die entsprechenden Sollwerte (17, 18)
werden der Meßwertverarbeitungsanlage (12) zugeführt.
Istwerte und Sollwerte werden in der
Meßwertverarbeitungsanlage in einem in ihr enthaltenen
Prozeßrechner nach einem einprogrammierten Algorithmus
logisch verknüpft und die entsprechenden logischen
Ergebnisse als ein Logiksignal an einen
nachgeschalteten Regler (19) weitergegeben, der über
eine Regelleitung (20) mit einem der Anschlußkontakte
(11) der Heizvorrichtung (9) verbunden ist. Je nachdem
wie das logische Ergebnis aus der
Meßwertverarbeitungsanlage ermittelt wird, wird über
eine Warn- und Anzeigevorrichtung (21) der den
gemessenen Temperaturwerten zugrunde liegende
Wärmezustand des Patienten in Form eines Textes
angezeigt bzw. unerwünschte Zustände optisch und/oder
akustisch übermittelt.
Fig. 2 stellt einen logischen Ablauf dar, wie er in
dem Algorithmus der Meßwertverarbeitungsanlage (12)
abgearbeitet wird. Die Signale aus den Meßverstärkern
(15, 16) werden zunächst daraufhin überprüft, welche
der beiden von den Sensoren (5, 6) ermittelten
Temperaturen TK und TP die größere ist. Danach
wird beispielsweise festgestellt, daß die höhere der
Temperaturen die Kerntemperatur TK ist. Nach
anschließender Differenzwertbildung Delta T wird
abgefragt, ob der Istwert TK größer als der Sollwert
TK (oberer Grenzwert) ist. Falls dies zutrifft, wird
die Heizung ausgeschaltet und eine akustische Warnung
gegeben sowie als Text auf der Warn- und
Anzeigevorrichtung (21) das Wort "Fieber" angezeigt.
Ist der Istwert TK kleiner als der Sollwert TK
(unterhalb des oberen Grenzwertes) wird weiterhin
gefragt, ob der Istwert der Temperaturdifferenz Delta
T gleich dem Sollwert für die Temperaturdifferenz
Delta T ist. Falls dies zutrifft, wird die Heizung
ausgeschaltet, falls jedoch der Istwert Delta T
kleiner als der Sollwert Delta T ist, wird
anschließend abgefragt, wie groß die Wachstumsrate des
Istwertes Delta T ist. Ist sie hoch, erkennt der
Algorithmus der Meßwertverarbeitungsanlage (12) einen
Schockzustand, der an der Warn- und Anzeigevorrichtung
(21) akustisch und durch eine Textanzeige "Schock"
dargestellt wird. Die Heizung (9) bleibt dabei
eingeschaltet und die Inkubator-Temperatur wird auf
normale Regelwerte eingestellt. Ist die Abweichung des
Istwertes Delta T von dem Sollwert Delta T nur langsam
im Verlaufe der Zeit erfolgt, ist eine unerwünsche
Abkühlung der Peripherie eingetreten, so daß die
Heizung entsprechend in ihrer notwendigen
Leistungszufuhr eingeschaltet wird.
Claims (6)
1. Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter
eines Gerätes zur Warmhaltung von Früh- und
Neugeborenen, bei dem, zur Ermittlung der
Zustands-Istwerte, mit dem Körper bzw. mit seiner
Umgebungsatmosphäre in Verbindung stehende
Sensoren vorgesehen sind, deren Ausgangswerte
einer Meßwertverarbeitungsanlage zugeführt und von
dieser zu Stellgrößen zur Beeinflussung der
Betriebsparameter verarbeitet werden, dadurch
gekennzeichnet, daß von wenigstens zwei an dem
Körper (4) anbringbaren Temperatursensoren (5, 6)
Ausgangs-Istwerte der Meßwertverarbeitungsanlage
(12) zugeführt werden, welche aus dem Istwert des
ersten Temperatursensors (5) und der Differenz
zwischen den Istwerten des ersten (5) und des
zweiten (6) Temperatursensors Delta T einen
logischen Vergleichswert ermittelt, und daß aus
dem Vergleichswert die Stellgröße der
Betriebsparameter des Inkubators (1, 2) verändert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich aus dem Istwert des ersten
Temperatursensors (5) und dem Istwert des zweiten
Temperatursensors (6) ein logischer Vergleichswert
hergestellt und daraus die Stellgröße der
Betriebsparameter des Inkubators verändert wird.
3. Verfahren zur Steuerung der Betriebsparameter
eines Gerätes zur Warmhaltung von Früh- und
Neugeborenen, bei dem zur Ermittlung der
Zustands-Istwerte, mit dem Körper bzw. mit seiner
Umgebungsatmosphäre in Verbindung stehende
Sensoren vorgesehen sind, deren Ausgangswerte
einer Meßwertverarbeitungsanlage zugeführt und von
dieser zu Stellgrößen zur Beeinflussung der
Betriebsparameter verarbeitet werden, dadurch
gekennzeichnete daß der istwert eines ersten
Temperaturfühlers (5) für die Tempertemperatur an
eine Meßwertverarbeitungsanlage (12) weitergegeben
wird, daß der Istwert eines zweiten
Temperaturfühlers (6) für die Tempertemperatur mit
einem vorgebbaren Temperatursollwert für diese von
dem zweiten Sensor (6) gemessene Temperatur in der
Meßwertverarbeitungsanlage (12) verglichen und die
Differenz beider Signale ermittelt wird, und daß
das so ermittelte Differenzsignal zusammen mit den
Istwerten des ersten Sensors (5) und des zweiten
Sensors (6) durch eine logische
Verknüpfungsschaltung innerhalb der
Meßwertverarbeitungsanlage (12) zu einer
Stellgröße für die Betriebsparameter des
Inkubators verarbeitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnete daß bei überschreiten des
Temperatur-Istwertes des ersten Sensors (5) eines
ersten Obergrenzwertes die Wärmezufuhr in den
Inkubatorinnenraum unterbrochen wird, und daß bei
dessen Unterschreiten eines unteren Grenzwertes
und bei gleichzeitigem Vorliegen einer
Istwert-Differenz zwischen beiden Sensoren (5, 6)
die Wärmezufuhr in geregelter Form wieder in Gang
gesetzt bzw. aufrechterhalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Temperatursensor (5) ein einen für die
Kerntemperatur repräsentativen Istwert
ermittelnder, und der zweite Temperatursensor (6)
ein einen für die Peripherie repräsentativen
Istwert ermittelnder Fühler ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des
Temperatur-Istwertes eines der beiden Sensoren (5,
6) über einen Obergrenzwert die Wärmezufuhr
unterbrochen wird, und daß bei Unterschreiten des
Temperatur-Istwertes des ersten Sensors (5)
unterhalb eines unteren Grenzwertes und bei
Vorliegen des Temperatur-Istwertes des zweiten
Sensors innerhalb eines vorgebbaren
Temperaturbereichs die Wärmezufuhr wieder in Gang
gesetzt bzw. aufrechterhalten wird.
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