DE60027998T2

DE60027998T2 - Beatmungsgerät mit Hochfrequenzoszillator

Info

Publication number: DE60027998T2
Application number: DE60027998T
Authority: DE
Inventors: Johan Bennarsten
Original assignee: Maquet Critical Care AB
Current assignee: Maquet Critical Care AB
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: SE0000206D0; US20010009152A1; EP1120125A3; EP1120125A2; US6595213B2; DE60027998D1; JP2001252361A; EP1120125B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventilator mit Hochfrequenzoszillator (HFO).
Die Funktion des HFO-Ventilators besteht darin, einen Patienten vollständig zu beatmen, indem in eine Gassäule, die mit den Luftwegen eines Patienten in Verbindung steht, Druckschwankungen eingeleitet werden. Diese Schwankungen verursachen abwechselnd die Zufuhr von Atemgas zu und die aktive Extraktion des gelieferten Gasvolumens aus den Luftwegen des Patienten. Zwischen zwei Spitzen beträgt die Druckamplitude um einem mittleren Atemwegsdruck normalerweise zwischen 0,05 Bar und 0,2 Bar und oszilliert mit einer Regelfrequenz zwischen 10 Hz und 50 Hz, damit ein Tidalvolumen zugeführt wird, das wesentlich geringer ist als das während der Spontanatmung erforderliche Tidalvolumen, für gewöhnlich gleich oder annähernd gleich anatomischen Totraumvolumina, und normalerweise niedriger ist als das von einem Strahlgerät während der Hochfrequenz-Jetbeatmung zugeführte Tidalvolumen.
Dies steht auch in deutlichem Gegensatz zur Funktionsweise herkömmlicher mechanischer Ventilatoren. Die Funktion des herkömmlichen mechanischen Ventilators besteht allgemein darin, einen Patienten vollständig zu beatmen, indem seine Luftwege in einer Menge und mit einer Frequenz, die im Wesentlichen denen eines spontan atmenden Patienten entsprechen, mit Atemgas versorgt werden. Demnach führt ein herkömmlicher mechanischer Ventilator einem Erwachsenen bei einer Frequenz von etwa 0,2 Hz ein Tidalvolumen von etwa 500 Milliliter zu.
Der HFO-Ventilator umfasst im Allgemeinen eine Gasleitung, die an einem Ende eine Öffnung zum Anschluss an die Atemwege des Patienten und ein abgewandtes Ende hat, das in Gasverbindung mit einem Oszillator vorgesehen ist. Der Oszillator enthält in der Regel ein hin und her bewegliches Element, zum Beispiel eine Membran oder einen Kolben, die Teil eines veränderlichen Gashaltevolumens sind, mit dem das Ende der Leitung in Gasverbindung steht. Es wird eine Antriebseinheit vorgesehen, die das bewegbare Element mit einer vorbestimmten Hochfrequenz hin und her bewegt, damit abwechselnd ein Gasvolumen aus der Gasleitung entnommen und in diese zurückgeführt wird. Dabei werden dem Gas in der Leitung mit dieser Frequenz abwechselnde Unter- und Überdruckpulse zugeführt, die entlang einem Beatmungsweg wandern, der das veränderliche Gashaltevolumen mit den Luftwegen des Patienten verbindet. Dies bewirkt, dass eine Gassäule, deren Volumen von der Volumenänderung des Oszillators abhängt, aus den Luftwegen des Patienten heraus und in diese hinein geführt und dadurch eine Ventilation ermöglicht wird. Ein kontinuierlicher, so genannter „Bias"-Flow von frischem Atemgas bewegt sich zwischen einem Einlass und einem Auslass entlang einem Strömungsweg, der den Beatmungsweg der sich bewegenden Gassäule in der Leitung schneidet. Der Bias-Flow wäscht kohlendioxidreiches (CO₂) Gas, das durch den Unterdruckpuls aus den Lungen des Patienten gezogen worden ist, aus dem Beatmungsweg. Der Bias-Flow hält zudem einen mittleren positiven Atemwegsdruck (oder Bias), um den herum die Hochfrequenzdruckpulse oszillieren.
Um eine geeignete CO₂-Entfernung sicherzustellen, wird ein typischer Bias-Flow zwischen 20 bis 90 Litern pro Minute verwendet, je nachdem ob ein Kind oder ein Erwachsener beatmet wird. Bei diesem höchsten Durchfluss von etwa 90 Litern pro Minute hat sich die CO₂-Entfernung für Erwachsene als ungeeignet erwiesen. Sogar bei Kindern muss die Oszillationsfrequenz reduziert werden, um eine ausreichende CO₂-Entfernung zu ermöglichen (eine Reduzierung der Oszillationsfrequenz ermöglicht das Zuführen und Entfernen größerer Tidalvolumen). Arbeitet der Ventilator jedoch mit einer Frequenz unterhalb der optimalen physiologischen Frequenz ist es häufig erforderlich, das zugeführte Tidalvolumen zu erhöhen, um eine ausreichende Sauerstoffaufnahme des Patienten zu ermöglichen. Dies führt zu einer notwendigerweise niedrigeren Oszillationsfrequenz und einer Erhöhung der Bias-Flowrate.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilator mit Hochfrequenzoszillator angegeben, der im vorliegenden Anspruch 1 beschrieben und darin gekennzeichnet ist. In Anspruch 1 wird ein Extraktionsgerät, zum Beispiel eine Vakuumpumpe oder ein Behälter mit variablen Volumen, vorgesehen, damit zusätzlich zu dem durch den Bias-Flow entfernten kohlendioxidreichen Atemgas eine Menge desselben aus dem Beatmungsweg entfernt wird, um dadurch die Menge des vom Patienten rückgeatmeten Kohlendioxids zu reduzieren.
Das Extraktionsgerät ist an einer Stelle zwischen dem Bias-Flow Gasweg und den Luftwegen eines Patienten in Gasverbindung mit dem Beatmungsweg verbindbar. Dies hat den Vorteil, dass kohlendioxidreiches Gas, welches durch den Bias-Flow nicht ausgewaschen und damit anderweitig rückgeatmet werden würde, aus dem System entfernt und durch frisches Gas aus dem Bias-Flow-Gas ersetzt wird.
Nützlicherweise wird das Extraktionsgerät in zeitlich abgestimmter Beziehung mit dem Oszillator betrieben, damit Gas nur während eines Teils des Atemzyklus entnommen wird. Dieser umfasst überwiegend die Exspirationsphase und besonders einen Endabschnitt der Exspirationsphase, in dem das extrahierte Gas analysiert werden kann, um Informationen über beispielsweise endexspiratorische CO₂-Anteile zu liefern, die zur Überwachung der Leistungsfähigkeit der HFO-Behandlung hilfreich sind. Indem der Betrieb des Extraktionsgerätes zeitlich im Wesentlichen auf die Exspirationsphase festgelegt ist, bleibt das an den Patienten während der Inspirationsphase des Oszillators zugeführte Tidalvolumen größtenteils unbeeinflusst vom Betrieb des Extraktionsgerätes. Zudem ist auch ein Durchflussregler, beispielsweise ein Druckregler, in Gasverbindung mit dem Bias-Flow Gaseinlass vorgesehen. Dieser Regler ändert den Fluss des durchströmenden Bias-Gases, um die durch den periodischen Betrieb des Extraktionsgerätes entfernte Gasmenge zu kompensieren.
Mit Bezug auf die Zeichnungen der beiliegenden Figuren werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, in denen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführung eines HFO-Ventilators nach der vorliegenden Erfindung.
2 eine schematische Darstellung eines Teils einer alternativen Ausführung eines HFO-Ventilators nach der vorliegenden Erfindung.
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Extraktionsgerätes, welches als Teil eines HFO-Ventilators nach der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
In 1 ist ein HFO-Ventilator 2 gezeigt, der mit einem herkömmlichen Endotrachealtubus 4 verbunden ist, welcher bei Verwendung in die Luftwege eines Patienten eingeführt werden soll. Ein Y-Stück 6 des Ventilators 2 ist mit einem gemeinsamen, mit dem Endotrachealtubus 4 verbindbaren Schenkel 8 und mit unabhängigen Schenkeln 10, 12 angeordnet, die mit einer Exspirationsleitung 14 beziehungsweise mit einem Oszillator 16 verbunden sind.
Um gegen einen Gasfluss bei Betriebsfrequenzen der Oszillatoreinheit 16 einen erhöhten Widerstand zu leisten, ist die Exspirationslinie 14 als Tiefpassfilter ausgebildet. Sie ist zudem über ein Drucksteuerventil wie ein Einwegeventil 18 oder ein Zweiwegeventil mit dem Schenkel 10 verbunden, welches so angeordnet ist, dass es einen Gasfluss vom Y-Stück 6 in die Linie 14 erlaubt, damit der Druck auf die Luftwege des Patienten auf einem vorbestimmten Level gehalten wird („mittlerer Atemwegsdruck"). Dieser Druck wird so ausgewählt, dass die Luftwege offen gehalten werden.
In dieser Ausführung umfasst der Oszillator 16 ein Gehäuse 20, in dem ein Kolbenkopf 22 angeordnet ist. Es ist jedoch jeder Oszillator geeignet, der in herkömmlichen HFO-Ventilatoren verwendet wird. Der Kopf 22 ist mittels einer Antriebseinheit 24 hin und her bewegbar und in Gasverbindung mit einer Leitung 26 angeordnet, die ihrerseits mit dem Schenkel 12 des Y-Stücks 6 verbunden ist. Ein Signalgenerator 28 ist mit der Antriebseinheit 24 des Oszillators 16 betriebsmäßig verbunden, damit er an die Einheit 24 ein variables Frequenzsteuersignal zuführt, das in der Regel zwischen 10 Hz und 50 Hz liegt. Diese bewegt den Kolbenkopf 22 mit der zugeführten Frequenz hin und her. Folglich induzierte zyklische Druckschwankungen im Gas in der Leitung 26 werden entlang einem Beatmungsweg weitergeleitet, der den Oszillator 16 mit den Luftwegen eines Patienten verbindet und die Leitung 26 sowie die Schenkel 12 und 8 des Y-Stücks 6 einschließt. Diese Druckoszillationen bewirken, dass sich eine Gassäule mit der Wechselfrequenz des Kolbens 22 durch eine Öffnung 30 des Y-Stücks 6 hindurch in die Luftwege eines Patienten hinein und aus diesen heraus bewegt, sodass jeweils Inspirations- und Exspirationsphasen eines Atemzyklus eines Patienten erzeugt werden.
An einem Einlass 34 ist eine Bias-Gas-Versorgung 32 über ein Drucksteuerventil 36 mit der Leitung 26 verbunden. Dieses Drucksteuerventil kann zum Beispiel ein Pilzventil sein, das geeignet ist, seine Öffnung in Abhängigkeit von einem Druckunterschied auf beiden Seiten des Ventils 36 zu ändern. Dadurch reguliert das Ventil 36 den Fluss des Bias-Gases zwischen dem Einlass 34 und einem Auslass 10, damit der Druck in der Leitung 26 auf einem festgelegten Druck gehalten wird.
Eine Vakuumpumpe 38 sorgt an einem Einlass 40 für ein kontinuierliches und bedienervariables Vakuum. Dieses Vakuum kann über ein steuerbares Ein/Aus-Ventil 44, das in einer zeitlich abgestimmten Beziehung mit dem Betrieb des Oszillators 16 arbeiten kann, an einen Tubus 42 mit kleinem Querschnitt in dem gemeinsamen Schenkel 8 des Y-Stücks 6 übertragen werden. Das Ventil 44 ist mit dem Signalgenerator 28 betriebsmäßig verbunden, damit es synchron mit dem an die Antriebseinheit 24 gelieferten Signal ein Signal empfängt, welches den Betrieb des Ventils 44 steuert. Im vorliegenden Beispiel kann das Ventil 44 durch das empfangene Signal so gesteuert werden, dass es während Unterdruckphasen (entsprechend den Exspirationsphasen eines Atemzyklus eines Patienten) öffnet. Diese Unterdruckphasen werden im Gas in der Leitung 26 induziert, wenn sich der Kolben bewegt, um das Gashaltevolumen des Gehäuses 20 zu erhöhen. Auf diese Weise wird während der Exspirationsphasen Atemgas proximal der Öffnung 30 entzogen. Dies führt dazu, dass der Druck in der Leitung 26 fällt, das Durchflusssteuerventil 36 weiter öffnet und sich der Bias-Gasfluss entsprechend erhöht.
Der Fachmann wird verstehen, dass das Ein/Aus-Ventil 44 so betätigbar ist, dass es während des Atemzyklus jederzeit öffnet oder sogar weggelassen werden kann, um für eine kontinuierliche Extraktion zu sorgen, was von der beanspruchten Erfindung nicht abweicht.
Nunmehr wird der in 2 gezeigte Abschnitt eines HFO-Ventilators 46 betrachtet. In diesem sind Elemente, die mit dem HFO-Ventilator 2 aus 1 gemeinsam sind, mit identischen Bezugszeichen versehen. Wie oben in Bezug auf den HFO-Ventilator 2 aus 1 beschrieben, sind die Schenkel 10, 12 eines Y-Stücks 6 des HFO-Ventilators 46 einzeln über ein Einwegventil 18 mit der Exspirationslinie 14 beziehungsweise mit einer Leitung 26 verbunden, die eine Gasverbindung mit dem Oszillator 16 bildet (nicht gezeigt). Der gemeinsame Schenkel 8 des Y-Stücks 6 ist mit einem Endotrachealtubus 48 verbunden, der zur Gasverbindung mit den Luftwegen eines Patienten eine Öffnung 50 hat. Es ist zudem ein Tubus 52 mit kleinem Querschnitt vorgesehen, der mit dem Endotrachealtubus 48 einstückig ausgebildet sein kann und ein offenes Ende 54 hat, das vorzugsweise im Endotrachealtubus 48 endet und an seinem abgewandten Ende mit einem Einlass 56 eines größenveränderlichen Gashaltevolumens 58 eines Extraktionsgerätes 60 verbunden ist.
Das Extraktionsgerät 60 umfasst eine magnetisch bewegbare Membran 62, die einen bewegbaren Wandabschnitt des Gashaltevolumens 58 bildet. Es sind elektromagnetische Antriebseinheiten 64 vorgesehen, welche die Membran 62 in Erwiderung auf ein AC-Signal vom Signalgenerator 28 hin und her bewegen. Dieses AC-Signal wird synchron mit einem ebenfalls vom Signalgenerator 28 ausgegebenen Steuersignal, das den Betrieb des Oszillators 16 steuert, zugeführt. Auf diese Weise kann sich die Größe des Gashaltevolumens 58 in einem zeitlich festgelegten Verhältnis mit den Phasen des vom Oszillator 16 erzeugten Atemzyklus verändern, vorzugsweise so, dass Gas während Exspirationsphasen aus den Luftwegen eines Patienten entzogen wird. Wenn sich die Membran 62 im Betrieb bewegt, um die Größe des Volumens 58 zu erhöhen, wird durch den Einlass 56 des Tubus 52 mit kleinem Querschnitt kohlendioxidreiches Atemgas in das Volumen 58 gezogen. Wenn sich die Membran bewegt, um die Größe des Volumens 58 zu verringern, wird das kohlendioxidreiche Gas vom Extraktionsgerät durch einen Auslass 66 ausgestoßen. Einwegventile 68, 70 werden in Gasverbindung jeweils mit dem Einlass 56 and dem Auslass 66 vorgesehen. Diese sind so angeordnet, dass sie ein Bewegen des Gases durch das Extraktionsgerät 60 nur in eine Richtung, das heißt vom Einlass 56 zum Auslass 66, sicherstellen, wenn sich die Membran 62 hin und her bewegt. Der Fachmann wird verstehen, dass die Membran 62 von anderen üblichen Mitteln, als elektromagnetischen Mitteln angetrieben und dass die Membran 62 durch andere herkömmliche hin und her bewegende Elemente wie einen Kolben ersetzt werden kann, ohne vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
Eine Gasversorgung 32 führt einem an dem Y-Stück 6 angeordneten Einlass 34 einen Bias-Gasfluss zu, welcher durch den Schenkel 10 aus dem Ventilator 46 herausströmt. Um den Bias-Gasfluss zum Einlass 34 zu steuern, ist die Gasversorgung mit einem Durchflussregler 72 ausgestattet. Der Durchflussregler 72 umfasst ein variabel öffnendes Ventil, das seine Öffnung um einen vorbestimmten Betrag vergrößert, wenn das Extraktionsgerät 60 Gas aus dem Beatmungsweg entnimmt, und seine Öffnung um denselben vorbestimmten Betrag verringert, wenn Gas nicht mehr aus dem Beatmungsweg entnommen wird. Das Öffnen und Schließen des Ventils des Flussreglers 72 wird mittels eines vom Signalgenerator 28 empfangenen Steuersignals mit dem Betrieb des Extraktionsgerätes 60 synchronisiert.
In 3 ist ein weiteres Extraktionsgerät 74 gezeigt, das die jeweils in den 1 und 2 dargestellten Extraktionsgeräte 38, 44 und 60 ersetzen kann. Ein hin und her bewegbares Element, das hier als Kolbenkopf 76 gezeigt ist, wird als eine teilende Wand zwischen zwei größenveränderlichen Gashaltevolumen 78, 80 angeordnet. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens 76 bewirkt, dass sich diese Volumen gegenläufig zueinander verändern. Jedes Volumen 78, 80 ist mit einem Gaseinlass 82, 84 und einem Gasauslass 86, 88 versehen, die in Gasverbindung mit einzelnen Einwegventilen 90a–d verbunden sind. Diese sind so angeordnet, dass sie sicherstellen, dass das Gas in jedes und aus jedem der Volumen 78, 80 nur in eine Richtung strömt. Ein Steuerventil 92, das ein „T"-Ventil sein kann, sorgt für eine auswählbare Verbindung von einem Einlass oder zwei Einlässen 82, 84 zum Beatmungsweg.
Eine Antriebseinheit 94 des Extraktionsgerätes 74 ist derart betätigbar, dass sich der Kolbenkopf 76 in einem zeitlich festgelegten Verhältnis zum Betrieb eines Oszillators hin und her bewegt. Dieser wird zum Herbeiführen von hochfrequenten Druckschwankungen entlang einem Beatmungsweg eines HFO-Ventilators (nicht gezeigt) verwendet, von dem das Extraktionsgerät 74 eine Komponente ist. Zu diesem Zweck wird ein Signalgenerator 28, der dem Oszillator auch das hochfrequente Steuersignal zuführt, wie beispielsweise in Bezug auf den HFO-Ventilator 2 aus 1 beschrieben, mit der Antriebseinheit 94 betriebsmäßig verbunden. Dadurch kann er an diese ein Steuersignal mit einer Frequenz liefern, die von der Frequenz abhängt, mit der das Signal an den Oszillator geliefert wird. Das Steuersignal wird von der Einheit 94 zur Steuerung der Wechselfrequenz des Kolbens 76 verwendet.
Als Beispiel wird nun der Betrieb des Extraktionsgerätes 72 für den Fall beschrieben, in dem das Ventil 90 so eingestellt ist, dass es beide Einlässe 80, 82 mit dem Beatmungsweg verbindet. Wenn sich der Kolbenkopf bewegt, um die Größe des Volumens 76 zu verringern, strömt Gas in diesem Volumen aus dem Auslass 84 heraus. Gleichzeitig vergrößert sich die Größe des Volumens 78 und über den Einlass 82 tritt Gas aus dem Beatmungsweg in das Volumen 78 hinein.
Am Ende des Kolbenhubs wird der Kolbenkopf von der Einheit 92 in die entgegengesetzte Richtung bewegt, damit die Größe des Volumens 78 verringert und auf diese Weise Gas durch den Auslass 86 ausgestoßen wird. Gleichzeitig vergrößert sich die Größe des Volumens 76 und Gas tritt durch den Einlass 80 hinein. Das Extraktionsgerät 72 kann derart ausgebildet werden, dass Atemgas während des gesamten oder während eines Teils eines Atemzyklus aus einem HFO-Ventilator entzogen wird. Dies wird durch Auswählen der Wechselwirkungsfrequenz und der Maximalgröße der Volumina 76, 78 sowie durch Wahl der Betriebsstellung des Steuerventils 90 erreicht.

Claims

Ventilator (2, 46) mit Hochfrequenzoszillator (HFO) umfassend eine Gasleitung (26, 6, 48) mit einer Öffnung (30, 50) für einen Gasanschluss mit den Luftwegen eines Patienten, sowie einen Bias-Flow Gaseinlass (34) und einen Auslass (10), die so angeordnet sind, dass sie dazwischen einen Bias-Flow Gasweg in der Leitung (26, 6) bilden, und einen Oszillator (16), der so bedienbar ist, dass er in der Leitung (26, 6, 48) Druckschwankungen im Gas induziert, um ein Gasvolumen entlang eines den Bias-Flow Gasweg schneidenden Beatmungsweges mit einer vorbestimmten Hochfrequenz abwechselnd in die und aus der Öffnung (30, 50) zu bewegen, um jeweils eine Inspirationsphase und eine Exspirationsphase eines Atemzyklus zu ermöglichen, wobei der HFO-Ventilator ferner ein Extraktionsgerät (38, 44, 60, 70) umfasst, das während des Atemzyklus bedient wird, um Gas aus dem Beatmungsweg zu entnehmen, und der HFO-Ventilator dadurch gekennzeichnet ist, dass das Extraktionsgerät (38, 44, 60, 70) in Gasverbindung mit dem Beatmungsweg an einer Stelle außerhalb des Bias-Flow Gaswegs hin zu den Luftwegen des Patienten verbindbar ist.
HFO-Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Extraktionsgerät (38, 44, 60, 74) so bedienbar ist, dass Gas nur während eines vorwiegend die Exspirationsphase umfassenden Teils des Atemzyklus entnommen wird, und dass auch ein Durchflussregler (36, 72) vorgesehen ist, der in Gasverbindung mit dem Bias-Flow Gaseinlass (34) ist und geeignet ist, den Fluss des durchströmenden Bias-Gases in Abhängigkeit vom Betrieb des Extraktionsgerätes (38, 44, 60, 70) zu ändern.
HFO-Ventilator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Extraktionsgerät (38, 44, 60, 74) so bedienbar ist, dass Gas nur in der Exspirationsphase entnommen wird.
HFO-Ventilator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussregler einen Druckregler (36) umfasst, der geeignet ist, den Bias-Flow zu ändern, damit er in der Leitung (26) einen vorbestimmten mittleren Atemwegsdruck hält.
HFO-Ventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Extraktionsgerät (60, 74) ein größenveränderliches Gashaltevolumen (58, 78, 80) umfasst, das mit dem Beatmungsweg in Gasverbindung ist und geeignet ist, abwechselnd die Größe des Volumens (58, 78, 80) zu erhöhen, um Gas aus dem Beatmungsweg zu entnehmen, und die Größe des Volumens (58, 78, 80) zu verringern, um entnommenes Gas vom Flussweg abzulassen.
HFO-Ventilator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Extraktionsgerät (38, 44) eine Vakuumpumpe (38) umfasst, die in Gasverbindung an den Beatmungsweg anschließbar ist.