DE60121083T2

DE60121083T2 - Befeuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60121083T2
Application number: DE60121083T
Authority: DE
Inventors: Paul John Pakuranga Seakins; Malcolm David Royal Oak Smith; Mohammad Parnell Thudor
Original assignee: Fisher and Paykel Healthcare Ltd
Current assignee: Fisher and Paykel Healthcare Ltd
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2021-03-20
Also published as: US9555210B2; CA2616691C; ATE352340T1; CN102580219A; CN1623612B; ES2280890T3; US6918389B2; CA2617234A1; CN1623612A; EP1522326A1; EP1138341B1; EP1681072B1; US20040074493A1; JP2008183413A; US20150090260A1; EP1790371A3; CA2341151C; CN102580219B; US20010050080A1; JP2012081287A

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Befeuchtungssystem, insbesondere, aber nicht ausschließlich zum Vorsehen einer Atemhilfe bei Patienten, welche eine mechanische Belüftung oder eine Atemhilfe erhalten.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Es ist eine Reihe von Verfahren im Bereich der Zufuhr von befeuchteten Gasen bei einem Patienten, welcher eine Atemhilfe benötigt, bekannt. Solche Befeuchter nach dem Stand der Technik umfassen im Allgemeinen eine Quelle für Druckluft (oder andere Gasmischungen), eine Befeuchtungskammer einschließlich einer Wasserquelle und einem Heizmittel zum Verdampfen von Wasser und eine Leitung, um die Befeuchtungsgase zu dem Patienten oder Anwender zu leiten.
Beispielsweise beschreibt das US-Patent 4,038,980 einen „Blitzverdampfungs"-Befeuchter, bei welchem Wasser auf ein Heizelement mit geringer Thermomasse tropft, um einen respiratorischen Feuchtigkeitsgehalt zu erzeugen. Der Wortlaut sagt, dass „Steuermittel automatisch vorgesehen sein können, um die Wasserzufuhrrate in Reaktion auf Mittel, welche die relative Feuchtigkeit erfassen, zu regulieren", jedoch wird eine manuelle Steuerung der Wasserfließgeschwindigkeit vorgezogen. Die Vorrichtung umfasst einen Feuchtigkeitssensor und steuert den Wasserverbrauch anstatt den Umfang des elektrischen Heizens zu steuern.
Das US-Patent 5,092,326 beschreibt auch die Verwendung eines Feuchtigkeitssensors in einem Befeuchter. Es beschreibt ein Hochfrequenz-Ventilationssystem, welches einen beheizten Befeuchter und einen Feuchtigkeitssensor umfasst, wobei diese mit einem zentralen Mikroprozessor verbunden sind. Es ist eine Vorrichtung zum Befeuchten einer Gasmischung offenbart, welche zu den Luftwegen geliefert wird, und ein Mikroprozessor steuert die der Gasmischung zugeführte Feuchtigkeitsmenge. Während ein Feuchtigkeitssensor an den Atemwegen des Patienten offenbart ist, wird die tatsächlich zu verwendende Befeuchtungskonfiguration nicht beschrieben.
Das US Patent 5,769,071 beschreibt einen Befeuchter mit einem Wärme- und Feuchtigkeitsaustauscher (HME), einer Wasserzufuhr zum HME, einem Heizelement und einem Feuchtigkeitssensor. Der Feuchtigkeitssensor kann die Feuchtigkeit über die Wasserzufuhrmenge oder Temperatur (über das Heizelement) steuern. Auch ist der Feuchtigkeitssensor als am Atemweg des Patienten befindlich beschrieben.
Das US-Patent 5,988,164 beschreibt ein beheiztes Beatmungsrohrsystem zur Anwendung mit einem Befeuchter. Dieses verwendet einen Sensor für die relative Feuchtigkeit (in der Nähe des Patienten angeordnet) zum Steuern der durch den geheizten Beatmungskreislauf vorgesehenen Heizmenge, so dass das Gas ein konstantes Niveau relativer Feuchtigkeit aufweist. Der beheizte Beatmungskreislauf kann entweder eine elektrische Beheizung oder eine Beheizung über warmes, zirkulierendes Wasser in einem Rohr aufweisen. Auch ist eine Methode zum Steuern des elektrischen Heizdrahts oder des Heizwasserrohrs auf der Grundlage der Ausgabe des Sensors für die relative Feuchtigkeit beschrieben.
Die zuvor erwähnten US-Patente 4,038,980 und 5,769,071 beschreiben beide Befeuchter, bei welchen die Befeuchtungskammer nahe beim (proximal des) Patienten angeordnet ist. Diese weisen den Nachteil auf, dass Gewicht, Wärme und Komplexität nahe beim Patienten auftreten, was unpraktisch ist und für den Patienten schmerzvoll sein könnte. Von dem genannten Stand der Technik beschreibt nur das US-Patent 5,988,164 speziell eine Befeuchtungskammer, welche vom Patienten entfernt angeordnet ist.
Eine Vorrichtung, wie sie in dem Oberbegriff des Anspruch 1 definiert ist, ist in EP (A) 09234247 beschrieben.
Die Systeme nach dem Stand der Technik, welche eine Befeuchtungskammer verwenden, die vom Patienten entfernt angeordnet ist, weisen mehrere Nachteile auf. Man geht normalerweise davon aus, dass Gase, die solche Befeuchter nach dem Stand der Technik verlassen, mit Wasserdampf gesättigt sind (100% relative Feuchtigkeit). Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass die Gase, die solche Befeuchter verlassen, tatsächlich mit Wasserdampf gesättigt sind. Unter bestimmten Umständen (z.B. wenn die einströmende Luft bereits warm ist) können die Gase, welche solche Befeuchter verlassen signifikant weniger als 100% relative Feuchtigkeit aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sie typischerweise gesteuert sind, um eine gewünschte Auslassgastemperatur zu erreichen, welche in solchen Fällen nicht viel höher sein kann als die einströmende Luft.
Ein weiterer Nachteil der Systeme nach dem Stand der Technik besteht darin, dass es in den (manchmal beheizten) Leitungen, welche den Patienten mit dem Beatmungsgerät verbinden, zu einer Kondensation kommen kann. Dies kann geschehen, wenn das Temperaturprofil entlang solcher Leitungen nicht gleichmäßig ist und manchen Teilen der Leitung erlaubt, kälter zu sein als das Gas an diesen Stellen.
Ein dritter Nachteil solcher Systeme nach dem Stand der Technik besteht darin, dass Gas, welches den Befeuchter mit 100% relativer Feuchtigkeit verlässt, sofort durch eine Form von Leitungsheizelement erwärmt werden muss, da es sonst Wärme durch die Wände der Leitung verliert, was zu Kondensation führt und damit zu einem Abfallen der in dem Gas enthaltenen Menge an absoluter Feuchtigkeit.
Ein weiterer, vierter Nachteil der Systeme nach dem Stand der Technik besteht in der Notwendigkeit eines Sensors sehr nah am Patienten, was das Gewicht und den Umfang der Geräte an den Atemwegen des Patienten noch erhöht.
Ein fünfter Nachteil der Systeme nach dem Stand der Technik besteht darin, dass intermittierende oder variierende Fließgeschwindigkeiten dazu führen, dass die durch den Befeuchter erzeugte absolute Feuchtigkeit ungleichmäßig ist. Dies ist darauf zurück zu führen, dass die Fließgeschwindigkeit schneller variiert als jede Steuerungsschleife, welche in solchen Befeuchtern betrieben wird. Luft, welche mit hoher Fließgeschwindigkeit durch den Befeuchter gelangt, kann nur kurz erwärmt und befeuchtet werden, während Luft, die mit niedriger Geschwindigkeit durch die Kammer gelangt, heißer ist und eine höhere absolute Feuchtigkeit aufweist. Folglich ist es schwierig für eine Leitung in solchen Systemen nach dem Stand der Technik, diese Volumina mit hoher Feuchtigkeit ohne Kondensation und resultierenden Verlust an absoluter Feuchtigkeit zu transportieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 vorzusehen.
Fachleute, welche die Erfindung betrifft, werden sich ohne weiteres zahlreiche Veränderungen in der Konstruktion und weit voneinander abweichende Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung vorstellen können, ohne dass vom Rahmen der Erfindung, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, abgewichen wird. Die Offenbarungen und Beschreibungen hierin sind ausschließlich erläuternd und in keiner Weise einschränkend gedacht.
Die Erfindung besteht in dem Vorangehenden und betrifft auch Konstruktionen, für die nachfolgend Beispiele gegeben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 zeigt ein Beispiel eines Befeuchtungssystems, welches drei Teile umfasst,
2 zeigt eine Kammer, welche ein Metallelement integriert,
3 zeigt eine Kammer unter Verwendung eines porösen Materials zum Vorsehen einer Heiz- und einer Befeuchtungsfunktion,
4 zeigt eine Kammer unter Verwendung einer halbdurchlässigen Membran,
5 zeigt eine Kammer mit einem variablen Ventil, um den überführten Gasanteil anzupassen,
6 zeigt eine Kammer mit einem einstellbaren Ventil 30, bei welchem ein Teil des Gases befeuchtet wird, während der andere beheizt ist,
7 zeigt eine Kammer, bei welcher die Trockengaseingangskammer vorgeheizt ist,
8 zeigt eine Kammer, bei welcher die Trockengaseingangskammer nach dem Verlassen der Kammer geheizt ist,
9 zeigt eine Kammer kombiniert mit einem unbeheizten, gut isolierten Zuführrohr,
10 zeigt die Konstruktion eines Rohrs, welches flexible PTC-Elemente in einer parallelen Drahtkonfiguration umfasst,
11 zeigt eine Befeuchtungskonfiguration unter Verwendung des Rohrs in 10, und
12 zeigt eine Kammeranordnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein typisches Atembefeuchtungssystem, welches drei Teile umfasst:

1) eine in Abstand zu dem Patienten angeordnete Befeuchtungskammer, welche durch sie hindurch fließende Gase heizt und im Wesentlichen sättigt;
2) ein Zuführsystem, bestehend aus einem flexiblen Rohr, welches befeuchtete Gase von der Befeuchtungskammer 1 zu dem Gasauslass 5 trägt; und
3) eine Heizelementbasis, welche die Befeuchtungskammer 1 heizt und Mess- und Steuerfunktionen vorsieht.

Das zu befeuchtende Gas fließt in die Kammer 1 von der Öffnung 4 und verlässt das Zuführsystem 2 an der Gasausgangsöffnung 5. Gas von der Ausgangsöffnung 5 fließt zu einem Patienten über eine Gesichtsmaske oder Ähnliches (nicht gezeigt). Das System wird unter Verwendung von an den Positionen 7 und 8 angeordneten Sensoren – typischerweise Temperaturfühler – gesteuert. Trockene Gase am Gaseinlass 4 werden erwärmt und befeuchtet, indem sie über die Fläche heißen Wassers 6 in der Kammer 1 gelangen, so dass sie im Wesentlichen mit Wasserdampf gesättigt sind, wenn sie die Kammer 1 an der Ausgangsöffnung 10 verlassen. Heißes Wasser 6 wird von der Heizplatte 9 erhitzt, und der Umfang des Erhitzens wird derart gesteuert, dass das Gas an der Ausgangsöffnung 10 eine vorbestimmte Temperatur erreicht. Diese Temperatur wird von dem Sensor 7 gemessen. Daher bewirkt die Befeuchtungskammer 1, dass die medizinischen Gase erwärmt und befeuchtet werden, so dass sie an der Ausgabe der Kammer 1 im Wesentlichen gesättigt sind und eine vorbestimmte Temperatur aufweisen.
Das Gaszufuhrsystem 2 (auch als ein Zuführrohr oder Beatmungskreislauf bekannt) umfasst ein flexibles Rohr 11 mit einem Heizelement 12, welches aus einem beheizten Widerstandsdraht bestehen kann. Das Gas aus der Befeuchtungskammer 1 gelangt durch das Rohr 11 und wird von dem Heizelement 12 erwärmt, um Wärmeverluste durch die Wände des Rohrs 11 auszugleichen. Die durch das Heizelement 12 angewandte Wärmemenge wird reguliert, so dass das Gas an dem Gasauslass 5 eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wie durch den Sensor 8 gemessen wird. Die Kontrolltemperatur am Sensor 8 ist in der Regel höher als die Kontrolltemperatur am Sensor 7, so dass das Gas entlang dem Rohr 11 geheizt wird, um sicher zu stellen, dass es im Rohr zu keiner Kondensation kommt.
Das beschriebene System umfasst Gas, welches durch den Gaseinlass 4 aus einer Gasquelle mit kontinuierlicher Zufuhr (nicht gezeigt) einströmt und das System durch den Gasauslass 5 verlässt. Das System ist jedoch ebenfalls anwendbar, wenn die Gasquelle ein Ventilator ist, welcher intermittierende Fließmuster erzeugt, um einem Patienten Atemzüge zu ermöglichen. In diesem Fall ist die Gasauslassöffnung 5 direkt mit der Gaseinlassöffnung 16 verbunden. Der Patient ist mit der Öffnung 17 über ein Endotrachealrohr oder Ähnliches (nicht gezeigt) verbunden. Während der Einatmung des Patienten gelangen trockene Gase von dem Ventilator durch die Einlassöffnung 4 in das System, fließen durch die Kammer 1, das Zuführsystem 2, durch das Y-Stück 13 und gelangen durch die Öffnung 17 zum Patienten. Während der Ausatmung des Patienten gelangen die Gase zurück durch die Öffnung 17, durch das Y-Stück 13 und das Rohr 14 und verlassen das System durch die Gasauslassöffnung 18. Das Rohr 14 kann durch das Heizelement 15 ebenfalls geheizt werden, um eine Kondensation zu verhindern.
Befeuchter, welche Feuchtigkeitssensoren zur Anzeige oder Steuerung umfassen, sind nach dem Stand der Technik beschrieben; jedoch verwenden alle Vorrichtungen Feuchtigkeitssensoren, welche an den Atemwegen des Patienten positioniert sind. Die vorliegende Arbeit beschreibt neuartige Befeuchtungsvorrichtungskonfigurationen mit einer Feuchtigkeit-erzeugenden Kammer, welche vom Patienten entfernt positioniert ist, mit einem beheizten Beatmungskreislauf zum Übermitteln von Feuchtigkeit an den Patienten und mit Feuchtigkeitssensoren zum Steuern des Niveaus der absoluten oder relativen Feuchtigkeit, die dem Patienten zugeführt wird. Diese Feuchtigkeitssensoren sind folgendermaßen anzuordnen:

1) nur am Kammerauslass
2) sowohl am Kammerauslass als auch in der Nähe des Patienten, oder
3) nur in der Nähe des Patienten.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Feuchtigkeitssensor als Sensor 7 zu verwenden. Der Zweck des Feuchtigkeitssensors 7 besteht darin, die absolute Feuchtigkeitsmenge zu bestimmen, welche durch die Kammer 1 erzeugt wird. Entsprechend wäre ein Sensor für die absolute Feuchtigkeit als Verwendung für Sensor 7 ideal, wobei ein Sensor für die relative Feuchtigkeit mit zugeordnetem Temperatursensor ebenfalls verwendet werden könnte. Dieses System hat den Vorteil, dass es ein kontrolliertes Niveau absoluter Feuchtigkeit an dem Kammerauslass 10 erzeugt; dieses Niveau absoluter Feuchtigkeit erreicht den Patienten jedoch unter Umständen nicht, falls es im Rohr 11 zu einer Kondensation kommen kann.
Ein erfindungsgemäßes System, mit welchem man bei diesem Nachteil Abhilfe schaffen könnte, umfasst die Verwendung eines zweiten Sensors für die absolute Feuchtigkeit anstelle des Temperatursensors an Punkt 8. Die Differenz der absoluten Feuchtigkeit zwischen den Sensoren 7 und 8 ermöglicht der Befeuchtungsvorrichtung zu bestimmen, ob es zwischen diesen beiden Punkten zu einer Kondensation kommt. Ist an beiden Sensoren für die absolute Feuchtigkeit 7 und 8 derselbe Wert für die absolute Feuchtigkeit abzulesen, dann erfolgt keine Kondensation in dem Rohr. Ist die absolute Feuchtigkeit am Sensor 7 größer als am Sensor 8, dann zeigt die Differenz die auftretende Kondensationsrate.
Eine Steuerungsstrategie bestünde darin, die dem Heizelement 12 zugeführte Heizmenge zu steuern, so dass die Differenz der absoluten Feuchtigkeit auf Null reduziert wird. Das Rohr kann jedoch weiterhin mobiles Kondensat enthalten, da die Feuchtigkeitsdifferenz nur etwas über die Kondensationsrate aussagt und nicht über die absolute Kondensatmenge im Rohr.
Eine weitere Steuerstrategie besteht darin, dieses Kondensat zu entfernen und so durch Beheizen des Heizelements 12 ein trockenes Rohr zu erzeugen, so dass die Rate der gemessenen Kondensation negativ ist (d.h. die Kondensation wird im Rohr 11 verdampft) bis die gemessene Kondensationsrate Null erreicht, was anzeigt, dass das gesamte Kondensat entfernt wurde. Die Heizmenge kann dann verringert werden bis die Sensoren zeigen, dass die Kondensation gerade beginnt; dann kann die Beheizung geringfügig auf das optimale Niveau gesteigert werden. Das Austrocknen des Rohrs kann ein kontinuierlicher Prozess sein oder kann in gleichmäßigen Zeitabständen erfolgen.
Eine weitere Variante des in 1 gezeigten Systems wäre die Verwendung eines Temperatursensors für Sensor 7 und eines Sensors für die absolute Feuchtigkeit an Punkt 8. Dieses System ist einfacher als ein Sensor für die absolute Feuchtigkeit an beiden Punkten 7 und 8. Beim Betrieb würde der Regler die Heizmenge am Heizelement 12 und der Heizplatte 9 regeln müssen, so dass das korrekte Niveau der absoluten Feuchtigkeit ohne Kondensat im Zuführrohr 12 erreicht würde. In der Praxis wären zwei separate Steueralgorithmen erforderlich; einer um den Heizumfang im Rohr 11 zu steuern, so dass keine Kondensation auftritt, und ein weiterer zum Steuern der Heizplatte 9, so dass das gewünschte Niveau der absoluten Feuchtigkeit in Kammer 1 erzeugt würde. Die zwei Algorithmen könnten gleichzeitig arbeiten, da die Heizplatte 9 langsamer reagiert als das Heizelement 12, so dass rasche Veränderungen in der absoluten Feuchtigkeit die Aktion des Heizelements 12 anzeigen würden. Der Sensor 7 stellt einen Steuerpunkt für die Heizplatte 9 dar, ist jedoch unter Umständen nicht erforderlich.
Alle bislang beschriebenen Systeme haben eine Kammer 1 verwendet, welche versucht, das den Gasauslass 10 verlassende Gas auf ein hohes Niveau relativer Feuchtigkeit zu befeuchten. Während dieser Zustand für den korrekten Betrieb der gerade beschriebenen neuen Befeuchtungskonfigurationen nicht wesentlich ist, da sie eine Feuchtigkeitssteuerung verwenden, war sie für Befeuchter nach dem Stand der Technik wesentlich, bei welchen die Steuerung ausschließlich auf der Basis der Temperatur erfolgte. Die Verwendung einer Kammer, welche Gase zu der korrekten absoluten Feuchtigkeit, jedoch bei einer geringen relativen Feuchtigkeit (d.h. die Temperatur des Gases ist höher als der Taupunkt des Gases, das Gas ist daher nicht gesättigt) erwärmt, bringt einige Vorteile.
Der erste Vorteil besteht darin, dass es einfacher ist ein beheiztes Zuführsystem zum Transportieren eines solchen Gases ohne Kondensation zu entwickeln, da das Gas nicht unmittelbar nachdem es in das Zuführrohr gelangt erwärmt werden muss, um eine Kondensation zu verhindern. Zweitens bedeutet die Verwendung von Gasen mit niedriger relativer Feuchtigkeit beim Verlassen der Kammer, dass das Heizelement 12 mit weniger Energie versorgt werden kann als es andernfalls der Fall wäre, da das Gas bereits einen höheren Energiegehalt aufweist und einen größeren Energieverlust tolerieren kann bevor das Gas im Rohr 12 kondensiert. Es kann auch möglich sein, einen ungeheizten, gut isolierten Beatmungskreislauf anstatt eines beheizten Beatmungskreislaufs zu verwenden, wenn die Kammer Gas mit ausreichender Energie vorsieht. Es wird darauf hingewiesen, dass Kammern mit niedriger relativer Feuchtigkeit nur verwendet werden können, wenn das Beheizen der Kammer unter Verwendung eines Sensors für die absolute Feuchtigkeit anstatt eines Temperatursensors gesteuert wird, da andernfalls die Ausgabe absoluter Feuchtigkeit zu gering wäre.
Zu diesem Zweck sind in den 2–8 einige Befeuchtungskammerkonfigurationen gezeigt, welche eine hohe Temperatur und eine geringe Gasausgabe mit niedriger relativer Feuchtigkeit vorsehen. 2 zeigt eine Kammer, welche ein Metallelement 20 (z.B. eine Spiralrollenform) umfasst, jedoch ohne befestigte Papierrolle. Dies sorgt für eine trockene Erwärmung (über das Metallelement) und eine beheizte Befeuchtung durch das erwärmte Wasser 21. Bei dieser Konfiguration sieht die Kammer 19 Gas vor, welches nicht gesättigt ist, da ein Teil der vorgesehenen Erwärmung des Gases eine trockene Erwärmung über die Metallrolle ist. Die durch die Kammer erzeugte relative Feuchtigkeit wird durch die Flussbahn des Gases, die Rollenform, die Maße und den Wasserstand beeinflusst und ist so bei der Anwendung nicht einfach regelbar. Jedoch weist die Kammer 19 für die Kondensatverringerung durch eine niedrige relative Feuchtigkeit und eine gesteuerte absolute Feuchtigkeitsausgabe Vorteile auf.
Die 3 und 4 sind alternative Befeuchtungskammern, welche eine geringe relative Feuchtigkeit und Gase mit hoher Temperatur an ihrer Ausgabe vorsehen. 3 zeigt eine Kammer unter Verwendung eines porösen Materials 22 (wie beispielsweise eine poröse Keramik), welche Wasser 23 enthält, um eine Heiz- und Befeuchtungsfunktion vorzusehen, während 4 eine Kammer unter Verwendung einer semipermeablen Membran 24 vorsieht, um eine Sperre für das Wasser 25 in der Kammer vorzusehen. In beiden Fällen sehen diese Kammern eine trockene Erwärmung über das poröse oder semipermeable Material, sowie eine beheizte Befeuchtung durch das Wasser vor. In beiden Fällen ist das Verhältnis zwischen Beheizen und Befeuchten fest und kann außer durch Begrenzung der Wasserzufuhr nicht einfach geregelt werden.
Die 5 und 8 zeigen Kammern, welche Gase mit unterschiedlichem relativem Feuchtigkeits- und Temperaturniveau zuführen können. In 5 ermöglicht ein regelbares Ventil 26 den Anteil des Gases, welcher durch das trockene Umgehungsrohr 27 gelangt, an denjenigen anzupassen, welcher über die Wasserfläche 28 fließt. Das Umgehungsrohr verläuft unter dem Wasser, um das Gas zu erwärmen. Die zwei Gasströme vermischen sich an der Ausgabe 29. Dies ist ein Beispiel für ein „paralleles" System, bei welchem sich das Gas aufteilt und zwei unterschiedliche Wege nimmt, um Erwärmung und Befeuchtung vorzusehen. In 6 wird das Gas unter Verwendung eines Einstellventils 30 erneut in zwei Gasbahnen aufgeteilt. Ein Teil des Gases wird befeuchtet, indem er über das Wasser 31 in der Kammer 32 gelangt, während der andere Teil durch das Heizelement 58, welches das Rohr 33 umgibt, erwärmt wird. Die Gasbahnen treffen sich an der Verbindungsstelle 34.
Der Winkel der regelbaren Ventile 26 und 30 in den 5 und 6 kann dauerhaft festgelegt, manuell einstellbar oder automatisch einstellbar sein. Ein Vorteil eines automatisch einstellbaren Ventils besteht darin, dass bei der Verwendung mit intermittierenden Durchflussgeschwindigkeiten, beispielsweise bei Verwendung mit einem Ventilator, ein konstantes Feuchtigkeitsniveau aus der Kammer vorgesehen ist. Diese Fließmuster können ein Problem sein, da Teile des Beatmungszyklus weniger Feuchtigkeit aufweisen als andere Teile, da die Kammer bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten weniger Feuchtigkeit vorsieht. Eine Möglichkeit dieses Problem zu überwinden besteht darin, die momentane Durchflussgeschwindigkeit unter Verwendung eines schnell reagierenden Durchflusssensors zu messen und dann rasch den Winkel des einstellbaren Ventils anzupassen. Eine praktischere Methode zum Erreichen dieses Effekts würde darin bestehen, die Ventile 26 und 30 unter Verwendung der Federn 70 und 71 mit einer Federlast zu versehen. Dies würde bedeuten, dass geringe Durchflussgeschwindigkeiten in erster Linie in den Umgehungsrohren auftreten würden, während hohe Durchflussgeschwindigkeiten das Ventil mit Federlast betreiben und zulassen würden, dass mehr Gas über das Wasser in der Befeuchtungskammer gelangt. Der Winkel des einstellbaren Ventils mit Federlast könnte auch von dem Befeuchter verwendet werden, um die Gasdurchflussgeschwindigkeit zu messen.
Die 7 und 8 zeigen alternative Serienkonfigurationen für Kammern mit niedriger relativer Feuchtigkeit, wo das in die Kammer 35 mit erwärmtem Wasser 36 gelangende trockene Gas entweder über das Heizelement 37 in 7 vorgeheizt wird oder über das Heizelement 38 in 8 nach Verlassen der Kammer erwärmt wird. In beiden Fällen sieht das Heizelement ein trockenes Erwärmen des Gases mit dem Ergebnis vor, dass ein Gas mit niedriger relativer Feuchtigkeit und hoher Temperatur den Auslass 39 verlässt.
Jede der in den 2 bis 8 gezeigten Kammern mit niedriger relativer Feuchtigkeit und hoher Temperatur kann in Verbindung mit den zuvor in diesem Patent beschriebenen Steuerschemata verwendet werden, nicht jedoch mit dem Befeuchter nach dem Stand der Technik, da dieser Temperatur-gesteuert und nicht Feuchtigkeits-gesteuert ist.
Eine weitere Facette der Erfindung ist in 9 gezeigt. Hier ist das Befeuchtungssystem aus 8 mit niedriger relativer Feuchtigkeit und hoher Temperatur in Kombination mit einem nicht beheizten, gut isolierten Zuführrohr gezeigt. Das einströmende Gas gelangt durch die Öffnung 35 in die Standard-Befeuchtungskammer 36, welche Wasser 37 enthält, das durch die Heizplatte 38 erwärmt wird. Das Gas wird in der Kammer im Wesentlichen gesättigt , verlässt dann die Kammer durch den Gasauslass 39 und gelangt in den beheizten Rohrbereich 40, welcher das feuchte Gas auf eine höhere Temperatur erwärmt, so dass es eine niedrige relative Feuchtigkeit aufweist. Das Gas gelangt dann durch das Rohr 41, welches eine Isolationsschicht 42 um sich herum aufweist. Vorzugsweise ist die Isolationsschicht eine dünne Hülle stagnierender Luft, welche den Wärmeverlust verringert. Wie das Gas mit hoher Temperatur gelangt Gas mit niedriger relativer Feuchtigkeit durch das Isolationsrohr und eine geringe Wärmemenge geht durch die Rohrwände verloren und daher kühlt das Gas ab. Die durch das Heizelement 40 angewendete Wärmemenge ist jedoch so geregelt, dass das Gas nie unter seinen Taupunkt abkühlen kann, was zu einer Kondensation im Rohr 41 führen würde.
Verschiedene unterschiedliche Sensorkonfigurationen werden vorgeschlagen. Zunächst könnte der Sensor 43 ein Sensor für die absolute Feuchtigkeit sein, welcher die Heizplatte 38 so steuert, dass die Kammer 36 den gewünschten Feuchtigkeitswert erzeugt. Bei einer Ausführungsform ist der Sensor 45 ein Temperatursensor, welcher das Heizelement 40 derart regelt, dass das an dem Sensor 45 vorbei gelangende Gas eine bestimmte gewünschte Temperatur beibehält. Ist diese Temperatur höher als der Taupunkt des Gases am Sensor 43, dann sollte es im Rohr 41 zu keiner Kondensation kommen. Es kann jedoch bereits Kondensat im Rohr 41 sein, wenn der Befeuchter eingeschaltet wird. Wird für den Sensor 45 ein Feuchtigkeitssensor anstatt eines Temperatursensors verwendet, dann kann die im Rohr 41 auftretende Kondensatmenge geregelt werden. Die zuvor in diesem Patent beschriebenen Algorithmen zur zweifachen Steuerung des Feuchtigkeitssensors können mit diesem System verwendet werden.
Eine alternative Anordnung des Sensors für die absolute Feuchtigkeit ist an der Position 44 anstatt an der Position 43 möglich. Die absolute Feuchtigkeit sollte hier dieselbe sein wie bei 43, da das Gas erwärmt worden ist und so jegliche Feuchtigkeit verloren hat. Es kann jedoch Vorteile der Platzierung des Sensors für die absolute Feuchtigkeit bei 44 geben, beispielsweise aufgrund eines besseren Sensorbetriebs in einer Umgebung mit niedriger relativer Feuchtigkeit. Diese Anordnung des Sensors für die absolute Feuchtigkeit kann mit einem Temperatursensor oder einem Sensor für die absolute Feuchtigkeit an der Position 45 verwendet werden.
Ein weiteres Merkmal betrifft das Entfallen der Notwendigkeit eines Sensors an den Atemwegen des Patienten. Um diesen Sensor sicher entfernen zu können, muss sichergestellt sein, dass das in das Zuführrohr gelangende Gas einen sicheren Temperaturwert und eine sichere absolute Feuchtigkeit aufweist und dass die Flächen im Inneren des Zuführrohrs sichere Temperaturwerte nicht übersteigen. Dies impliziert ein Zuführrohr mit einer konstanten Innenwandtemperatur.
Es wäre daher wünschenswert, über ein beheiztes Zuführrohr zu verfügen, welches seine Temperatur selbst auf einen gewünschten Wert regelt. Das Heizelement könnte entweder in der Wand des Zuführrohrs selbst eingebettet sein oder im Lumen des Zuführrohrs angeordnet sein oder es könnte um die Außenseite des Zuführrohrs herum angeordnet sein. Ein solches Heizelement könnte aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) (wie beispielsweise „Winterguard" von Raychem Corp., Menlo Park, Kalifornien USA) gefertigt sein, so dass der Widerstand des Heizelements zunimmt, wenn das Heizelement heiß ist, was zu einer verringerten Energie führt. Das Zuführrohr kann jedoch durch mehr als eine Umgebung verlaufen oder kann an manchen Stellen des Rohrs einen lokalen Luftzug aufweisen. Sind die PTC-Elemente parallel angeordnet, wird der volle Nutzen des PTC-Heizelements deutlich. Sind die PTC-Elemente parallel angeordnet, weisen die kalten Abschnitte des Rohrs einen geringeren Widerstand auf, was dazu führt, dass mehr Wärme abgeleitet wird. Das Rohr neigt also dazu, seine Temperatur selbst zu regeln.
10 zeigt die Konstruktion eines Rohrs mit flexiblen PTC-Elementen in einer parallelen Drahtkonfiguration. Das Rohr 48 ist aus einem flexiblen PTC-Material gebildet, welches zwei Bandverbindungen mit geringem Widerstand 46 und 47 an seinen beiden Seiten aufweist. Dies ermöglicht, dass jeder Abschnitt des Rohrs aus kurzen leitenden Rohrsegmenten besteht, welche zwischen den Leitungen 46 und 47 parallel verbunden sind. Diese Segmente sind durch gepunktete Linien dargestellt, welche das Rohr in 10 umgeben. Die Leitungen 46 und 47 sind mit regelbaren Spannungsquellen 49 verbunden, welche Gleichstrom oder Wechselstromquellen sein können. Das Rohr hat eine Außenschicht (nicht gezeigt), welche dem Rohr eine Elektroisolierung und Thermoisolierung verleiht. Jedes Längssegment des Rohrs ist in der Lage, seine eigene Temperatur unabhängig vom Rest des Rohrs zu regeln. Um diese Operation zu verbessern, kann es notwendig sein, parallele Schlitze 50 vorzusehen, welche orthogonal zu der Achse des Rohrs verlaufen, um eine elektrische Querschaltung zwischen den verschiedenen PTC-Segmenten auszuschließen.
Obgleich eine spezifische Ausbildung eines beheizten PTC-Rohrs erläutert und beschrieben worden ist, könnten andere PTC-Rohrausbildungen verwendet werden. Es könnte auch von Vorteil sein, ein PTC-Rohr zu bilden, welches anstelle eines konstanten Temperaturprofils ein unterschiedliches Temperaturprofil entlang seiner Länge aufweist. Die PTC-Anordnung könnte auch erweitert sein, um PTC- Heizelemente in anderen Teilen des Beatmungskreislaufs des Patienten zu umfassen, wie beispielsweise an dem flexiblen Verlängerungsrohr, welches üblicherweise zwischen dem Y-Stück (Öffnung 17 in 1) und dem Endotrachealrohr des Patienten angebracht ist. Eine weitere Erweiterung des PTC-Rohrkonzepts wäre ein selbst-beheiztes und Temperatur-gesteuertes Endotrachealrohr.
Das in 10 beschriebene PTC-Rohr ermöglicht das Bilden eines Befeuchters, welcher keinen Sensor an den Atemwegen des Patienten verwendet. 11 zeigt eine Befeuchterkonfiguration unter Verwendung dieses Rohrs. Gas gelangt in die Befeuchtungskammer 52 über die Einlassöffnung 51 und wird durch Wasser 53 befeuchtet und durch die Heizplatte 54 beheizt. Der Sensor für die absolute Feuchtigkeit 55 steuert die Heizplatte, so dass das am Sensor 55 vorbei gelangende Gas einen gewünschten Wert für die absolute Feuchtigkeit aufweist. Das PTC-Rohr 56 ist durch eine externe elektrische Spannung (nicht gezeigt) beheizt, so dass die Temperatur der Innenfläche eine konstante gewünschte Temperatur ist, welche gewählt ist, um über dem Taupunkt des Gases zu liegen. Das Gas, welches das Rohr 56 am Auslass 57 verlässt, ist der Temperatur des Rohrs nahe und enthält das gewünschte Niveau absoluter Feuchtigkeit, welches durch den Sensor für die absolute Feuchtigkeit 55 gesteuert ist.
Eine Variante des in 11 gezeigten Systems wäre die Verwendung eines Temperatursensors in Position 55. Eine weitere Variante eines Rohrs mit einer konstanten Innenwandtemperatur wäre ein Zuführrohr mit beheiztem Wasser oder einem anderen Fluid, welches durch engere Leitungen in der Wand des Zuführrohrs gepumpt wird. Da das beheizte Fluid eine hohe spezifische Wärme im Bezug zur Luft aufweist, bleibt die Temperatur des Fluids während der Passage durch die Zuführwandleitungen ziemlich konstant.
Traditionelle Befeuchter verwenden Sensoren, welche fühlerförmig sind, so dass sie durch speziell gestaltete Löcher an der Seite des Beatmungskreislaufs eingeführt werden können, um die Temperatur zu messen. Die Befeuchteranordnungen, die in diesem Patent beschrieben worden sind, umfassen jedoch viele Sensoren um die Kammer herum, so dass die Verwendung eines Verteilers 59, wie in 12 gezeigt, nützlich sein kann.
Die Befeuchtungskammer 60 ist ein entfernbares Element, welches wie in 12 gezeigt, auf die Befeuchterbasis 61 geschoben werden kann. Wenn die Kammer 60 auf die Befeuchterbasis 61 geschoben wird, kommt ihre Basis in Kontakt mit der Heizplatte 62 und ihre Einlass- und Auslassöffnungen 63 und 64 kommen in Kontakt mit den Löchern 67 und 68 in dem Verteiler 59. Zu befeuchtende trockene Luft gelangt an der Öffnung 65 in den Verteiler, verlässt den Verteiler durch die Öffnung 67 und fließt durch die Öffnung 63 in die Kammer 60, wo sie befeuchtet wird.
Nach dem Verlassen der Kammer 60 gelangt das feuchte Gas durch die Kammeröffnung 64 in die Verteileröffnung 68. Schließlich verlässt das feuchte Gas den Verteiler 59 durch die Öffnung 66 und gelangt in den Beatmungskreislauf.
Der Verteiler kann eine separate, entfernbare Anordnung sein oder er kann ein integrierter Bestandteil der Befeuchterbasis sein. Er kann Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, Durchflusssensoren oder ein Heizelement umfassen. Diese wären im Inneren des Verteilers 59 an den Positionen 72 und 73 angeordnet. Der Verteiler 59 kann beheizt sein, um eine Kondensation des feuchten Gases zu verhindern. Er könnte mit beiden Kammeröffnungen 63 und 64 wie beschrieben verbunden sein, oder er könnte nur mit der Auslassöffnung 64 verbunden sein. Ein Vorteil der Verwendung eines Verteilers besteht darin, dass viele Sensoren oder Heizelemente in einer einzigen, zu reinigenden Anordnung kombiniert sein können anstatt separate Fühler erforderlich zu machen, welche in den Beatmungskreislauf gesteckt werden müssen. Dies vereinfacht den Anschluss und die Einrichtung für den Benutzer. Ein weiterer Vorteil eines Verteilers besteht darin, dass die Temperatur des einströmenden trockenen Gases und die Durchflussgeschwindigkeit ohne zusätzliche Fühler und Verbindungen einfach gemessen werden können.
Obgleich Sensoren für die absolute Feuchtigkeit bei all den verschiedenen, in diesem Patent beschriebenen Befeuchtungskonzepten beschrieben worden sind, könnten auch Sensoren für die relative Feuchtigkeit verwendet werden. Dies könnte Steuerungsalgorithmen erforderlich machen, welche von den in diesem Patent beschriebenen geringfügig abweichen. Alternativ könnte ein Sensor für die relative Feuchtigkeit mit einem Temperatursensor kombiniert werden. Dies ermöglicht, dass die absolute Feuchtigkeit nicht direkt gemessen, sonder aufgrund der relativen Feuchtigkeit und der Temperatur berechnet wird.
Alle zuvor beschriebenen Befeuchtungskonzepte könnten mit zusätzlichen Temperatursensoren verwendet werden. Diese können zusätzliche Vorteile vorsehen, wie beispielsweise eine Sicherung im Fall eines defekten Feuchtigkeitssensors. Ein weiterer Vorteil bestünde im Beibehalten der dem Patienten bereitgestellten Temperatur innerhalb bestimmter Grenzen, so dass die relative Feuchtigkeit nicht zu niedrig ist, auch wenn die absolute Feuchtigkeit akzeptierbar ist.
In ähnlicher Weise kann es von Nutzen sein, die Luftdurchflussgeschwindigkeit durch den Befeuchter zu messen, da dies ein wichtiger Parameter ist, welcher die Befeuchtersteuerung beeinflusst. So könnten Durchflusssensoren in jedem der zuvor beschriebenen Systeme integriert sein. Eine nützliche Durchflusssensoranordnung nach dem Stand der Technik sieht die Verwendung eines auf Wärmeverlust von einem heißen Element im Luftstrom basierendem Sensors vor. Wird ein erwärmter Feuchtigkeitssensor verwendet, kann die Wärmemenge, welche erforderlich ist, damit der Sensor eine bestimmte Temperatur erreicht, genutzt werden, um die Gasdurchflussgeschwindigkeit zu bestimmen.
Infektionskontrolle ist ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung medizinischer Komponenten. Um eine bakterielle Besiedelung der Komponenten in dem Befeuchtungssystem zu verhindern, könnten alle Teile, welche in Kontakt mit dem Gasstrom kommen, aus antibakteriellem Kunststoff gefertigt sein. Um eine Kontaminierung der Fühler zu vermeiden, könnten die Fühleröffnungen eine wegwerfbare Hülle umfassen, welche den Fühler vor pathogenen Stoffen im Beatmungskreislauf schützt. Dies wäre insbesondere für Temperaturfühler von Bedeutung. Feuchtigkeitsfühler müssen im Allgemeinen in Kontakt mit dem Gasstrom kommen; daher käme eine wegwerfbare Hülle für Feuchtigkeitssensoren nur in Frage, wenn diese optisch funktionieren oder die Hülle aus einem wasserdampfdurchlässigen Material gebildet wäre, welches keine pathogenen Substanzen durchlässt. Die Schutzhülle könnte ein integraler Teil eines wegwerfbaren Beatmungskreislaufs sein.

Claims

Befeuchtungsvorrichtung zum Befeuchten eines Gasflusses, welcher zu einem Patienten oder einer anderen, solche Gase benötigenden Person geführt wird, umfassend: ein Befeuchtungskammermittel (1) mit einem Einlass (4) und einem Auslass (10), um dem Gasfluss zu ermöglichen, durch das Befeuchtungskammermittel (1) zu gelangen, ein Kammerheizmittel (9), welches neben dem Befeuchtungskammermittel (1) vorgesehen ist und dafür ausgelegt ist, flüssiges Wasser (6) in dem Befeuchtungskammermittel (1) zu verdampfen, um Wasserdampf für den Gasfluss vorzusehen, welcher durch das Befeuchtungskammermittel (1) gelangt, eine mit dem Auslass (10) des Befeuchtungskammermittels (1) verbundene Leitung (11) zum Leiten des Gasflusses zu dem Patienten oder einer anderen, solche Gase benötigenden Person, ein Steuer/Regelmittel zum Steuern des Kammerheizmittels, und dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuchtigkeitserfassungsmittel (7, 8) dazu ausgebildet ist, eine Anzeige der absoluten Feuchtigkeit des Gasflusses an dem Befeuchtungskammermittel oder/und an einem Punkt entlang der Leitung in dem Gasfluss vorzusehen, das Steuer/Regelmittel dazu ausgebildet oder programmiert ist, die Anzeige der absoluten Feuchtigkeit des Gasflusses als Eingaben zu erhalten, auf der Grundlage dieser Eingaben die Kondensationsrate der Gase in der Leitung zu schätzen und auf der Grundlage der Kondensationsrate der Gase in der Leitung die Kammerheizmittel zu steuern/regeln.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leitung ein Leitungsheizmittel zum Erwärmen des Gasflusses umfasst und wobei das Steuermittel dazu ausgebildet ist, das Leitungsheizgerät auf der Grundlage der Kondensationsrate zum Minimieren der Kondensation der Gase in der Leitung (11) zu steuern.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Feuchtigkeitserfassungsmittel einen ersten Sensor für die absolute Feuchtigkeit (7) sehr nahe an dem Auslass (10) des Befeuchtungskammermittels (1) umfasst.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Leitung (11) ein Patienten-Ende (5) distal zu dem mit dem Auslass (10) des Befeuchtungskammermittels (1) verbundenen Ende umfasst, und wobei das Feuchtigkeitserfassungsmittel ferner einen zweiten Sensor für die absolute Feuchtigkeit (8) sehr nahe an dem Patienten-Ende (5) der Leitung (2) umfasst.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Schätzung der Kondensationsrate auf der Grundlage der Differenz zwischen der absoluten Feuchtigkeit an dem Auslass (10) des Befeuchtungskammermittels (1), wie durch die Ausgabe des ersten Sensors für die absolute Feuchtigkeit (7) angezeigt, und der absoluten Feuchtigkeit am Patienten-Ende (5) der Leitung (11), wie durch die Ausgabe des zweiten Sensors für die absolute Feuchtigkeit (8) angezeigt, erfolgt.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Steuermittel dazu ausgebildet ist: i) das Leitungsheizmittel (12) abhängig von wenigstens der Schätzung der Kondensationsrate auf ein Niveau zu erregen, welches geeignet ist, jegliches in der Leitung (11) vorliegendes flüssiges Kondensat im Wesentlichen zu verdampfen; und ii) das Leitungsheizmittel (12) abhängig von wenigstens der Schätzung der Kondensationsrate auf einem Niveau mit Energie zu versorgen, welches geeignet ist, um jegliche Kondensation des Dampfes von den Gasen in der Leitung (11) zu minimieren.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schritte (i) und (ii) kontinuierlich in regelmäßigen Abständen wiederholt werden.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schritte (i) und (ii) in regelmäßigen Abständen alterniert werden.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Leitung (11) ein Patienten-Ende (5) distal zu dem mit dem Auslass (10) des Befeuchtungskammermittels (1) verbundenen Ende umfasst, und wobei die Vorrichtung ferner einen ersten Temperatursensor (7) sehr nahe an dem Auslass (10) des Kammerbefeuchtungsmittels (1) und einen Sensor für die absolute Feuchtigkeit (8) sehr nahe an dem Patienten-Ende (5) der Leitung (11) umfasst.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, welche ferner wenigstens einen Temperatursensor und wenigstens einen Sensor für die relative Feuchtigkeit umfasst, welche eine Anzeige der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit an wenigstens einem Punkt in der Flussbahn des Gasflusses durch die Vorrichtung vorsehen.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, welche ferner ein Fließerfassungsmittel umfasst, das dafür ausgelegt ist, eine Anzeige der Fließgeschwindigkeit der durch die Vorrichtung fließenden Gase vorzusehen.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Fließerfassungsmittel ein geheiztes Element umfasst, das dafür ausgelegt ist, eine im Wesentlichen konstante Temperatur zu halten, und in der Flussbahn der Gase durch die Vorrichtung vorgesehen ist, wobei der Wärmeverlust daran eine Anzeige der Fließgeschwindigkeit der Gase vorsieht.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Feuchtigkeitserfassungsmittel ferner ein wegwerfbares Abdeckungsmittel zum Vorsehen eines porösen Materials als eine wesentliche Barriere für Mikroorganismen zwischen dem Gasfluss und dem Feuchtigkeitssensor umfasst.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Feuchtigkeitserfassungsmittel (7, 8) ferner ein poröses, wegwerfbares Abdeckungsmittel zum Vorsehen eines porösen Materials als eine wesentliche Barriere für Mikroorganismen zwischen dem Gasfluss und dem Feuchtigkeitserfassungsmittel (7, 8) umfasst.