DE68918941T2

DE68918941T2 - Gaszufuhr-mittel.

Info

Publication number: DE68918941T2
Application number: DE68918941T
Authority: DE
Inventors: Anatole J Sipin
Original assignee: Individual
Current assignee: Dribmed ltd Reno Nev Us
Priority date: 1988-05-10
Filing date: 1989-05-08
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-09
Also published as: EP0419551A1; US4957107A; JP2809459B2; EP0419551B1; DE68918941D1; JPH03505170A; EP0419551A4; WO1989010768A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaszufuhrvorrichtung, welche die Fähigkeit besitzt, in einer tragbaren Miniatureinheit zyklisch ein auswählbares Gasvolumen mit vorbestimmter Geschwindigkeit während eines vorgegebenen Zeitintervalls zuzuführen. Insbesondere hat die Gaszufuhrvorrichtung primäre und unmittelbare Anwendbarkeit als Miniaturatmungsgerät, welches von Patienten getragen werden kann, die an beeinträchtigter Lungenfunktion leiden, und welches auch für einen Transport von Patienten geeignet ist, die eine ständige Beatmung benötigen, und zwar zwischen Krankenhäusern und innerhalb eines Krankenhauses.
Die Erfindung wird künftig eine ähnliche Anwendbarkeit haben als tragbare Antriebseinheit für pneumatische totalkünstliche Herzen (TAH), beispielsweise für Patienten mit permanent eingepflanztem Herzen und für solche mit implantierten Herzen, die als Überbrückungen vor einer Herztransplantation dienen.
Zahlreiche Patienten mit chronischer Atmungsschwäche, die auf eine Vielfalt von Lungen- (und Nichtlungen-)Krankheiten zurückgehen kann, benötigen zur Lebenserhaltung eine langdauernde (oder permanente) mechanisch unterstützte Beatmung. Unglücklicherweise muß die Mehrheit der Patienten im akuten Hospitaleinsatz gepflegt werden mit dessen hohen Unterhaltungskosten und seiner Unterbrechung der wohltuenden Unterstützungsstruktur der häuslichen Umgebung. Daneben sind herkömmliche mechanische Beatmungsgeräte (des zyklischen Volumentyps) sperrig und kostspielig und beschränken den Patienten notwendigerweise auf eine Existenz in Bett und Stuhl. Ein kleiner, tragbarer Respirator wurde entwickelt, der für die Behandlung solcher Patienten ein erheblicher Vorteil ist und offensichtlich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten außerhalb der Einstellung einer chronischen Atmungsgerätabhängigkeit besitzt. Die gegenwärtige nationenweite Betonung einer Dämpfung der medizinischen Kosten ist für ein solches Gerät eine stark unterstützende Atmosphäre, welche klar zur erfolgreichen Entlassung aus dem Krankenhaus führt und anschließender Rehabilitierung vieler solcher Patienten. Die Musterstudien von Make et al (CHEST 86 : 358-365, September 1984) aus der Lungenabteilung der Universität Boston haben klar eine Notwendigkeit für einen tragbaren Volumen-Ventilator gezeigt (in ihren Studien wurde ein relativ großer rollstuhl-gestützter Bio-Med Ventilator IC-2 verwendet.)
Das tragbare Atmungsgerät, welches entwickelt wurde, bietet klare Vorteile im Hinblick auf Größe, Gewicht, Tragbarkeit und Vielseitigkeit (mit einem weiten Bereich der Beatmungsgeschwindigkeit, der Zeit, des Volumens, der Zyklusdrücke und der auswählbaren Zeiten für den Einatmungs- und Ausatmungsvorgang). Diese Merkmale wurden als sehr wichtig erkannt, insbesondere bei der Behandlung von Patienten mit Blockierung der Luftwege. Während diese Annäherung an die Behandlung von Atmungsgeräten abhängiger Patienten zuhause für die Vereinigten Staaten ein relativ neuer Ansatz ist, gibt es gut entwickelte Unterstützungsprogramme, welche sich um die Bedürfnisse von Hunderten von Patienten in England und Frankreich kümmern, die von Atmungsgeräten abhängig sind (Goldberg, AI, CHEST 86 : 345, Sept. 1984). Wiederum ist die Entwicklung eines kleinen tragbaren Beatmungsgerätes eine sehr wichtige Hilfe für die Förderung solcher Programme in den Vereinigten Staaten.
Bei denjenigen Patienten oder für diejenigen Verhältnisse, bei denen eine höhere Sauerstoffkonzentration im Beatmungsgas erforderlich ist, sorgt das tragbare Beatmungsgerät für die Zugabe von Sauerstoff mit kontrollierter Geschwindigkeit aus einer tragbaren Sauerstoffquelle, um so eine sauerstoffreiche Mischung einer ausgewählten Konzentration zu vermitteln.
Eine andere sehr nützliche Anwendbarkeit des batteriegespeisten Miniaturbeatmungsgerätes liegt im Transport von Patienten, die eine chronische mechanische Beatmungsunterstützung benötigen, wenn sie von einer zu einer anderen Stelle transportiert werden, beispielsweise von einem Hospital in ein anderes oder von einem zu einem anderen Ort im gleichen Krankenhaus. Daneben kann das Gerät auch dazu verwendet werden, eine nur zeitweise Beatmungsunterstützung in einem Krankenwagen bei Patienten zu liefern mit akutem Herz-Atmungsstillstand oder anderen Formen einer sich rasch entwickelnden Atmungsschwäche (durch Rauchinhalation, Brustkorbverletzung, etc.).
Eine tragbare Miniatur-Luftquelle, die auf der neuen Gaszufuhrvorrichtung beruht, ist ausreichend klein und leicht, so daß sie von ambulanten Patienten getragen werden kann, welche implantierte, pneumatisch betätigte total-künstliche Herzen (TAH) haben, beispielsweise das Utah-Herz, das Philadelphia-Herz (Temple University), hergestellt von Cardiac Systems, Inc., und das Jarvik-Herz, hergestellt von Sybion, Inc. Eine primäre Anwendung für eine tragbare Luftquelle mit einem pneumatischen TAH ist ein zeitweiser Ersatz für Patienten, die Transplantate erwarten. Eine tragbare Luftquelle kann auch bei implantierten, pneumatisch betätigten Unterstützungsvorrichtungen für den linken Ventrikel eingesetzt werden, beispielsweise bei dem Kantrowitz-Aorta-Patch (LVAD Technology). Die Gewichte der gegenwärtig verfügbaren tragbaren Antriebssysteme sind 6,8 kg (15 pounds) oder mehr, und zwar sowohl für die Heimes-Einheit, die zur Verwendung mit dem Utah- oder Jarvik-TAH konstruiert ist, und für die LVAD-Technologieeinheit, die zur Verwendung mit der LVAD-Technologie konstruiert wurde, nämlich dem mechanischen Hilfsventrikelimplantat (Aorta-Patch). Das Gewicht der neuen Luftquelle liegt geringfügig über 2,27 kg (5 pounds). Es ermöglicht die Mobilität eines Patienten mit zeitweise implantiertem TAH oder LVAD, der auf eine Transplantierung wartet, wie auch die Beweglichkeit eines Individuums mit einem permanent implantierten TAH oder LVAD, und zwar zuhause für Perioden zwischen 1 und 2 Stunden. Eine solche Mobilität kann durch die relativ schweren tragbaren Einheiten nicht vermittelt werden, und wenn der Patient nicht zuhause ist und eine tragbare Einheit benutzt, vermittelt die tragbare Quelle die Zuverlässigkeit und Unterstützung in einer Notfallsituation.
US-A-3, 961,862 zeigt beispielsweise einen Kompressorsteuerapparat für einen Hochdruck-Rotationskompressor, wobei der Apparat das Einlaßventil des Kompressors schließt. Die bloße Anwesenheit des Umleitventils (48) reicht jedoch nicht aus, um die vorliegende Erfindung nahezulegen, wenn man in Betracht zieht, daß es offensichtlich für eine riesige Installation konzipiert war, welche große Mengen industrieller Gase verarbeitet. US-A-4,456,008 zeigt eine Vorrichtung zur Führung von Ein- und Ableitungsbeatmungsgasen zwischen einem Atemgerät und einer Luftröhre. Die Vorrichtung hat eine enge Düse, welche durch einen Einatmungseinlaß vorsteht, und ein Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse erzeugt eine Saugkraft, welche die Gasaspiration von der Lunge hervorruft.
Daher betrifft die vorliegende Erfindung eine Gaszufuhrvorrichtung zur Zuführung eines Gases in zyklischer Weise in eine Leitung bei einer gesteuerten, ausgewählten zyklischen Geschwindigkeit sowie zur Zuführung eines ausgewählten, abgegebenen Gasvolumens während eines kontrollierten Abgabeintervalls innerhalb der Zyklusperiode.
Insbesondere offenbart die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur zyklischen Zufuhr eines gesteuerten Gasvolumens durch eine Leitung mit
(a) einem von einem Rotationselektromotor angetriebenen Kompressor zur Anlieferung von Druckgas;
(b) von einer elektrischen Betätigungseinrichtung angetriebenen Ventilmitteln, um während des Zufuhrintervalls des Zyklus Gas vom Kompressor in die Leitung zu lenken und zwischen diesen Intervallen das Gas in die Leitung abzuleiten;
(c) einer Einrichtung zur Vermittlung einer Messung einer physikalischen Eigenschaft des Gases in der Leitung und zur Umwandlung dieser Messung in ein Signal
(d) Steuermitteln, wobei diese Steuermittel umfassen: Mittel, welche die Zyklusfrequenz auswählen und aufrechthalten und die Messung der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit während des Zufuhrintervalls berechnen, um einen berechneten Wert des zugeführten Gasvolumens auf der Basis eines oder mehrerer Signale zu vermitteln und das Zufuhrintervall auszuwählen und zu steuern; Mittel, welche den elektrischen Rotationsmotor auf der Basis eines oder mehrerer, von den Mitteln erzeugter Signale betätigen;
Mittel, welche die elektrische Betätigungseinrichtung auf der Basis eines oder mehrerer, von den Mitteln erzeugter Signale antreiben;
wobei die Mittel einen Bezugswert des zugeführten Gasvolumens auswählen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor ein Rotationskompressor mit veränderbarer Geschwindigkeit ist, und daß die Mittel ferner berechnen: einen Wert der Kompressorgeschwindigkeit im nächst folgenden Zufuhrintervall, basierend auf einem Zuwachs bezüglich des letzten verfügbaren Wertes der Kompressorgeschwindigkeit, bezogen auf den Unterschied zwischen dem berechneten Wert des zugeführten Gasvolumens und dem Bezugswert des zugeführten Gasvolumens in einer Richtung, um den Unterschied zwischen dem zugeführten Gasvolumen und dem Bezugsgasvolumen zu reduzieren.
Obwohl eine solche Vorrichtung zahlreiche Anwendungen finden kann, wurde sie in erster Linie für eine Verwendung als ein tragbares Miniatur-Atemgerät zur Beatmung von Patienten konstruiert, welche unter einer chronischen, die Lunge behindernden Krankheit oder einem anderen Lungenversagen leiden. Eine weitere Anwendbarkeit ist eine tragbare Quelle für ein implantiertes, pneumatisches, künstliches Herz.
Bereits existierende Gaszufuhrmittel für diese Anwendungsfälle verwenden einfachwirkende Kolben. Neuere Atmungsgeräte wurden inzwischen verfügbar, welche die Zufuhr aus einer Luftquelle durch Positionierung eines Hilfsventils in einem System mit geschlossener Schleife steuern. Keine dieser Annäherungen bietet sich selbst für eine Miniaturisierung an, was aus der Tatsache deutlich wird, daß der leichteste, existierende "tragbare" Beatmungsapparat für den häuslichen Gebrauch 12,7 kg (28 pounds) wiegt. Ein Muster eines tragbaren Atmungsgeräts unter Ausnutzung der vorliegenden Erfindung wiegt im Vergleich hierzu 2,27 kg (5 pounds), einschließlich ausreichender Batterien zum Betrieb zwischen einer und eineinhalb Stunden. Die Einheit kann von einer kleinen Spannungsquelle aus unbegrenzt betrieben werden.
Die Vorrichtung, welche eine solche Miniaturisierung ermöglicht, verwendet einen Hochgeschwindigkeits-Rotationskompressor, welcher Luft oder Gas (z. B. Sauerstoff) unter der Steuerung eines programmierten Mikrocomputers an eine Lunge liefert. Ein einfachwirkendes Richtungsventil findet Anwendung, welches einen Auslaß verschließt, um Luft zu einer Lunge während des Einatmungsvorgangs zu liefern, und sich öffnet, um einen Luftausstoß und eine Druckentspannung der Lunge sowie den Ausatmungsvorgang zu ermöglichen. Die Verwendung eines schaltenden Ventiltyps führt zu der kleinsten und leichtesten Konfiguration, während ein proportionales Servoventil zur Strömungssteuerung wesentlich schwerer wäre. Die Zyklusfrequenz und das Einatmungsverhältnis (d. h. der Arbeitszyklus) werden durch Schaltung des Richtungsventils gesteuert; die Strömungsgeschwindigkeit wird durch Veränderung der Kompressorgeschwindigkeit kontrolliert. Zusammen bestimmt dieses die Einatmungsluft oder das Gasvolumen. Wegen der Trägheit der rotierenden Teile würde es eine übermäßige Kraft erfordern, eine kontinuierliche Geschwindigkeitssteuerung des Kompressors zu erreichen. Es ist daher ein Merkmal der Erfindung, daß das angelieferte Volumen, welches in einem Einatmungsintervall gemessen wird, mit dem ausgewählten Atmungsvolumen verglichen wird, und wenn ein Fehler vorliegt, wird die Geschwindigkeit während des nächsten Einatmungsintervalls in Abhängigkeit von diesem Fehler eingestellt. Diese Prozedur wird in aufeinanderfolgenden Zyklen wiederholt, bis der Fehler ein akzeptables Minimum erreicht und das abgegebene Volumen auf den ausgewählten Wert eingesteuert ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines regenerativen Schleppkompressors, und zwar wegen der Gleitförmigkeit von dessen charakteristischer Leistungskurve. Dies ermöglicht eine leichte Speicherung der kalibrierten Geschwindigkeits- und Druckdaten in einem Mikrocomputer sowie die schlußfolgernde Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit aus Geschwindigkeits- und Druckmessungen ohne Notwendigkeit für die Bereitstellung eines getrennten Strömungsmessers. Zentrifugalkompressoren weisen eine zu große Veränderung in der Gestalt ihrer Kenndaten zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeit auf, um eine genaue Speicherung der Kalibrierungsdaten zu ermöglichen, und eignen sich nicht für derartige Operationen. Positive Verschiebungskompressoren haben geeignete Arbeitskenndaten, jedoch diejenigen mit Reibflächen haben übermäßige Abnutzung und Reibungsverluste, und diejenigen ohne reibende Flächen erfordern zu kleine Freiräume und enge Toleranzen, die für Miniaturgrößen ungeeignet sind. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Zugabe von Sauerstoff in gesteuerter Weise, welche durch das Mikrocomputerprogramm gesteuert wird, wobei Sauerstoff lediglich während der Einatmung abgegeben wird.
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen kann besser verstanden werden, wenn auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein Systemblockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit der Darstellung der Wechselwirkungsbeziehungen zwischen den Hauptkomponenten;
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform der Gaszufuhrvorrichtung mit einer Darstellung einer Abwandlung der Strömungsmessung;
Fig. 3 typische Leistungskenndaten eines für eine Anwendung in dem System geeigneten Schleppkompressors;
Fig. 4 typische Leistungskenndaten eines Zentrifugalkompressors mit einer Darstellung der Nachteile dieses Kompressortyps;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines geschlossenen, motorgetriebenen Schleppkompressors, der bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet werden kann;
Fig. 6 eine Vorderansicht des Rotors des Schleppkompressors aus Fig. 5;
Fig. 7 eine seitliche Teilschnittansicht eines Schleppkompressors mit einer Darstellung der Strömungkanäle im Rotor und Stator;
Fig. 8 ein schematisches Diagramm für die Geschwindigkeitssteuerung des Kompressors;
Fig. 9 eine Schnittansicht eines motorgetriebenen Richtungsventils, welches bei der bevorzugten Ausführungsform Anwendung finden kann;
Fig. 10 ein schematisches Betätigungsdiagramm der Steuerung des Richtungsventils aus Fig. 9;
Fig. 11 eine Darstellung der Erfindung in Anpassung an die Ventilation einer Lunge im Gaszufuhrzustand;
Fig. 12 eine Darstellung der Erfindung in Anpassung an die Ventilation einer Lunge im Gasausstopzustand;
Fig. 13 ein Diagramm einer Sauerstoffsteuerung in einer geschlossenen Schleife für eine Lungenbeatmung;
Fig. 14 ein Diagramm einer Sauerstoffsteuerung in einer offenen Schleife für eine Lungenbeatmung;
Fig. 15 ein schematisches Diagramm der Erfindung in Anpassung an den alternierenden pneumatischen Antrieb zweier Empfänger, beispielsweise die Ventrikel eines künstlichen Herzens;
Fig. 16 eine Schnittansicht eines Schleppkompressors mit Doppelrotor und
Fig. 17 eine Frontansicht des Schleppkompressors aus Fig. 16.
Gemäß Fig. 1 schließt die bevorzugte Gaszufuhrvorrichtung einen Kompressor 10 ein, der von einem Rotationselektromotor 12 angetrieben ist, um Druckgas über eine zwischengeschaltete pneumatische Leitung 15 zu einem pneumatischen Auslaß 14 und zu einem Richtungsventil 16 zu leiten, welches von einer elektrischen Betätigungseinrichtung 18 angetrieben ist. Der Kompressormotor wird von einer steuerbaren elektronischen Antriebseinrichtung 20 über eine elektrische Leitung 23 gespeist, und die Ventilbetätigungseinrichtung wird über eine elektrische Leitung 25 aus einer separaten, steuerbaren elektronischen Antriebseinrichtung 22 mit Leistung versorgt. Die Kompressorantriebseinrichtung wird mit Spannung aus einer elektrischen Leitung 24 gesteuert, wobei die Spannung indirekt aus einem Mikrocomputer 26 über einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 28 gewonnen wird. Die Ventilantriebseinrichtung 22 wird durch ein Signal gesteuert, das direkt über eine elektrische Leitung 30 aus dem Mikrocomputer erhalten wird. Analoge Signale für den Mikrocomputer werden über eine analoge Eingangseinheit 32 eingeführt, welche einen Multiplexer 34 und einen Analog-Digital-Wandler (DAC) 36 einschließt. Eine analoge Spannung, die auf die Kompressorgeschwindigkeit bezogen ist, wird über eine Leitung 38 aus der Kompressorantriebseinrichtung 20 dem Multiplexer 34 zugeführt. Ein Druckwandler 40 fühlt den Druck in der pneumatischen Leitung 14 über eine pneumatische Leitung 41 ab und liefert eine analoge Spannung, die auf den Leitungsdruck bezogen ist, an den Multiplexer 34, und zwar über eine elektrische Leitung 42. Funktionen und Daten werden in den Mikrocomputer über ein Tastenfeld 44 eingegeben und an einer digitalen Anzeige 46 angezeigt.
Der Mikrocomputer kann einer von verschiedenen verfügbaren Computern sein, beispielsweise ein HD63P01 Einzelchip-Mikrocomputer, und er schließt einen Mikrocomputer, ein "random access memory" (RAM) und ein "erasable programmable read-only memory" (EPROM) ein. Ein typischer DAC ist der DACO800LCN, und ein typischer Multiplexer-ADC ist der ADCO809CCN.
Die Kompressorgeschwindigkeit und die Ventilstellung werden vom Mikrocomputer bestimmt, der das zyklisch an die Leitung abgegebene Gasvolumen, die Zyklusfrequenz (oder -rate) und das Abgabe-Zeitintervall (oder den Arbeitszyklus) steuert. Die Kompressorgeschwindigkeit wird von dem Mikrocomputer auch eingestellt, um zu verhindern, daß der durchschnittliche Gasdruck während eines Abgabeintervalls ein eingestelltes Limit überschreitet. Während des Abgabeintervalls ist das Ventil 16 in eine solche Stellung gebracht, daß die Strömung von der Leitung 15 zur Ausgangsleitung 14 hin gerichtet wird. Während des restlichen Zyklus lenkt das Ventil 16 die Strömung in die pneumatische Leitung 17 um. Die Leitung 19 steht zur Verfügung, um eine gesteuerte Strömung eines zweiten Gases über das Ventil 16 in die Ausgangsleitung 14 einzuspeisen.
Die Gasströmungsgeschwindigkeit aus dem Kompressor wird vom Mikrocomputer aus dem Druckwandlersignal und dem Kompressorgeschwindigkeitssignal durch Eingabe dieser Signale in die gespeicherte, kalibrierte Kompressorcharakteristik (Geschwindigkeit, Druck, Strömungsgeschwindigkeit) berechnet. Abgegebenes Gasvolumen wird vom Mikrocomputer durch Integration der Strömungsgeschwindigkeit berechnet. Der berechnete Wert wird mit dem ausgewählten Wert des Luftvolumens verglichen, und wenn hier ein Fehler auftritt, wird die Kompressorgeschwindigkeit vom Mikrocomputer über mehrere Zyklen hinweg langsam nachjustiert, bis die beiden Werte des Luftvolumens zusammenfallen. Die Kompressorgeschwindigkeit wird in ähnlicher Weise reduziert, wenn ein übermäßiger Gasdruck abgefühlt wird. Der Mikrocomputer bestimmt auch den Durchschnittsdruck und die Strömungsgeschwindigkeit während des Abgabeintervalls und berechnet aus diesen Werten den charakteristischen Widerstand der pneumatischen Leitung. Der kalkulierte pneumatische Widerstand wird zur Einstellung der Anfangsbedingungen zum Zwecke eines intermittierenden Gebrauchs des Systems gespeichert. Er ist auch nützlich bei der Warnung vor verdächtig übermäßigen Veränderungen im Leitungszustand. In der Praxis erwies es sich als zweckmäßig, für ein Abgabeintervall einen gemessenen Durchschnittsdruck abzuleiten und diesen mit einem Bezugsdruckwert zu vergleichen, der von dem ausgewählten Gasvolumen abgeleitet ist. Aber die Prozedur und das Ergebnis sind äquivalent, um einen Vergleich der Volumen zu lenken.
Der Druckabfall über das Richtungsventil und die zugeordneten Strömungsdurchlässe hinweg wird sehr klein gehalten, so daß der pneumatische Leitungsdruck so angenommen werden kann, als wäre er innerhalb eines annehmbaren Fehlers der gleiche wie der Kompressorauslaßdruck. Für höchste Genauigkeit kann vom Computer eine Korrektur ausgeführt werden.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist deswegen vorteilhaft, weil sie einfach ist und eine minimale Anzahl aktiver Elemente erfordert. Sie ist besonders anwendbar im Zusammenhang mit Kompressortypen, welche einen weiten dynamischen Bereich haben, und dort, wo die Variation der Strömungsgeschwindigkeit mit dem Druck bei konstanter Geschwindigkeit in vernünftigen Grenzen gleichförmig und nicht übermäßig ist. Diese Forderungen sind charakteristisch für einen Schlepp- oder regenerativen Kompressor wie auch für positive Verschiebungsmaschinen.
Dynamische Typen, beispielsweise Zentrifugalkompressoren, haben aufgrund eines plötzlichen Anstiegs (Instabilität) bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten einen begrenzten dynamischen Bereich und die Strömungs-/Druckcharakteristik ist zu einer Anwendung in dem in Fig. 1 dargestellten, schlußfolgernden Steuersystem weniger günstig. Für einen Betrieb mit einem solchen Kompressor ist es erforderlich, einen Strömungssensor zur direkten Messung der Gasströmungsgeschwindigkeit zu benutzen.
Die Verwendung eines Differentialdrucksensors in der Gasleitung kann beanstandenswert sein, da sie den Druck in der Abgabeleitung durch einen übermäßigen Betrag reduzieren kann, insbesondere dort, wo der Bereich des Abgabedruckes niedrig ist. Lineare Drucksensoren mit sehr geringen Druckabfällen stehen zur Verfügung, jedoch sind diese relativ groß und sie erfordern die Verwendung von Wandlern für sehr kleine Drücke, die ebenfalls relativ groß, empfindlich und teuer sind, insbesondere für tragbare Anwendungen. Obwohl ein Heizdraht-Anemometer dazu benutzt werden kann, um die Strömungsgeschwindigkeit zu messen, sind solche Meßinstrumente für tragbare Anwendungen unerwünscht, wegen ihrer niedrigen Empfindlichkeit, hohen Energieableitung und Kosten.
Ein mikrocomputerisiertes Gasabgabesystem, bei dem ein Druckabfall-Strömungsmesser zur direkten Messung der Strömungsgeschwindigkeit Anwendung findet, ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses System ist mit der Vorrichtung nach Fig.
1 mit der Ausnahme identisch, daß ein linearer Strömungssensor 48 in der pneumatischen Leitung 14 angeordnet ist, und ein Differentialdruckwandler 50 den Druckabfall am Strömungssensor über pneumatische Leitungen 52 und 54 abfühlt und an den Multiplexer 34 über eine elektrische Leitung 56 eine proportionale Spannung liefert. Der Strömungssensor kann einer von mehreren, für niederen Druckabfall geeigneten, linearen Strömungssensoren sein, beispielsweise ein Hans-Rudolph-Modell 4719 Pneumotach, und der Differentialdruckwandler kann einer von mehreren Niederdrucktypen sein, beispielsweise ein Celesco-Modell 603151-410.
Bei der Vorrichtung sowohl gemäß Fig. 1 als auch gemäß Fig. 2 fühlt der Druckwandler 40 sowohl positive und negative Manometerdrücke ab. Wenn der Leitungsdruck niedriger als eine vorgegebene negative Schwelle wird, veranlaßt die Steuerung das Richtungsventil 16, sich in die Freigabeposition zu verschieben.
In Tabelle I sind die Steuerfunktionen für den Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 aufgelistet, wobei die Vorrichtung an einen Anwendungsfall angepaßt ist, nämlich als ein zyklisch arbeitendes Volumenatemgerät für Patienten mit beeinträchtigter Lungenfunktion. In Übereinstimmung mit Tabelle I, Absatz A werden ausgewählte Werte des Atmungsvolumens, der Atmungsperiode, des Einatmungsarbeitszyklus, der Einatmungsdruckgrenze und der negativen Druckschwelle über das Tastenfeld in den Computerspeicher eingegeben. Bereiche gemessener Werte sind im Absatz B, Gleichungen für berechnete Werte sind in Absatz C und Computerinstruktionen sind in den Absätzen D und E angegeben.

Tabelle I

TYPISCHE ATEMGERÄT-STEUERFUNKTIONEN

A. Auswahl

1. Atmungsvolumen 200 bis 1000 ml
2. Atmungsperiode 2 bis 7,5 Sek.
3. Einatmungs-Arbeitszyklus 20 bis 33% (der Atmungsperiode)
4. Einatmungsdruckgrenze 30 bis 70 cm H&sub2;O
5. Negatives Druckniveau für die vom Patienten bewirkte Einatmung 0 bis -20 cm H&sub2;O
6. Nominaler pneumatischer Luftweg-Widerstandswert (Ra = Pa/Qa) 0,2 bis 1,0 cm H&sub2;O 1/Min

B. Messung

1. Kompressorgeschwindigkeit (N) 2000 bis 14 000 U/Min
2. Einatmungsdruck (Pi) des Patienten -30 bis +80 cm H&sub2;O
3. Einatmungszeitintervall (Δti) 0,3 bis 3,0 Sek.
4. Ausatmungszeitintervall (Δte) 1,0 bis 10,0 Sek.

C. Berechnung

1. Einatmungsströmungsgeschwindigkeit Qai = f(PiN)
2. Einatmungsluftvolumen Vai = dt/Δti
3.Durchschnittlicher Einatmungsdruck Pai = ( dt)/Δti
4. Durchschnittliche Einatmungsströmungsgeschwindigkeit Qai = Vai/Δti
5. charakteristischer pneumatischer Luftwegwiderstand Ra = ai/ ai
6. Ausatmungszyklusperiode tc = Δti + Δte

D. Während des Einatmungs-(Zufuhr-)Intervalls

1. Ablesung der Kompressorgeschwindigkeit und des Kompressorauslaßdrucks (Einatmungsdruck)
2. Division des ausgewählten Atmungsvolumens durch die Einatmungszeit, so daß man die Bezugsströmungsgeschwindigkeit für ein Einatmungsintervall erhält.
3. Integration der augenblicklichen Einatmungsströmungsgeschwindigkeit und Division durch die Einatmungszeit, so daß man die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit während eines Einatmungsintervalls erhält.
4. Vergleich der Bezugs- und gemessenen Durchschnittswerte der Einatmungsströmungsgeschwindigkeit, um so eine Differenz für das Einatmungsintervall zu erhalten.
5. Einstellung der Kompressorgeschwindigkeit in dem nächst folgenden Einatmungsintervall durch einen Betrag, der auf die Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz und in einer Richtung so bezogen ist, daß sich die Differenz verringert.
6. Wiederholung von Schritt 5. bis die Differenz bei einem Minimum ist.
7. Vergleich des gemessenen pneumatischen Luftwegwiderstands mit dem nominellen ausgewählten pneumatischen Widerstand und Korrektur des Bezugswertes. Einspeichern des gemessenen Widerstandswertes für künftige Bezugnahme und Anzeige.
8. Vergleich des gemessenen Durchschnittswertes des Kompressorausgangsdruckes (Einatmungsdruck) mit einem ausgewählten Wert der Druckgrenze.
9. Wenn der gemessene Druck die ausgewählte Grenze überschreitet: Verringerung der Kompressorgeschwindigkeit in aufeinanderfolgenden Einatmungsintervallen, bis der gemessene Druck kleiner als die ausgewählte Grenze ist, und Alarmbetätigung.

E. Während des Ausatmungs-(Ausstoß-)Intervalls

1. Wenn der gemessene Druck nach der Ausatmung stärker negativ als die gewählte Schwelle des negativen Drukkes bei vom Patienten initiierter Einatmung ist: Betätigung des Auswahlventils in Einatmungsposition.
2. Wenn die tatsächliche Ausatmungszeit geringer als die ausgewählte Ausatmungszeit ist: Reduzierung der Ausatmungszyklusperiode durch Erhöhen der Differenz zwischen den tatsächlichen und ausgewählten Ausatmungszeitintervallen.
Der Vorteil eines regenerierenden Schleppkompressors zur Verwendung in der Gaszufuhrvorrichtung, wie sie in Fig. l dargestellt ist, ist durch die Arbeitskennlinie eines geeigneten Schleppkompressors in Fig. 3 dargestellt. Diese beruht auf einem Dauer- und Kalibrierungsstabilitätstest für einen Schleppkompressor, der in einem Modell eines tragbaren Atmungsgerätes eingesetzt wird, welches erfolgreich gebaut und getestet wurde. Für eine gleichförmige Tabulierung kalibrierter Werte der Kompressorgeschwindigkeit und des Kompressorauslaßdruckes, auf denen die Werte der Strömungsgeschwindigkeit basiert werden, ist es wünschenswert, daß die Kennlinie bei konstanter Geschwindigkeit von einer geraden Linie nicht sehr abweicht. Eine Variation in der Steigung bei einer konstanten Geschwindigkeitscharakteristik von 2 zu 1 ist annehmbar. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß in dem Bereich, der durch die begrenzenden Werte des pneumatischen Widerstandes (Ra = 1,0, Ra = 0,2) begrenzt wird, die Steigungsveränderungen jeder der drei konstanten Geschwindigkeitskenndaten 1,5 bis 1 nicht überschreitet. Die horizontale Schiene bei jedem konstanten Geschwindigkeitsmerkmal sind die maximalen Abweichungen der Werte bei einem Dauertest von über 2000 Stunden. Die Standardabweichungen sind bemerkenswert niedrig. Dies zeigt, daß die Kalibrierung für eine Anwendung ausreichend stabil ist, bei welcher brauchbare Strömungsgeschwindigkeiten erhalten werden können, ohne daß dabei die Notwendigkeit für übermäßig häufige Kalibrierungen besteht.
Die Nachteile eines dynamischen Kompressors des Zentrifugaltyps zur Anwendung bei der in Fig. 1 dargestellten Gaszufuhrvorrichtung sind in der Arbeitskennlinie eines Zentrifugalkompressors in Fig. 4 dargestellt. Diese Kennlinie basiert auf der Konstruktion eines Zentrifugalkompressors für die gleiche Funktion wie der Schleppkompressor, dessen Arbeitsweise in Fig. 3 dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß bei einem Luftwegwiderstand die Kennlinie bei konstanter Geschwindigkeit nahezu horizontal ist. Bei niedrigem Luftwegwiderstand ist sie fast vertikal. Die Veränderung im Anstieg liegt über 40 zu 1. Im horizontalen Bereich wäre es sehr schwierig, ausreichende Druckinformation zu speichern, um zuverlässige Strömungsablesungen zu erhalten. Daneben liegt ein Teil des Arbeitsbereiches links von der Anstiegslinie, wo ein Betrieb instabil ist.
Ein Arbeitsverhalten, das demjenigen des Schleppkompressors, wie in Fig. 3 dargestellt, ähnlich (jedoch nicht überlegen) ist, läßt sich durch einen positiven Verschiebungskompressor erreichen, ein adäquater Wirkungsgrad hängt jedoch von der Aufrechterhaltung sehr kleiner Verhältnisse eines Freiraums zum Durchmesser (s = 0,0002) ab, so daß besonders bei kleineren Größen, wie sie bei einem tragbaren Atmungsgerät oder einem Antrieb für ein künstliches Ventrikel erforderlich wären, solche Geräte nur sehr schwer zu bauen sind.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines motorgetriebenen Schleppkompressoraufbaus, der im Maschinenbaumodell eines tragbaren Atmungsgerät eingebaut und dort benutzt wurde.
Dieser Kompressor findet Anwendung, da er eine angemessen steile und gleichförmige Charakteristik (Druck gegen Strömung) hat, die für ein gutes Steuerverhalten des Apparates gemäß Fig. 1 günstig ist; die Konstruktion ist einfach; und es gibt keine Berührungsflächen, was zu einer hohen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer führt.
In Schleppkompressoren (auch als regenerative Pumpen bekannt) wird die Luft durch ein rotierendes Laufrad über einen stationären Ringkanal getrieben, wobei eine Kombination von viskosen und dynamischen Effekten stattfindet. Radiale Flügel sind in die Seiten der Laufradscheibe an deren Umfang eingearbeitet, so daß sie eine kreisförmige Reihe von Hohlräumen bilden. Diese entsprechen dem stationären Ringkanal und einer seitlichen Auslaßöffnung am anderen Ende. Die Auslässe sind durch eine Blockdichtung getrennt, in welcher ein sehr kleiner Freiraum zwischen dem Rotor und dem Stator aufrechterhalten wird. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist ein sich drehendes Laufrad 58 auf der Welle eines bürstenlosen Gleichstrommotors 60 montiert. Halbkreisförmige Flügel 62 sind auf der Fläche des Laufrades eingearbeitet. Diese entsprechen einem stationären Ringkanal 64 mit einem konischen Auslaß 66. Der Motor 60 ist vollständig von einem Gehäuse 68 umschlossen, welches ein Auslecken in die Umgebung verhindert.
Fig. 6 ist eine Vorderansicht des Rotors 58, welche deutlich die Flügel 62 zeigt, die ihrerseits in einem Winkel 45º zur Achse orientiert sind. Eine Seitenansicht des Laufrades und des Stators, welche den Einlaß und Auslaß zeigt, ist zeichnerisch in Fig. 7 dargestellt. Luft oder Gas tritt durch die Einlaßöffnung 68 ein und wird dann von dem Laufrad durch den ringförmigen Kanal gezogen, wo sie einen Winkel von etwa 340º durchströmt, bevor sie durch den konischen Auslaßdiffusor 66 austritt. Der Einlaß und der Auslaß sind durch eine kleine Blockdichtung getrennt, die mit den rotierenden Flügeln einen sehr kleinen Freiraum bildet. Obwohl dieser Freiraum kleiner als der bei einem Zentrifugalkompressor erforderliche ist, ist er nicht so klein oder kritisch wie derjenige, der bei positiven Verschiebungs-Kompressortypen benötigt wird.
Aus dem schematischen Diagramm der Kompressorgeschwindigkeitssteuerung gemäß Fig. 8 ist ersichtlich, daß der bürstenlose Gleichstrommotor 60 eine Vielfalt von Phasen hat, die nacheinander von einem Multiphasenmotorantrieb 70 geliefert werden. Impulse aus einem Hall-Effekt-Kommutierungssensor werden in einer der Phasen über eine Leitung 72, einen Kondensator 74 und eine Leitung 76 einem Frequenz/Analogwandler 78 zugeführt. Eine analoge Spannung, welche zur Motorgeschwindigkeit proportional ist, wird über die Leitung 38 der analogen Eingangseinheit 32 und dem Mikrocomputer zugeführt, wo sie mit der Bezugsgröße verglichen wird. Eine Geschwindigkeitssteuerspannung wird vom DAC 28 über die Leitung 24 und den Widerstand 80 dem Impulsbreitenmodulator 82 zugeleitet. Der Impulsbreitenmodulator veranlaßt den Motorantriebssteuerschalter 84 zur Ausbildung einer proportionalen Schaltungsperiode bei einer hohen Frequenz, beispielsweise 10 kHz. Der Steuerschalter macht den Motorantrieb unwirksam, und die Pulsbreite entspricht der Geschwindigkeitssteuerspannung, so daß die effektive Gleichstromspannung, welche jeder Motorphase angelegt wird, variiert und die Geschwindigkeit des Motors geändert wird.
Fig. 9 ist eine detaillierte Zusammenbauzeichnung eines typischen Richtungsventils, das als Ventil 16 bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung zum Einsatz gelangen kann. Der Ventilaufbau besteht aus einem Gehäuse 84, welches eine Kammer 86 mit einer Einlaßöffnung 88 für eine erstes Gas, gewöhnlich Luft, enthält. Eine weitere Einlaßöffnung 90 ist einem ergänzenden, zweiten Gas, gewöhnlich Sauerstoff, zugeordnet, eine Auslaßöffnung 92 ist für die Gasmischung vorgesehen, und schließlich sind noch Auslaßöffnungen 94 vorhanden. Ein Ventilteller 96 wird von einem Ventilbetätiger 18 angetrieben, der aus einem Gleichstrom- Getriebemotor 98 besteht, der an eine lineare Zahnstange 100 angekoppelt ist, die am Ventilteller 96 befestigt ist. In der in Fig. 9 dargestellten Stellung dichtet der Ventilteller 96 die Auslaßöffnungen 94 über einen O-Ring 102 ab, und das erste und das zweite Gas werden zugeleitet und fließen über den Auslaß 92 in die Auslaßleitung 14. Wenn das Ventil betätigt wird, treibt der Motor die Zahnstange 100 und den Ventilteller 96 in die gegenüberliegende Extremstellung, in welcher er den Auslaß 90 über einen O- Ring 104 abdichtet. Die Einlaßöffnung 106 für den Auslaß 90 hat einen relativ kleinen Durchmesser, um so die Druckkraft des zweiten Gases zu reduzieren, wenn die Öffnung 106 abgedichtet wird, und um zu verhindern, daß die Druckkraft den Ventilteller 96 veranlaßt, sich zu öffnen und es dem zweiten Gas zu gestatten, in den Auslaß auszulecken. Wenn er nach oben betätigt wird, gibt der Ventilteller 96 die Auslässe 94 frei und ermöglicht es dem Einlaßgas, zum Auslaß zu strömen, wobei es vom Auslaß 92 abgelenkt wird. Der Zweck der Abdichtöffnung 106 im Auslaß 90 besteht darin, einen Verlust an dem zweiten Gas während des Ausstoßintervalles zu verhindern. Wenn beispielsweise das Ventil in einem Atmungsgerät verwendet wird, kann es wünschenswert sein, Sauerstoff (zweites Gas) der Druckluft (erstes Gas) zuzuführen, die dazu dient, die Lunge des Patienten im Einatmungsintervall aufzublähen. Wenn während des Auslaßintervalls die Lunge Gas abstößt, ist Sauerstoff nicht erforderlich, und der Ventilteller dichtet die Sauerstoffleitung ab, wenn er die Ablaßöffnungen öffnet, um so einen Sauerstoffverlust in den Ablaß hinein zu verhindern. Ein Richtungsventil des Auslaßtyps findet Anwendung, um den Ausstoß des Kompressors zur Atmosphäre umzulenken, oder auch in eine andere Ausstoßleitung, anstatt die Kompressorzuführung abzuschalten, da bei Schleppkompressoren (gilt auch für positive Verschiebungspumpen) ein hoher Druck erzeugt und es erforderlich würde, die Kompressorgeschwindigkeit zu variieren, was in dem zur Verfügung stehenden Zeitintervall nur schwer auszuführen wäre, und zwar aufgrund der Trägheit der rotierenden Teile.
Ein schematisches Diagramm des Ventilantriebs 22 zur Betätigung des Richtungsventils 16 aus dem Mikrocomputer ist in Fig. 10 dargestellt. Die Leitung 30 aus dem Mikrocomputer enthält zwei Leiter, nämlich einen Leiter 108, der eine positive Spannung anlegt, um den Ventilmotor im Uhrzeigersinn anzutreiben und so den Ventilteller gegen die Ausstop- und Abgabeströmung in die Ausgangsleitung 14 aufzusetzen, und einen Leiter 110, der eine positive Spannung anlegt, um den Ventilmotor im Gegenuhrzeigersinne anzutreiben und so den Ablaß zu öffnen und die Strömung aus dem Kompressor umzuleiten. Wenn der Uhrzeigersinnbefehl aus dem Computer empfangen wird, um den Ablaß zu schließen und die Strömung umzuleiten, erscheint eine positive Spannung an der Leitung 108, welche veranlaßt, daß die Transistoren 112 und 114 leitend werden, was zum Anlegen einer hohen Spannung an den positiven, dem Uhrzeigersinn zugeordneten Ventilmotorleiter 116 führt, was auch einen Leitungszustand des Transistors 118 und eine Erdung des Leiters 124 veranlaßt, um so den Motorschaltkreis zu vervollständigen. Ein Gegenuhrzeigersinnbefehl wird vom Mikrocomputer gegeben, um den Ablaß zu öffnen, wobei die Transistoren 120, 122 und 126 leitend gemacht werden, wodurch die Stromrichtung durch den Ventilmotor umgekehrt wird.
Wenn das System in einem Atmungsgerät Anwendung findet, ist es für die Lunge nicht empfehlenswert, ebenfalls durch das Richtungsventil Gas abzugeben, und zwar sowohl wegen eines möglicherweise langen Atmungsrohres zwischen dem Ventil und einer "Intubation", was eine übermäßige Rückatmung verbrauchter Luft veranlaßt, als auch wegen einer Verunreinigung des Ventils, was häufige Reinigung erfordern würde. Um dies zu vermeiden kann ein Ausatmungsventil in dichter Nachbarschaft zur Intubation plaziert werden. Die Auslaßöffnung des Ausatmungsventils wird während der Einatmung abgedichtet und ist während der Ausatmung offen. Da in beiden Intervallen ein positiver Druck vorhanden ist, ist ein einfaches Absperrventil nicht adäquat, und es wird ein gesteuertes Ventil verwendet.
Fig. 11 zeigt die Anwendung eines solchen Ausatmungsventils im Einatmungsintervall. Gas wird durch das Richtungsventil 16 der Leitung 14 zugeführt, dann durch ein Einwegeventil 128 und durch den Mittelkanal des Ausatmungsventils 130. Die Auslaßöffnung 132 des Ausatmungsventils 130 wird durch eine unter Druck stehende Membran 134 verschlossen. Wegen des nicht im Gleichgewicht befindlichen Bereiches auf der Membran 134 ist ein relativ kleiner Steuerdruck ausreichend, um die Membran zu betätigen und die Auslaßöffnung 132 zu verschließen. Dieser Steuerdruck wird aus einer Abzweigung 136 im Gehäuse 84 des Richtungsventils 16 erhalten. Es wurde gefunden, daß der normale Leitungsdruckabfall zwischen den Richtungs- und Ausatmungsventilen während der Einatmung ausreichend ist, um die Membran 134 zum Zwecke eines Verschließens der Auslaßöffnung 132 zu betätigen.
Während der Ausatmung würde dann, wenn das Einwegeventil 128 nicht in die Abgabeleitung eingesetzt wäre, die Auslaßöffnung 132 durch die Membran 134 verschlossen bleiben, da der Druckabfall beim Passieren der Ausatmungsluft durch die Ventilauslaßöffnungen 94 nicht ausreichend ist, um die Membran anzuheben, und zwar aufgrund des unausgeglichenen Bereiches. Durch den Einsatz des Einwegeventils 128 in die Leitung ist ein Rückfluß von Ausatmungsluft durch die Auslaßöffnungen 94 im Richtungsventil 16 verhindert, und der Atmungsdruck ist dann ausreichend, um die Membran anzuheben und es der ausgeatmeten Luft zu ermöglichen, durch die Auslaßöffnung 132 am Ausatmungsventil 130 zu strömen. Dieser Zustand ist in Fig. 12 dargestellt. Die Einlaßöffnung 90 für das zweite Gas ist aus Gründen besserer Klarheit im Richtungsventil 16 nicht dargestellt.
Wie bereits festgestellt, ist es bei Anwendung der Vorrichtung als Beatmungsgerät häufig erforderlich, die Atmungsluft mit Sauerstoff anzureichern. Es ist wünschenswert, daß die Konzentration auswählbar und auf einen gewünschten Wert einsteuerbar ist.
Fig. 13 ist ein schematisches Diagramm eines Systems mit geschlossener Schleife für die gesteuerte Abgabe von Sauerstoff. Sauerstoff wird aus einem Behälter, beispielsweise einer Druckflasche 134, zugeführt, und zwar über einen Druckregulator 136 und ein von einem Elektromotor angetriebenes Ventil 140 zur Öffnung 90 des Richtungsventils 16, wo er durch die Öffnung 106 hindurchtritt und sich mit der Luft vereinigt, die aus dem Kompressor durch die Öffnung 88 eindringt. Die Gase fließen durch eine Mischkammer 142, wo sie durch Prallflächen 144 innig miteinander vermischt werden. Die Mischung tritt in die Leitung 14 aus. Die Sauerstoffkonzentration in dem Mischgas wird durch einen galvanischen Sauerstoffsensor 146 abgefühlt. Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist ein galvanischer Rexnord-Treibstoffzellentyp. Dieser Sensortyp erzeugt ein elektrisches Analogsignal, das zu der abgefüllten Sauerstoffkonzentration proportional ist. Das Sauerstoffsignal wird der analogen Eingangseinheit 32 zugeleitet, wo es in digitale Form umgewandelt und in den Mikrocomputer 26 eingegeben wird. Die gemessene Sauerstoffkonzentration wird mit dem ausgewählten Bezugswert verglichen, und ein Fehler wird in einem zugeordneten Digital-Analog-Wandler 148 umgewandelt und in eine elektronische Antriebseinrichtung 150 eingeleitet, um das Sauerstoffventil 140 zu betätigen, bis der Fehler bei null liegt und die gemessenes Sauerstoffkonzentration dem ausgewählten Wert gleich ist. Der Zweck der Mischkammer 142 liegt darin, Falschmessungen aufgrund von Konzentrationsgradienten zu verhüten.
Eine Sauerstoffsteuerung mit geschlossener Schleife, wie in Fig. 13 dargestellt, wurde an das neue Gasabgabesystem angepaßt, welches als Atmungsgerät Anwendung fand, und es ergab sich ein befriedigendes Betriebsverhalten. Nachteile liegen in der Größe der Mischkammer und dem Sensor, welche zur Größe des Miniatur-Atmungsgerätes beitragen, sowie in der begrenzten Haltbarkeit des Sensors, zusammen mit erhöhten Kosten und erhöhter Wartung, insbesondere dann, wenn Sauerstoff nicht regelmäßig gebraucht wird.
Da die Einatmungsdruckveränderung gering ist und maximal bei 45 cm Wassersäule liegt, kann eine adäquate Sauerstoffsteuerung dadurch aufrechterhalten werden, daß man eine Ventilöffnung auf einen vorkalibrierten Wert einstellt, der dem gewünschten Sauerstofffluß entspricht, und den stromaufwärts vorherrschenden Sauerstoffdruck bei einem ausreichend hohen Wert hält, so daß der Druckabfall am Ventil durch Veränderungen des stromabwärts vorherrschenden Einatmungsdruckes nicht übermäßig beeinflußt wird. Ein solches System mit offener Schleife ist in Fig. 14 dargestellt. Dieses System ist dem System mit geschlossener Schleife gemäß Fig. 13 ähnlich mit der Ausnahme, daß eine Mischkammer 142 und ein Sauerstoffühler 146 nicht gebraucht werden. Die gewünschte Sauerstoffkonzentration wird in den Mikrocomputer zusätzlich zu den anderen, bereits diskutierten Parametern eingegeben. Für die durchschnittliche Einatmungsgasströmungsgeschwindigkeit und basierend auf der Kalibrierung des Sauerstoffsteuerventils 140 für eine fixierte Einstellung des Druckregulators 136 berechnet der Mikrocomputer den erforderlichen Ventilbereich. Das Steuerventil 140 schließt eine Positions-Rückkopplungseinrichtung ein, beispielsweise ein Potentiometer, welches ein auf die Ventilposition bezogenes Signal über eine elektrische Leitung 152 zum Mikrocomputer über die analoge Eingangseinheit 32 liefert.
Es ist nicht erforderlich, eine kontinuierliche automatische Einstellung des Ventils 140 über den Mikrocomputer vorzunehmen. Ein normales Ventil könnte benutzt und manuell in eine berechnete Position eingestellt werden. Diese Prozedur ist weniger zweckmäßig, sie hat aber den Vorteil, daß eine Zwischenverbindung zwischen der Sauerstoffsteuerung und der Computersteuerung nicht erforderlich ist. Es sollte auch verständlich sein, daß ein an sich bekanntes Differentialdruck-Strömungssteuergerät in der Sauerstoffleitung anstelle des Druckregulators 136 und des Ventiles 140 benutzt werden könnte.
Eine weitere primäre Anwendung für die neue Gaszufuhrvorrichtung ist die Verwendung als Antriebseinrichtung für einen pneumatischen künstlichen Ventrikel. Für einen einzigen, pneumatisch angetriebenen, künstlichen Ventrikel, beispielsweise des Utah-Typs, oder ein mechanischer Hilfsventrikel nach Kantrowitz (aortic patch), welcher Anwendung als implantierte ventrikuläre Hilfsvorrichtungen findet, arbeitet die Vorrichtung wie in Fig. 1 oder 2 dargestellt. Das Ein-Ventrikel-System ist schematisch der Atmungsgerätanwendung ähnlich, wobei der künstliche Ventrikel die Lunge als eine nachgiebige Last ersetzt, jedoch sind die Betriebsparameter, z. B. Strömungsgeschwindigkeiten, Drücke, Zykluswiederholungsraten, sehr stark verschieden. Eine unterschiedliche Anwendung besteht in dem Antrieb eines biventrikularen, total-künstlichen Herzens. Hier bläht der Kompressor abwechselnd eine rechte und dann eine linke pneumatische Herzkammer auf. Eine Vorkehrung für asymmetrische Antriebsintervalle und ein neutrales Haltezeitintervall innerhalb des fundamentalen Herzzyklus wird ebenfalls getroffen. Ein weiteres Element, das für einen pneumatischen künstlichen Ventrikel erforderlich ist, bei einer Lunge jedoch nicht benötigt wird, ist die Bereitstellung eines bestimmten Ansauggrades, um den Ventrikel bei der Füllung zu unterstützen.
Eine Anwendung der neuen Gaszufuhrvorrichtung zum Antrieb eines biventrikularen künstlichen Herzens wie auch als Bereitstellung zur Anwendung einer Saugwirkung ist in Fig. 15 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung liefert ein Kompressor 154 Druckluft über eine pneumatische Leitung 156 zu einem doppelt wirkenden, hin- und hergehenden Schiebeventil 158, welches Luft wahlweise über eine Öffnung 160 zum rechten Ventrikel und über eine Öffnung 162 zum linken Ventrikel hinlenkt. Wenn ein Ventrikel unter Druck gesetzt wird, stößt der andere aus, wobei die ausgestoßene Luft vom Ventil 158 über die Öffnung 164 flieht und dann über die pneumatische Leitung 166 und das Saugsteuerventil 168 zur Atmosphäre. Die Einlaßluft zum Kompressor 154 wird aus einer den beiden Leitungen 164 und 166 erhalten.
Ein Ventil des Ventiltellertyps ist für eine Verwendung als Richtungssteuerung bei einem total-künstlichen Herzen (TAH) vorteilhaft, wobei drei Positionen erforderlich sind: Zwei Positionen, in denen einer der Ventrikel unter Druck gesetzt wird und der andere ausstößt, und eine Mittelstellung, in welcher beide Ventrikel wie auch der Kompressor zum Auslaß Gas ausstoßen. Hier kommuniziert die rechte Kammer 170 mit dem linken Ventrikel und die zentrale Kammer 172 kommuniziert entweder mit der Saugquelle oder der Atmosphäre. Doppelscheiben-Ventilteller sowohl in der rechten und linken Kammer werden mit dem Antriebsmotor 174 über eine Schrauben-Zahnstangen- und Getriebekombination 176 verbunden. Ein Positionsabfühlpotentiometer 178 dient dazu, die Mittelstellung der Achse einzusteuern. Wenn sich die Achse an einer extremen Linksposition befindet, dichtet eine Scheibe 180 die linke Kompressoröffnung 181 ab, und der rechte Ventrikel gibt Gas in die Mittelkammer 172 und aus der Saugöffnung 164 heraus ab. Eine Scheibe 182 dichtet die rechte Kammer 170 von der Mittelkammer 172 ab, und Druckluft aus dem Kompressor strömt zum linken Ventrikel. Der Betrieb wird umgekehrt, wenn sich die Achse in ihrer extremen Rechtsposition befindet, wenn eine Scheibe 184 die rechte Kompressoröffnung 186 und eine Scheibe 188 die linke Kammer 190 von der Mittelkammer 172 abdichtet. In der Mittelposition, die auf der Zeichnung dargestellt ist, sind alle Öffnungen offen und sie stoßen durch die Saugöffnung 164 aus. Es sind keine Gleitdichtungen erforderlich, da die Achslager in den gleichen Wänden wie die Auslaßöffnung eingeschlossen sind, welche nierenförmig gestaltet werden könnte. Eine wünschenswerte Eigenschaft dieser Anordnung liegt darin, daß das Ventil näherungsweise ausbalanciert ist. Wenn beispielsweise das Ventil in seiner extremen Linksposition ist, legt der Kompressordruck eine nach rechts gerichtete Kraft an die Scheibe 180 an, und er legt weiterhin eine nach links gerichtete Kraft an die Scheibe 182 an. Das einzige Ungleichgewicht geht auf die Fläche der Antriebsachse und diejenige eines O-Ringes zurück, die jedoch zu einem sehr kleinen Bruchteil der Scheibenfläche gemacht werden können.
Ein Wandler 192 mißt den Druck oder das Vakuum in der Kammer 190, und ein Wandler 194 mißt den Druck oder ein Vakuum in der Kammer 170. Die Wandlerausgänge werden zu einer mikrocomputergestützten Steuerung 196 geführt, welche die in Fig. 1 dargestellten Elemente 26, 28, 32, 44 und 46 einschließt. Eine Saugwirkung wird an die Öffnung 164 durch den Einlaß zum Kompressor 154 angelegt. Die Saugwirkung wird durch ein Ausstopventil 168 eingestellt, welches durch ein Signal aus der Mikrocomputersteuerung 196 positioniert wird, und zwar über eine Ausstopventilantriebseinheit 198, um so die Saugwirkung bei einprogrammierten Werten zu halten.
Obwohl der in Fig. 5 und 6 dargestellte Schleppkompressor für ein Miniatur-Atmungsgerät geeignet ist, muß ein ähnlicher Kompressor zur Lieferung der höheren Leistung, welche von einem pneumatischen künstlichen Ventrikel benötigt wird, mit viel höherer Geschwindigkeit bei den gleichen Rotorabmessungen umlaufen, was einen Spezialmotor erfordert. Es erwies sich als möglich, die gewünschte Leistung bei einer reduzierten Geschwindigkeit dadurch zu erreichen, daß zwei Rotoren auf die gleiche Motorwelle montiert werden, was zu einem Doppel-Schleppkompressor in einer einzigen Einheit führt. Wie in Fig. 16 dargestellt, kommunizieren Flügel 200 im inneren Rotor 202 mit einem Ringkanal 204 im inneren Stator 206. Flügel 208 im äußeren Rotor 210 stehen mit einem Ringkanal 212 im äußeren Stator 214 in Verbindung. Beide Rotoren sind auf einer Wellenverlängerung 216 befestigt, und sie werden gemeinsam von einem Antriebsmotor 218 in Drehung versetzt, der von der Umgebung durch ein Gehäuse 220 abgedichtet ist, um Leckbildung zu vermeiden. Die Einlaß- und Auslaßanordnungen sind in Fig. 17 dargestellt. Ein Einlaß 222 und ein Auslaß 224 führen zum Ringkanal 204 im inneren Stator 206, und ein Einlaß 226 und ein Auslaß 228 führen zum Ringkanal 212 im äußeren Stator 214.

Claims

1. Eine Vorrichtung zur zyklischen Zufuhr eines gesteuerten Gasvolumens durch eine Leitung (14) mit

(a) einem von einem Rotationselektromotor (12) angetriebenen Kompressor (10) zur Anlieferung von Druckgas;

(b) von einer elektrischen Betätigungseinrichtung (18) angetriebenen Ventilmitteln (16), um während des Zufuhrintervalls des Zyklus Gas vom Kompressor (10) in die Leitung (14) zu lenken und zwischen diesen Intervallen das Gas in die Leitung (17) abzuleiten;

(c) einer Einrichtung (40) zur Vermittlung einer Messung des Gasdrucks in der Leitung (14) und zur Umwandlung dieser Messung in ein Signal und

(d) Steuermitteln (20, 22, 26); dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuermittel umfassen:

Mittel (26), welche die Zyklusfrequenz auswählen und aufrechthalten und die Messung der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit während des Zufuhrintervalls berechnen, um einen berechneten Wert des zugeführten Gasvolumens auf der Basis eines oder mehrerer Signale zu vermitteln und das Zufuhrintervall auszuwählen und zu steuern;

Mittel (20), welche den elektrischen Rotationsmotor (12) auf der Basis eines oder mehrerer, von den Mitteln (26) erzeugter Signale betätigen;

Mittel (22), welche die elektrische Betätigungseinrichtung (18) auf der Basis eines oder mehrerer, von den Mitteln (26) erzeugter Signale antreiben; wobei die Mittel (26) einen Bezugswert des zugeführten Gasvolumens auswählen, daß der Kompressor (10) ein Rotationskompressor mit veränderbarer Geschwindigkeit ist, und daß die Mittel (26) ferner berechnen: einen Wert der Kompressorgeschwindigkeit im nächstfolgenden Zufuhrintervall, basierend auf einem Zuwachs bezüglich des letzten verfügbaren Wertes der Kompressorgeschwindigkeit, bezogen auf den Unterschied zwischen dem berechneten Wert des zugeführten Gasvolumens und dem Bezugswert des zugeführten Gasvolumens, in einer Richtung, um den Unterschied zwischen dem zugeführten Gasvolumen und dem Bezugsgasvolumen zu reduzieren.

2. Eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welcher der Kompressor (10) ein rotierender, regenerativer Schleppkompressor ist.

3. Eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welcher der Kompressor (10) eine Betriebscharakteristik derart hat, daß der Anstieg an irgendeinem Punkt einer Kurve des Druckanstiegs gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit bei konstanter Geschwindigkeit nicht mehr als das Doppelte des Anstiegs an irgendeinem anderen Punkt ist, auf der konstanten Geschwindigkeitskurve innerhalb des Betriebsbereiches des Systems.

4. Eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welcher das Mittel (48, 50) zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ein Strömungssensor mit einem Ausgang (56) ist, der linear auf den Volumenstrom des dem Empfänger zugeführten Gases bezogen ist.

5. Eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welcher die Steuermittel (20, 22, 26) einen Mikrocomputer (26), Mittel zur Messung der Geschwindigkeit für den Kompressor mit einem Ausgang (38) und Mittel zur Messung des Kompressorauslaßdruckes mit einem Ausgang einschließen.

6. Eine Vorrichtung, wie in Anspruch 5 beansprucht, unter Einschluß von Mitteln (26) zur Berechnung des durchschnittlichen pneumatischen Widerstandes während einer Zufuhrphase.

7. Eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beansprucht, unter Einschluß von Mitteln (136, 140, 150, 80) zur Zugabe eines zweiten Gases mit einer gesteuerten Strömungsgeschwindigkeit zu den Ventilmitteln (16) während des Zufuhrintervalles und zum Anhalten der Strömung des zweiten Gases während des Restes des Zyklus.

8. Eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beansprucht, unter Einschluß eines zweiten, druckbetätigten Ventils (160) in der Leitung (19), wobei eine Auslaßöffnung während der Gaszufuhr geschlossen und geöffnet ist, wenn in der Leitung ein Rückstrom herrscht.

9. Eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welcher die Ventilmittel das Gas zu einer Saugquelle ableiten.