DE69034178T2

DE69034178T2 - Drucksystem Für Atmungswege

Info

Publication number: DE69034178T2
Application number: DE69034178T
Authority: DE
Inventors: Russell L. Trimble; Roger A. Gruenke; James A. Snook; Yuri G. Orlt; Steven W. Loethen
Original assignee: Puritan Bennett Corp
Current assignee: Puritan Bennett Corp
Priority date: 1989-05-19
Filing date: 1990-05-21
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2010-05-22
Also published as: ATE177655T1; DE69034178D1; ATE283085T1; JP3090468B2; EP0875258A3; JPH04505572A; AU5927090A; DK0472664T3; DE69033005T2; DK0875258T3; EP0875258A2; CA2056401C; EP0472664A4; DE69033005D1; ES2235277T3; EP0875258B1; WO1990014121A1; AU636628B2; EP0472664B1; ES2129393T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erleichterung der Atmung eines Patienten und ist insbesondere nützlich bei der Behandlung einer gestörten Atmung, von Schnarchen, von gemischter obstruktiver Schlafapnoe und bestimmten kardiovaskulären Schlaf-Krankheiten. Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einer Vorrichtung zur Ausübung eines Überdrucks auf den Luftweg des Patienten kurz vor dem Einsetzen der Einatmung, um eine Einatmung herbeizuführen und/oder zuzulassen, sowie zur anschließenden Verringerung des Druckes auf den Luftweg, um die Ausatmungs-Anstrengung zu mindern. Ein weiterer Aspekt der Erfindung beschäftigt sich mit der Überwachung von Geräuschen, welche mit der Atmung des Patienten verbunden sind, und der Steuerung des den Atmungswegen des Patienten entsprechend den Geräuschen zugeführten Gasdrucks
Beschreibung des Standes der Technik
Obstruktive Schlafapnoe ist eine Schlafstörung, welche durch ein Erschlaffen des Luftweges einschließlich des Genioglossus-Halsmuskel-Gewebes während des Schlafes gekennzeichnet ist. Wenn dies geschieht, kann der erschlaffte Muskel den Luftweg des Patienten teilweise oder vollständig blockieren, ein Zustand, der vor allem bei übergewichtigen Patienten verbreitet ist. Eine teilweise Blockierung kann zu Schnarchen führen. Ein vollständiges Blockieren kann zu einer Schlafapnoe führen.
Wenn ein vollständiges Blockieren auftritt, führen die Einatmungsanstrengungen des Patienten nicht zur Luftaufnahme und der Patient erleidet einen Sauerstoffentzug. Als Reaktion darauf beginnt der Patient zu erwachen. Bei Erreichen eines annähernd wachen Zustands nimmt der Genioglossus-Muskel seine normale Spannung wieder ein, was den Luftweg befreit und es ermöglicht, daß eine Einatmung stattfindet. Der Patient fällt darauf in einen tieferen Schlaf zurück, worauf der Genioglossus-Muskel wieder erschlafft und der Apnoe-Kreislauf sich wiederholt.
Eine Zentralapnoe liegt vor, wenn ein Einatmungsversuch nicht stattfindet oder verzögert ist. Eine Zentralapnoe kann mit einer obstruktiven Apnoe kombiniert sein, was als gemischte Apnoe bekannt ist. Andere Atmungs-Unregelmäßigkeiten, wie eine Cheyne-Stokessche Atmung, können apnoische Abschnitte aufweisen, wenn der Einatmungs-Luftstrom endet.
Bei manchen Patienten können Schlafapnoe-Ereignisse im Laufe einer Schlafperiode dutzende Male auftreten. Als Folge erreicht der Patient wegen des wiederholten Aufwachens bis zu einem nahezu aufgewachten Zustand niemals eine völlig entspannte Tiefschlaf-Periode. Der Patient muß außerdem einen REM(rapid eye movement) Schlaf entbehren. Personen, welche an Schlafapnoe leiden, sind auch nach einem anscheinend normalen Nachtschlaf ständig müde.
Um obstruktive Schlafapnoe zu behandeln, wurde das sogenannte System mit andauerndem Luftwegüberdruck ("continuous positive airway pressure", CPAP) ersonnen, bei dem ständig eine vorgeschriebene Höhe an Luftwegüberdruck an den Luftweg des Patienten angelegt ist. Das Vorliegen eines solchen Überdruckes an dem Luftweg sorgt für eine Druckaufteilung zum Ausgleich des Einatmungsunterdrucks, um eine Lagespannung des Gewebes und dadurch einen freien Luftweg des Patienten aufrecht zu erhalten. Die positive Luftweg-Verbindung mit einem Patienten wird typischerweise durch ein Nasenpolster erreicht, wie durch dasjenige, welches in dem US-Patent 4 782 832 offenbart ist, in welcher das Nasenpolster die Nasenlöcher des Patienten abdichtet und den Luftwegüberdruck auf die Nasendurchgänge ausübt.
Das CPAP-System geht jedoch mit Einschränkungen der Patienten einher, da der Patient gegen den Überdruck ausatmen muß. Dies erhöht die Ausatmungs-Arbeit. Manche Patienten haben Schwierigkeiten, sich daran zu gewöhnen, und möchten die Therapie deswegen aussetzen. Ein Austrocknen der Nase und des Luftwegs auf Grund der ständigen Zirkulation von Raumluft ist ebenfalls ein chronisches Leiden. Außerdem neigt ausgeatmetes Kohlendioxid dazu, bei der CPAP-Therapie in manchen Nasenmasken zu verbleiben.
Bei der vorschriftsmäßigen CPAP-Therapie ist es üblicherweise notwendig, daß ein Patient eine oder zwei Nächte in einem Schlafbehandlungs-Labor verbringt, wo zunächst ermittelt wird, ob der Patient eine Atmungs-Störung, z. B. eine Schlafapnoe, hat. Wenn dem so ist, wird der Patient mit einer CPAP-Vorrichtung verbunden, worauf der erforderliche Gasdruck ermittelt wird, um für die notwendige Luftaufteilung zu sorgen und eine Durchgängigkeit des Luftwegs aufrecht zu erhalten.
Der erforderliche Druck zur Aufrechterhaltung der Durchgängigkeit ist üblicherweise höher, wenn die Patientin oder der Patient auf ihrem bzw. seinem Rücken schläft, als bei einem Schlaf in einer seitlichen Ruhelage. Der höhere Druck ist üblicherweise derart vorgegeben, daß ein geeigneter Druck in allen Schlaflagen sichergestellt ist. Der höhere Druck wird jedoch nicht unter allen Umständen benötigt. Beispielsweise sind die höheren Drücke vor dem Einschlafen des Patienten und in den frühen Schlaf-Stadien nicht erforderlich. Zusätzlich sind die höheren Drücke häufig während eines tiefen Schlafes nicht erforderlich, wenn der Patient sich in der seitlichen Ruhelage befindet. Außerdem kann ein bestimmter Patient lediglich unter bestimmten Bedingungen für eine Schlafapnoe anfällig sein, wie wenn der Patient äußerst müde ist oder unter dem Einfluß von Alkohol oder Schlafmitteln steht. Als Folge ist der Patient der Unannehmlichkeit des verordneten hohen Druckes ausgesetzt, auch wenn dies nicht nötig ist.
Die WO-A-88/10108 beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung der Atmung während des Schlafs und zur Steuerung einer Schlafapnoe-Behandlung. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung weist eine einstellbare Druckluft-Quelle auf, die einen Luft-Kompressor und Mittel zur Veränderung des von diesem gelieferten Luftdrucks, ein Nasenstück zur dichten Luft-Verbindung mit dem Atmungssystem des Patienten und eine Luft-Verbindungs-Leitung von der Luft-Quelle zu dem Nasenstück umfaßt. Die Vorrichtung umfaßt außerdem einen Geräusch-Wandler, welcher derart ausgestaltet ist, daß er in Geräusch-Verbindung mit dem Atmungssystem des Patienten steht, und ein Rückkopplungs-System, welches den Ausgabedruck der Luft-Quelle abhängig von einer Ausgabe des Wandlers steuert, so daß der Ausgabedruck der Luft-Quelle als Reaktion auf die Erfassung eines ein Schnarchen anzeigenden Geräuschs entsprechend eines vorher definierten Vorgangs erhöht wird.
Die FR-A-2609623 beschreibt eine Vorrichtung für einen Apnoe-Detektor für ein Kind. Die Vorrichtung umfaßt akustische Zentren, welche das Atmungsgeräusch des Kindes aufnehmen und elektrische Atmungssignale an einen elektronischen Verarbeitungsschaltkreis liefern, welcher eine Spektralanalyse der Signale durchführt, um die charakteristischen Frequenzen im Atmungsgeräusch des Kindes aufzunehmen. Im Falle einer Apnoe liefert sie kein Ausgabe-Signal und ein Zeit-Schaltkreis gibt ein Warnsignal an einen Alarm-Schaltkreis.
Zusammenfassung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Einatmungs-Luftweg-Druck-System löst die oben ausgeführten Probleme des Standes der Technik. Die Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, stellt eine Vorrichtung zur Erleichterung der Atmung (10) zur Verfügung, welche zur Verbindung mit einer mit einem Patienten verbundenen Gas-Zuführeinrichtung (14) ausgestaltet ist und Mittel zur steuerbaren Druckausübung auf wenigstens einen Abschnitt der Atmungswege eines Patienten mit einem atembaren Gas von einer Quelle desselben aufweist, wobei die Vorrichtung umfaßt: Mittel zur Erfassung von mit der Atmung verbundenen Geräuschen des Patienten, wobei die Mittel Spektral-Signale erzeugen können, welche ein Spektrum von Frequenzen wiedergeben, aus denen sich die erfaßten Geräusche zusammensetzen, sowie Steuermittel, welche Mittel zur betriebsmäßigen Verbindung mit der Gas-Zuführeinrichtung in Abhängigkeit der Spektral-Signale, die von den Geräusch-Erfassungsmitteln empfangen wurden, und zur Steuerung des Gasdrucks, der auf wenigstens einen Abschnitt der Atmungswege des Patienten entsprechend der durch die Erfassungsmittel detektierten Geräusche ausgeübt wird, umfassen, wobei die Steuermittel umfassen: Spektralanalyse-Mittel zur Erzeugung einer Frequenz-Spektralanalyse der Spektral-Signale, Speichermittel zur Speicherung von Daten, welche für eine Vielzahl von Steuervorgängen entsprechend vorgegebener Spektral-Signale repräsentativ sind, und Verarbeitungsmittel, welche auf die Spektral-Analyse ansprechen, zur Auswahl von Steuervorgängen aus den Speichermitteln gemäß den Spektral-Signalen und zur Steuerung des Gasdrucks gemäß der ausgewählten Steuervorgänge, um das Auftreten eines Apnoe-Ereignisses zu verhindern.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Aufsicht auf den Kopf eines schlafenden Patienten, welcher die bevorzugte patientenverbindende Kopfbedeckung zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung tragend dargestellt ist;
2 zeigt eine seitliche Vertikalansicht des Patientenkopfes und der Kopfbedeckung nach 1, welche mit der bevorzugten Gehäuse-Zelle des Doppel-Leitung-Ausführungsbeispiels zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung verbunden gezeigt sind;
3 zeigt eine schematische Darstellung des Einfach-Leitung-Ausführungsbeispiels zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine schematische Darstellung des Doppel-Leitung-Ausführungsbeispiels nach 2;
5 zeigt eine Vertikalansicht des bevorzugten Ablaßventil-Elements in einer Anordnung über den Ablaßenden des Doppel-Leitung-Ausführungsbeispiels nach 4;
6 ist eine graphische Veranschaulichung eines typischen Atmungs-Zyklus, welcher eine Einatmungs-Phase und eine Ausatmungs-Phase umfaßt, des Nasen-Luftdrucks, welcher auf den Luftweg des Patienten während des Atmungs-Zyklus ausgeübt wird und der Ablaßventil-Schritte, welche dazu notwendig sind, die Sollwert-Drücke aufrecht zu erhalten;
7 zeigt eine Veranschaulichung eines elektrischen Schemas des Mikrocontrollers und damit verbundener Komponenten zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt ein elektrisches Schema der Gebläsemotor-Steuerung;
9 zeigt ein elektrisches Schema der Schrittmotor-Steuerung für das Ablaßventil;
10 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines Druck-Umwandlungs-Schaltkreises;
11 zeigt ein Computerprogramm-Flußdiagramm, welches den START-Abschnitt der Hauptroutine veranschaulicht;
12 zeigt ein Computerprogramm-Flußdiagramm des HAUPTSCHLEIFEN-Abschnitts der Hauptroutine;
13 zeigt ein Computerprogramm-Flußdiagramm der VENTILSCHRITT-Subroutine;
14 zeigt ein Computerprogramm-Flußdiagramm des ADC-Interrupts; und
15 zeigt ein Computerprogramm-Flußdiagramm der ÜBERPRÜFE-DIE-GEBLÄSE-GESCHWINDIGKEIT-Subroutine.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert. Das sich ergebende Recht umfaßt Bezugnahmen auf Beispiele, die in die Beschreibung lediglich für Zwecke des Hintergrundes aufgenommen sind.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungs-Figuren zeigt 3 schematisch das Einfach-Leitung-Ausführungsbeispiel der bevorzugten Druckvorrichtung 10 für Atmungswege, welche in groben Zügen umfaßt: eine(n) langgestreckte(n), flexible(n) Schlauch oder Leitung 12, ein mit einem Ende der Leitung 12 verbundenes Nasenpolster 14, eine Ablaßventil-Anordnung 16, welche dem entgegengesetzten, offenen Ventilende der Leitung 12 benachbart angeordnet ist, eine Gebläseeinheit 18, welche fluidisch mit der Leitung 12 zwischen dem Polster 14 und der Ablaßventil-Anordnung 16 verbunden ist, sowie eine Steuerung 20, welche zur pneumatischen Verbindung mit dem Nasenpolster 14 und zur elektrischen Verbindung mit der Ablaßventil-Anordnung 16 und der Gebläseeinheit 18 ausgestaltet ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Ablaßventil-Anordnung 16, die Gebläseeinheit 18 und die Steuerung 20 innerhalb eines Gehäuses 22 untergebracht, wie es in 2 im Zusammenhang mit dem Doppel-Leitung-Ausführungsbeispiel dargestellt ist. In dieser Hinsicht stellt die Leitung 12 einen inneren, in dem Gehäuse 22 untergebrachten Abschnitt und einen äußeren Abschnitt 26 dar, welcher sich von dem Gehäuse bis zu dem Nasenpolster 14 erstreckt. Die Leitung 12 bietet zusätzlich ein mit dem Nasenpolster 14 verbundenes Verbindungsende 28, ein Einlaßende 30, welches zum Entgegennehmen einer Versorgung mit einem atembaren Gas, vorzugsweise Umgebungsluft davon, verbunden ist, und ein Ablaßende 32, welches der Ablaßventil-Anordnung 16 benachbart angeordnet ist.
Das Nasenpolster 14 ist die bevorzugte Einrichtung zur Verbindung mit dem Patienten und ist näher in dem US-Patent Nr. 4 782 832 beschrieben. Die Kopfbedeckung 34 hält das Nasenpolster 14 am Kopf des Patienten 36, um fluidisch mit den Atmungswegen des Patienten 36 und bevorzugt mit den Nasenlöchern des Patienten zu verbinden. Das Nasenpolster 14 ist derart ausgestaltet, daß es eine Drucksensorhalterung 38 bietet, welche mit der Steuerung 20 über die pneumatische Leitung 40 verbunden ist, welche vorzugsweise derart innerhalb der Leitung 12 verlegt ist, daß die Leitung 40 bequemerweise aus dem Weg ist und weniger dafür in Frage kommt, durch den Patienten während der Verwendung der Vorrichtung 10 gequetscht oder eingeschränkt zu werden. Das Nasenpolster 14 umfaßt außerdem eine durch dieses begrenzte Ablaßöffnung 42, welche ständig eine geringe Druckmenge aus dem Nasenpolster 14 abläßt, um eine Feuchtigkeits-Entwicklung und eine darauf folgende Kondensation in diesem zu verhindern. Die Öffnung 42 verhindert außerdem das Ansammeln von ausgeatmeten Gasen einschließlich Kohlendioxid.
Die Ablaßventil-Anordnung 16 umfaßt einen Schrittmotor 44 und ein Ventilelement 46, welches mit dessen Hauptwelle verbunden ist. Das Ventilelement 46 ist vorzugsweise als flache Platte konstruiert, welche derart ausgestaltet ist, daß sie zwei entgegengesetzte, gekrümmte, kammähnliche Ränder 48a, 48b bietet, wie es in 5 gezeigt ist. Das Element 46 ist dem Ablaßende 32 der Leitung 12 benachbart angeordnet, so daß der Schrittmotor 44 das Ventilelement 46 in einer Richtung im Uhrzeigersinn verdreht, wie es in 5 zu erkennen ist, wobei der Rand 48a das Ablaßende 32 nach und nach abdeckt und dadurch nach und nach verschließt. Umgekehrt gibt der Rand 48a nach und nach einen sich vergrößernden Bereich des Ablaßendes 32 frei, um zusätzliches Gas aus diesem abzulassen, wenn der Motor 44 das Element 46 in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn verdreht.
4 zeigt das zweite, Doppel-Leitung-Ausführungsbeispiel der bevorzugten Vorrichtung 10. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich demjenigen der 3 und entsprechende Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das zweite Ausführungsbeispiel 50 umfaßt zusätzlich einen Ausatmungs-Schlauch 52, welcher das Verbindungsende 54 fluidisch mit dem äußeren Leitungs-Abschnitt 26 an der Verbindungsstelle 56 verbunden bietet, und welcher das Ausatmungs-Ende 58 zu dem Ventilelement 46 benachbart angeordnet bietet, in der gleichen Offen/Geschlossen-Beziehung zu dem gekrümmten Rand 48b, wie es das Ablaßende 42 für den gekrümmten Rand 48a bedeutet. Bei dieser Konfiguration bietet die Leitung 12 zusätzlich einen Einatmungs-Schlauch 60 zwischen einer Verbindungsstelle 56 und der Gebläseeinheit 18. Bei dem Doppel-Schlauch-Modell umfaßt das Nasenpolster 14 keinen Ablaßschlauch 42 und der Schlauch zwischen den Enden 54 und 58 umfaßt eine Trennwand 61, um diesen in zwei voneinander getrennte Durchgänge zu teilen. Das zweite Ausführungsbeispiel 50 kann außerdem ein Einatmungs-Drosselventil 62, welches innerhalb des Einatmungs-Schlauchs 60 benachbart zu der Verbindungsstelle 56 angeordnet ist, sowie ein Ausatmungs-Drosselventil 64 umfassen, welches innerhalb des Ausatmungs-Schlauchs 52 ebenfalls benachbart zu der Verbindungsstelle 56 angeordnet ist. Das Einatmungs-Drosselventil 62 verhindert den Durchgang der Ausatmung des Patienten durch dieses hindurch in Richtung auf das Ablaßende 32 und erzwingt dadurch, daß die Ausatmung des Patienten das System durch das Ausatmungs-Ende 58 verläßt. Die pneumatischen Leitungen 66 bzw. 68 verbinden die Steuerung 20 mit dem Einatmungs-Schlauch 60 und dem Ausatmungs-Schlauch 52.
Zum Zwecke der Übersicht: Die Steuerung 20 steuert die Vorrichtung 10, um den Gasdruck, der dem Patienten zu einem Zeitpunkt im Atmungszyklus des Patienten kurz vor der Einatmung geliefert wird, zu erhöhen, und um darauf folgend den Druck zur Erleichterung der Ausatmung zu verringern. Das obere Diagramm der 6 veranschaulicht einen typischen Luftstrom eines Atemzyklus. Während der Einatmung nimmt die Strömungsrate von Gas zu dem Patienten allmählich bis zu einem Maximum zu und nimmt dann ab. Beim Ende der Einatmung erlebt der Patient typischerweise eine kurze Pause, bevor die Ausatmung beginnt. Während der Ausatmung nimmt der Strom ausgeatmeten Gases von dem Patienten allmählich bis zu einem Maximum zu und nimmt dann wieder ab. Eine Post-Ausatmungs-Pause, typischerweise etwas länger als die Post-Einatmung-Pause, folgt der Ausatmung. Nach der Post-Ausatmungs-Pause beginnt der Patient wieder mit der Einatmung.
Das mittlere Diagramm der 6 veranschaulicht den Druck auf den Nasen-Luftweg, der dem Patienten 36 während des Betriebs der Vorrichtung 10 geliefert wird. Leidet der Patient unter Schlafapnoe, ist es wünschenswert, den Druck auf den Nasen-Luftweg kurz vor der Einatmung zur Aufteilung des Luftweg-Drucks zu erhöhen, um das Genioglossus-Gewebe in die richtige Lage zu bringen und dadurch den Luftweg offen zu halten. Demgemäß veranschaulicht das mittlere Diagramm eine Erhöhung des Nasen-Luftweg-Druckes kurz vor der Einatmung auf ein ausgewähltes verordnetes Druckniveau, welches dazu geeignet ist, umgebendes Gewebe zur Seite zu drücken und diesen Luftweg zu öffnen. Nach Beendigung der Einatmung wird der auf den Nasen-Luftweg ausgeübte Sollwert-Druck verringert, so daß die Ausatmung gegen ein geringes oder auch Null-Druckniveau relativ zur Umgebung erfolgt. Am Ende der Ausatmung wird der Nasen-Luftweg-Druck wieder vor der nächsten Einatmungs-Phase erhöht.
Um diese Druckveränderungen zustande zu bringen, erzeugt die Gebläseeinheit 18 bei einem Ausführungsbeispiel zur Verwendung bei der Erfindung ein im wesentlichen konstantes Volumen pro Zeiteinheit eines atembaren Gases, welches selektiv durch das Ablaßende 32 abgelassen wird. Das Volumen des abgelassenen Gases wird durch die Ablaßventil-Anordnung 16 gesteuert.
Das untere Diagramm der 6 stellt grafisch die verschiedenen Stellungen des Ventilelements 46 relativ zu dem Ablaßende 32 dar, um das gewünschte in dem mittleren Diagramm gezeigte Nasen-Luftweg-Druckprofil zu erreichen. Beispielsweise aktiviert die Steuerung 20 den Schrittmotor 44 während der Post-Ausatmungs-Pause, damit dieser das Ventilelement 46 in einer Richtung im Uhrzeigersinn (wie in 5 gezeigt) verdreht, damit der Nasen-Luftweg-Druck zu dem gewünschten Sollwert, wie er durch die Steuerung 20 mittels der pneumatischen Leitung 40 erfaßt ist, erhöht wird. Wenn der Patient beginnt, einzuatmen, wird das von der Gebläseeinheit 18 ausgegebene Gas von dem Patienten eingeatmet. Um den Sollwert-Druck aufrecht zu erhalten, verdreht die Steuerung dann schrittweise das Ventilelement 46 weiter in Richtung im Uhrzeigersinn, um die Menge des abgelassenen Gases zu verringern. Wenn die Einatmung ihre Höchst-Strömungsrate durchläuft, beginnt die Steuerung 20, die Stellung des Ventilelements 46 zurückzusetzen, um zusätzliches Gas zur Aufrechterhaltung des Sollwert-Druckes abzulassen.
Am Ende der Einatmung ist ein geringerer Druck-Sollwert erwünscht und die Steuerung 20 fährt damit fort, das Ventilelement 46 schrittweise in Richtung gegen den Uhrzeigersinn zu verdrehen, um zusätzliche Gasmengen zur Erzielung eines neuen, niedrigeren Sollwert-Druckes abzulassen.
Am Ende der Post-Einatmungs-Pause beginnt der Patient, auszuatmen. Um den gewünschten niedrigeren Sollwert-Druck aufrecht zu erhalten, muß das zusätzlich von dem Patienten ausgeatmete Gas durch das Ablaßende 32 abgelassen werden. Dementsprechend veranlaßt die Steuerung 20, daß das Ventilelement 46 weiter in Richtung im Uhrzeigersinn verdreht, um das Ablaßende 32 noch weiter zu öffnen. Wenn die Ausatmungs-Strömungsrate abnimmt, verdreht die Steuerung das Ventilelement 46 in Richtung im Uhrzeigersinn, um ein Ablassen zu verringern, damit der niedrigere Sollwert-Druck aufrecht erhalten wird. Am Ende der Ausatmung veranlaßt die Steuerung 20, daß das Ventilelement 46 weiter in Richtung im Uhrzeiger-Sollwert zu erhöhen. Dies ruft eine Spannung im Genioglossus-Muskel hervor, so daß der Luftweg als Vorbereitung auf die nächste Einatmungs-Phase geöffnet wird.
Eine Betrachtung der oberen und unteren Diagramme läßt eine Ähnlichkeit in den Kurven-Profilen erkennen. Dies bedeutet, daß die Steuerung 20 dazu fähig ist, den Atmungs-Zyklus eines Patienten durch ein Verfolgen der schrittweisen Stellungen des Ventilelements 46 zu verfolgen, welche zur Aufrechterhaltung der Sollwert-Drücke notwendig sind. Auf diese Weise ist die Steuerung 20 dazu fähig, das Ende der jeweiligen Einatmungs-/Ausatmungs-Phasen zu ermitteln und Ausatmungs- und Einatmungszeiträume vorherzusagen.
Mit Verweis auf die Steuerung 20 stellt diese elektrische Ausgaben zur Steuerung der Geschwindigkeit der Gebläseeinheit 18 und der Stellung des Schrittmotors 44 zur Verfügung. Die Steuerung 20 empfängt eine elektrische Rückmeldung von der Gebläseeinheit 18, welche deren Geschwindigkeit wiedergibt, und eine pneumatische Eingabe mittels der pneumatischen Leitung 40, um den Druck an dem Nasenpolster 14 und dadurch innerhalb der Nasen-Luftweg-Durchgänge des Patienten anzuzeigen.
Die Steuerung 20 umfaßt einen Druck-Wandler-Schaltkreis 700 (7) zur Bereitstellung eines elektrischen Eingabesignales, welches den Druck an dem Nasenpolster 14 einem Mikrokontroller-Schaltkreis 800 (8) anzeigt, welcher wiederum Ausgaben für einen Gebläsemotor-Schaltkreis 900 (9) und einen Schrittmotor-Schaltkreis 1000 (10) bereitstellt. Zusätzlich umfaßt die Steuerung 20 eine herkömmliche 120 V Wechselspannung zu + 5 V Gleichspannung-, + 12 V Gleichspannung und + 24 V Gleichspannung-Energieversorgung (nicht dargestellt), welche für digitale und analoge, integrierte Festkörper-Schaltkreis-Komponenten geeignet ist.
Der in 7 gezeigte Druck-Umwandlungs-Schaltkreis 700 ist typisch für den Druck-Umwandlungs-Schaltkreis sowohl des Einfach als auch des Doppel-Leitung-Ausführungsbeispiels zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung. Dies bedeutet, daß das Einfach-Leitung-Ausführungsbeispiel der 3 lediglich einen Druck-Wandler verwendet, wogegen das schematisch in 4 veranschaulichte Ausführungsbeispiel zwei Druck-Wandler verwendet, die beide einen Schaltkreis nutzen, wie er in 7 gezeigt ist.
Der bevorzugte Druck-Wandler umfaßt ein SENSYM Typ SX01DN mit einem Betriebsbereich von 0 bis 70 cm Wasser. Der bevorzugte Wandler umfaßt vier Dehnungsmeßstreifen, welche in einer herkömmlichen Wheatstone-Brücke 701 angeordnet sind, die Dehnungsmeßstreifen X1, X2, X3 und X4 aufweist, wovon jeder nominal 4650 Ohm bietet. Die Brücke 701 bietet einen Erregungs-Anschlußpunkt 702, welcher mit + 12 V Gleichstrom verbunden ist, und einen gegenüberliegenden Erregungs-Anschlußpunkt 704, welcher wie gezeigt an Erde gelegt ist. Die Brücke 701 erzeugt Ausgaben an den Anschlüssen 706 und 708. Ein Null-Einstellungspotentiometer 710 verbindet die Anschlüsse 704 und 706.
Der Ausgang des Anschlusses 708 ist mit dem positiven Eingabe-Anschluß des Betriebs-Verstärkers 712 verbunden (eine Hälfte vom Typ LT1014). Der Ausgang des Betriebs-Verstärkers 712 stellt eine Rückkopplung zu dem negativen Eingabe-Anschluß desselben zur Verfügung und versorgt den positiven Eingabe-Anschluß des Verstärkers 714 über den Widerstand R1 (1 kOhm). Der Ausgang ist außerdem über den Widerstand R2 (750 kOhm) mit der Erde verbunden.
Der Ausgangs-Anschluß 706 der Dehnungsmeßstreifen-Brücke ist mit dem positiven Eingabe-Anschluß des Betriebs-Verstärkers 716 (der anderen Hälfte der Einheit LT1014) verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 716 stellt eine Rückkopplung zu dem negativen Eingabe-Anschluß desselben zur Verfügung und ist über den Widerstand R3 (1 kOhm) mit dem negativen Eingabe-Anschluß des Verstärkers 714 verbunden.
Der Ausgang des Verstärkers 714 stellt eine Rückkopplung zu dem negativen Eingabe-Anschluß desselben über den Widerstand R4 (750 kOhm) zur Verfügung. Der Ausgang des Verstärkers 714 ist außerdem über den Widerstand R5 (X Ohm) mit dem Ausgabe-Anschluß 718 verbunden, welcher mittels des gerade beschriebenen Schaltkreises eine Ausgabe zwischen 0 und + 5 V Gleichspannung entsprechend einem Druck von 0 bis 25 cm Wasser zur Verfügung stellt.
Eine ähnliche Ausgabe ist an einem entsprechenden Anschluß 720 vorgesehen, wenn ein zweiter Druck-Wandler verwendet wird. Bei dem Doppel-Leitung-Ausführungsbeispiel stellen zwei Wandler eine zusätzliche Druck-Information zur Verfügung, was eine genauere Verfolgung der Gasströme der Einatmung und der Ausatmung des Patienten und dadurch eine genauere Atemzyklus-Verfolgung ermöglicht.
8 zeigt ein elektrisches schematisches Diagramm eines Mikrokontroller-Schaltkreises 800, welcher umfaßt: Einen Mikrokontroller 802 (Intel Typ 8097BH), eine programmierbare Array-Logik (PAL) (Typ PC16L8), ein EPROM ("erasable, programmable, read-only-memory") (Typ 27256), einen Adress-Speicher 808 ("adress latch") (Typ 74HC373), einen RAM-Speicher ("random access memory") (Typ 6264P), eine serielle Eingang/Ausgang-Daten-Schnittstelle (RS232 Typ MAX232), einen Verordnungs(RX)-Schalter-Array 814 und einen Eingabedaten-Speicher 816 ("input data latch").
Der Mikrokontroller 802 empfängt Energie (Vcc) bei + 5 V Gleichstrom an den Anschlüssen VCC, VPD, BW, RDY, VPP und VREF, wie es gezeigt ist. Erde ist mit den Anschlüssen NMI, VSS, EA und ANGND verbunden. Ein Quarz 802 ist zwischen den Anschlüssen XTAL1 und XTAL2 wie gezeigt verbunden und jeweils geerdete Kondensatoren C1 und C2 (jeder 33 pF) sind jeweils für Taktsignale bei 12 MHz mit dem Quarz verbunden.
Der Mikrokontroller 802 empfängt ein Reset-Signal am Anschluß RESET von einem Reset-Unterschaltkreis 820. Angeschaltet wird Energie durch den Widerstand R5 (100 kOhm ) hindurch zu dem geerdeten Kondensator C3 (22 uF) und zu den Eingabe-Anschlüssen des SCHMITT Trigger-NAND-Gatters 822 geleitet. Anfänglich ist die sich ergebende Eingangsspannung zu dem NAND 822 niedrig und seine Ausgabe ist logisch hoch. Diese logisch hohe Ausgabe wird dem Ausgabe-Anschluß 824 zugeführt, welcher ein Reset-Signal zu dem Gebläsemotor-Schaltkreis 900 bereitstellt, wie es nachstehend weiter diskutiert wird. Die eingangs logisch hohe Ausgabe des NAND 822 wird durch den Wechselrichter 826 invertiert, um dem Mikrokontroller-Anschluß RESET ein logisch niedriges Signal zu liefern, was den Mikrokontroller 802 so lange in der Grundstellung hält, bis die Aufladung am Kondensator C3 bis zu dem Auslöse-Niveau des NAND 822 ansteigt. Dies stellt dem System Zeit dafür zur Verfügung, sich zu initialisieren und Einschwingvorgänge zu unterdrücken. Wenn die Ladung an dem Überleiter C3 bis zu dem Auslöse-Pegel ansteigt, wird das Reset-Signal von dem Ausgabe-Anschluß 824 und dem Mikrokontroller 802 entfernt. Die Ausgabe von dem Wechselrichter 826 ist ebenfalls mit einer Seite des Pull-up-Widerstandes R6 (10 kOhm) verbunden, dessen andere Seite mit Vcc verbunden ist.
Der Reset-Schaltkreis 820 umfaßt außerdem einen normalerweise geöffneten Reset-Schalter 828, welcher gegenüber dem Kondensator C3 eingekoppelt ist, was ein manuelles Reset ermöglicht. Eine Diode D1 ist gegenüber dem Widerstand R5 eingekoppelt, um einen Entladungsweg für C5 im Falle eines Ausschaltens zur Verfügung zustellen.
Der Mikrokontroller 802 empfängt außerdem eine Eingabe des Druckwandlers am Anschluß ACH0 und ebenfalls an ACH1, wenn ein zweiter Wandler verwendet wird, wie bei dem Doppel-Leitung- Ausführungsbeispiel. Um für eine Unterdrückung eines Einschwingvorgangs zu sorgen und um die analoge Spannung von dem Druck-Umwandlungs-Schaltkreis 700 zu glätten, ist eine Seite des Kondensators C4 (0,005 nF) mit dem Anschluß 718 zusammen mit der Anode der Diode D2 und der Kathode der Diode D3 verbunden. Die andere Seite des Kondensators C4 und die Anode der Diode D3 sind, wie gezeigt, mit der Erde verbunden und die Kathode der Diode D2 ist mit einer Spannungsversorgung Vcc verbunden. Ein identischer Schaltkreis ist für den Anschluß 720 unter Verwendung der Dioden D4, D5 und des Kondensators C5 vorgesehen. Der Mikrokontroller 802 umfaßt interne Analog/Digital-Wandler ("analog-to-digital-converters", ADC), welche die jeweiligen analogen Eingaben an den Anschlüssen ACHO und ACH1 empfangen und diese in eine digitale Form zur internen Verwendung im Mikrokontroller 802 umwandeln.
Der Mikrokontroller 802 empfängt außerdem eine Eingabe am Anschluß HS1.0, welche ein Puls-Signal von dem Gebläsemotor-Schaltkreis 900 ist, das die Geschwindigkeit der Gebläseeinheit 18 wiedergibt, wie nachstehend erörtert wird.
Der Mikrokontroller 802 verwendet außerdem einen üblichen Adreß/Daten-Bus 830, welcher den Mikrokontroller 802 für einen Daten und Adress-Informationsfluß mit dem PAL 804, dem EPROM 806, dem Adress-Speicher 808, dem RAM 810 und dem Daten-Flip-Flop 816 an den in 8 gezeigten Anschlüssen verbindet. 8 zeigt außerdem die weiteren üblichen Verbindungen zwischen diesen gezeigten Komponenten.
Der Mikrokontroller 802 liefert eine serielle Daten-Ausgabe vom Anschluß TXD zu dem Anschluß 11 der Schnittstelle 812 und empfängt Daten vom Anschluß 12 derselben am Mikrokontroller-Anschluß RXD. Die Schnittstellen-Anschlüsse 14 und 13 empfangen RS232-Daten als Eingang und Ausgang, welche ein entferntes Auslesen und Steuern des Mikrocontrollers 802 und dadurch der Vorrichtung 10 ermöglichen. Dieses Merkmal ist insbesondere beispielsweise in einem Schlaf-Laboratorium nützlich, um die verordneten Drücke zum Erreichen der optimalen Therapie einzustellen.
Der Schalter-Array 814 umfaßt acht auswählbare Schalter zur Bereitstellung von Eingabe-Daten, welche die gewünschten verordneten Sollwert-Drücke für die Einatmung und die Ausatmung wiedergeben. Insbesondere werden die oberen vier Schalter zur Einstellung des verordneten Einatmungs-Drucks und die unteren vier Schalter für den verordneten Ausatmungs-Druck verwendet. Bei vier Schaltern für jeden Sollwert sind 16 mögliche Einstellungen verfügbar, die von 3 bis 16 cm Wasser für die Einatmung und von 0 bis 14 cm Wasser für die Ausatmung reichen. Der Daten-Flip-Flop 816 ist wie dargestellt mit dem Schalter-Array 814 verbunden und schaltet die Rezept-Daten bei Empfang des Flip-Flop-Signals vom Anschluß 12 des PAL 804. Die Rezept-Daten werden über den Bus 830 übertragen.
Der Mikrokontroller 802 stellt außerdem zwei zusätzliche Ausgänge zur Verfügung. Der erste davon liefert Daten zu dem Schrittmotor-Schaltkreis 1000 über den Sechs-Leitungs-Ausgangs-Bus 832 von den Mikrokontroller-Anschlüssen P1.0–1.5 zu dem Ausgabe-Anschluß 834. Der zweite zusätzliche Ausgang liefert ein impulsbreitenmoduliertes Signal (PWM) zu dem Gebläsemotor Schaltkreis 900 über die Leitung 834 und den Ausgabe-Anschluß 836.
9 zeigt ein elektrisches schematisches Diagramm, welches den Gebläsemotor-Schaltkreis 900 dar teilt, der das impulsbreitenmodulierte Signal am Anschluß 836 von dem Mikrokontroller 802 und außerdem ein invertiertes Reset-Signal am Anschluß 824 von dem Reset-Schaltkreis 820 empfängt. Der Gebläsemotor-Schaltkreis 900 liefert außerdem dem Mikrokontroller 802 ein Puls-Ausgabe-Signal am Anschluß 902, welches für die Geschwindigkeit des Gebläsemotors 904 steht.
Das am Anschluß 824 empfangene Reset-Signal ist mit dem Anschluß 10 des Motor-Antriebs 906 (Typ UC3524A) verbunden. Das pulsbreitenmodulierte Signal von dem Kontroller 802 am Anschluß 836 wird an den Anschluß 2 des Antriebs 906 über den Tiefpaßfilter C6 (1,0 uF) und den Widerstand R7 (24,9 kOhm) übertragen.
Der Antriebs-Anschluß 7 ist mit der Erde über den Kondensator C7 (0,003 uF) verbunden und der Anschluß 6 ist mit Erde über den Widerstand R8 (49,9 kOhm) verbunden. Der Anschluß 8 ist mit Erde verbunden und der Anschluß 15 nimmt eine Energieversorgung bei + 12 V Gleichspannung auf. Die Antriebs-Anschlüsse 12, 13 und 16 sind mit Vcc bei + 5 V Gleichspannung verbunden.
Der Motor-Antrieb 906 wandelt das Pulsbreiten-modulierte Eingangssignal bei 0–5 V Gleichspannung in eine entsprechende Ausgabe bei 0 bis + 12 V Gleichspannung an dessen Anschlüssen 11 und 14 zu dem programmierbaren Array-Logik(PAL) (Typ 16L8)-Anschluß 1 um. Diese Anschlüsse sind ebenfalls über den Widerstand R9 (0,5 Ohm) mit der Erde verbunden. PAL 908 erzeugt jeweilige Ausgaben an den Anschlüssen 19 und 18 als zwei Phasen für den Stator und den Rotor des Stromrichter-Gleichstrom-Gebläsemotors 904 (Fasco Corp. Typ 70000-S517). Die PAL 908-Ausgaben sind jeweilige Eingaben in die Pegel-Wandler 910 und 912 (MC14504), welche das Spannungsniveau von + 5 bis + 12 V Gleichspannung verschieben. Die + 12 V Gleichspannungs-Ausgaben von den Pegel-Wandlern 910 und 912 werden wiederum zu den jeweiligen Gattern der Feldeffekttransistoren (SENSFET) (Motorola SENSFET Typ MTP40N06M) 914 und 916 übermittelt. Die jeweiligen Drain-Anschlüsse der SENSFETS 914 und 916 sind jeweils mit den Anschlüssen 0A und 0B des Gebläsemotors 904 verbunden und liefern die jeweiligen Phasen-Eingaben an den Stator und den Rotor desselben.
Zusätzlich wird den Pegel-Wandlern 910 und 912 und dem normalen Energie-Anschluß CP des Gebläsemotors 904 Energie bei + 12 V Gleichspannung bereit gestellt.
Der Quell-Anschluß jedes SENSFET 914, 916 ist wie dargestellt mit der Erde verbunden.
Von den SENSFET 914, 916 umfaßt jeder ein zusätzliches Paar von Ausgängen an den Leitungen 918 und 920, welche ein Abtasten des Stromflusses durch die jeweiligen SENSFETS hindurch zur Verfügung stellen. Diese Ausgänge sind gegenüber dem Widerstand R10 (100 Ohm) eingekoppelt, um einen Stromweg für die aktuelle Abtastung und dadurch eine dafür repräsentative Spannung an den Anschlüssen 3 und 4 des Motor-Antriebs 906 bereitzustellen. Der Antrieb 906 spricht auf diese Eingangsspannung an, welche den Stromfluß durch den Gebläsemotor 904 wiedergibt, um den Betriebs-Zyklus der Ausgaben an den Anschlüssen 11 und 14 im Falle eines Motor-Überstroms zu verringern.
Der Gebläsemotor 904 ist zusätzlich mit einem Hall-Effekt-Wandler ausgestattet, welcher derart arbeiten kann, daß er einen Spannungspuls immer dann liefert, wenn ein magnetischer Pol des Motor-Stators an ihm vorüberfährt. Diese Ausgangs-Pulse repräsentieren die Geschwindigkeit des Motors 904 und werden dem Motor-Anschluß HALL über die Leitung 922 zum Ausgabe-Anschluß 902 sowie als Rückkopplung zum Motor-Antrieb 906 geliefert. Die für die Geschwindigkeit des Motor-Gebläses repräsentativen Ausgabe-Pulse am Anschluß 902 werden dem Mikrokontroller 802 an dessen Anschluß HS1.0 geliefert.
Die für die Geschwindigkeit des Motor-Gebläses repräsentativen Pulse werden vor einer Eingabe an die Motor-Antriebs-Anschlüsse 1 und 9 in eine repräsentative Spannung umgewandelt. Wie es in 9 gezeigt ist, ist die Leitung 922 mit einer Seite des Kondensators C8 (0,01 uF) verbunden, wobei dessen andere Seite mit einer Seite des Widerstandes R11 (10 kOhm) und mit der Anode der Diode D6 verbunden ist. Die andere Seite des Widerstandes R11 ist mit der Erde verbunden.
Die Kathode der Diode D6 ist mit einer Seite des geerdeten Kondensators C9 (0,1 uF), mit dem geerdeten Widerstand R12 (1 MOhm) und mit einer Seite des Widerstandes R13 (100 kOhm ) verbunden. Die andere Seite des Widerstandes R13 ist mit einer Seite des Kondensators C10 (0.22 uF), mit einer Seite des Widerstandes R14 (10 MOhm) und mit dem Motor-Antriebs-Anschluß 1 als Eingabe dazu verbunden. Die andere Seite des Kondensators C10 und des Widerstandes R14 sind mit dem Antriebs-Anschluß 9 verbunden.
Dieses Netzwerk der Komponenten C8-C10, R11-R14 und der Diode D6 wandelt die Frequenz-Pulse an der Leitung 922 in eine dafür repräsentative Spannung um. Dies bedeutet, daß dieses Netzwerk als Frequenz/Spannungs-Wandler infolge der großen Kapazität des Kondensators C9 (0,1 uF) arbeitet, welcher eine langdauernde Zeitkonstante zur Verfügung stellt. Der an die Motor-Antriebs-Anschlüsse 1 und 9 gelieferte Spannungswert stellt eine Rückkopplung zu einem internen Komparator zur Verfügung, welcher die Spannung mit einem aus dem am Anschluß 2 empfangenen pulsbreitenmodulierten Signal abgeleiteten Sollwert vergleicht.
10 zeigt den Schrittmotor-Schaltkreis 1000, welcher den Schrittmotor 44 aktiviert, um das Ventilelement 46 gemäß den vom Mikrokontroller 802 an dessen Anschluß 834 empfangenen Daten in Stellung zu bringen. Der Schrittmotor 44 ist vorzugsweise ein VEXTA Modell, welches durch die Oriental Motor Company verfügbar ist und dazu geeignet ist, eine Umdrehung in 400 "Schritten" zur Verfügung zu stellen und welches außerdem zu Halb-Schritten fähig ist, wenn es erforderlich ist. Wie Fachleute erkennen werden, ist der Motor 44 derart betreibbar, daß er beim Eintreffen des nächsten sequentiellen Spannungs-Schritt-Musters einen Schritt weiter schaltet, welches als Eingabe am Anschluß 834 oberhalb des Ausgabe-Busses 832 zur Verfügung steht. Insbesondere umfaßt der Bus 832 sechs Leitungen, welche Musterdaten für den Antriebs-Chip sind.
Die Schritt-Muster-Daten werden an den Schrittmotor-Antriebs-Chip 1002 (Typ S'GS'L298N) an den Anschlüssen A, B, C bzw. D von den Anschlüssen P1.0–1 .3 des Mikrocontrollers 802 geliefert. Der Antrieb 1002 verschiebt die Eingabe-Daten-Spannung von + 5 V Gleichspannung auf + 12 V Gleichspannung für eine entsprechende Ausgabe an den Anschlüssen 2, 3, 13 und 14, welche mit dem Schrittmotor 44 verbunden sind, um das Schrittmuster bei + 12 V Gleichspannung an diesen anzulegen. Die Anoden der Dioden D7, 8, 9 und 10 sind mit den jeweiligen vier Ausgangs-Leitungen des Antriebs 1002 verbunden und deren Kathoden sind mit + 12 V Gleichspannung für ein Spannungs-Pull-Up verbunden. Entsprechend sind die Kathoden der Dioden D11, 12, 13 und 14 jeweils mit den Ausgangs-Leitungen und die jeweiligen Dioden-Kathoden wie gezeigt mit der Erde für ein Spannungs-Pull-Down verbunden.
Wie in 10 gezeigt ist, ist an den Antriebs Anschluß 9 eine + 5 V Gleichspannung und an den Antriebsanschluß 4 eine + 12 V Gleichspannung angelegt und die Anschlüsse 1, 8 und 15 sind mit der Erde verbunden.
Die 11 bis 14 zeigen Computerprogramm-Flußdiagramme, welche das Betriebsprogramm für den Mikrocontroller 802 darstellen.
11 zeigt den START-Abschnitt der Hauptroutine des Computerprogramms zum Betrieb des Mikrocontrollers 802. Nachdem das logisch niedrige Reset-Signal logisch hoch wird, geht das Programm zu Schritt 1002 über, welcher die Steuerung 20 veranlaßt, die Ablaßventil-Anordnung 16 in ihre "Ausgangs"-Stellung umzustellen. Insbesondere veranlaßt dieser Schritt den Mikrokontroller 802, Daten von Sequenzmuster-Ausgaben über die Leitung 832 und den Anschluß 834 hin zum Schrittmotor-Steuerungs-Schaltkreis 1000 zu erzeugen. Dies stellt den Schrittmotor 44 in eine mittlere Stellung um, in der das Ventilelement 46 die Leitungsenden 32 und 58 etwa zur Hälfte, wie es in 5 gezeigt ist, oder das Leitungsende 32 allein bei dem Einfach-Leitung-Ausführungsbeispiel blockiert. Schritt 1102 initialisiert außerdem die Variablen, die Zählwerke, die Interrupt-Routinen, usw. im Programm.
Das Programm geht dann zu Schritt 1104 über, um die verordneten Druckwerte der Einatmung und der Ausatmung auszulesen, wie es an dem Schalter-Array 814 eingestellt ist und über den Adress-Datenbus 830 ausgelesen ist. Diese Werte werden dann im RAM gespeichert. Der Schritt 1104 veranlaßt außerdem den Mikrokontroller 802, die Betriebsgeschwindigkeit des Gebläsemotors 904 gemäß dem am Schalter 814 eingestellten verordneten Druck einzustellen. Die Gebläse-Geschwindigkeit sollte auf einen Wert eingestellt werden, welcher schnell genug ist, um sicherzustellen, daß der Leitung 12 ein ausreichendes Volumen von Umgebungsluft zugeführt wird, derart, daß das verordnete Druckniveau während einer maximalen Einatmung erreicht werden kann. Die den verordneten Einstellungen entsprechenden Geschwindigkeitsdaten des Gebläsemotors werden vorzugsweise in einer Tabelle gespeichert. Der Schritt 1104 löscht außerdem alle Werte, die in dem internen Zwischenspeicher am Mikrokontroller-Anschluß HS1.0 gespeichert sind.
Das Programm geht dann zu Schritt 1106 über, welcher es ermöglicht, daß die zeitlich eingestellten Interrupts des Programms mit der Zeitmessung beginnen.
In Schritt 1108 setzt das Programm die "Phase" des Software-Bitschalters gleich der Einatmung "E", was das Programm der Einatmungs-Phase des Atmungs-Zyklus des Patienten initialisiert. Dieser Schritt initialisiert außerdem das Gebläse-Prüf-Zählwerk ("Gebl.-Pr.-Zhlw") auf null. Wie weiter unten erörtert wird, liest das Programm die Gebläse-Geschwindigkeit nach 128 Durchgängen über die Hauptschleife aus.
Das Programm geht dann zu Schritt 1110 über, welcher den internen Analog/Digital-Wandler (ADC) aktiviert, welcher mit den Mikrokontroller-Eingabe-Anschlüssen ACHO und ACH1 verbunden ist.
Schritt 1112 stellt den Druck-Sollwert für die Einatmungs-Phase gemäß dem verordneten Einatmungs-Wert ein, der an dem Schalter-Array 814 gemäß den Daten in einer Tabelle eingestellt ist. Dieser Schritt definiert außerdem den Start-Modus der Vorrichtung als andauernden Luftweg-Überdruck ("continuous positive airway pressure", CPAP). Dies bedeutet, wie es weiter unten erörtert wird, daß das Programm die Vorrichtung 10 mit dem Ziel steuert, einen andauernden Überdruck beim Einatmungs-Sollwert-Druck für die ersten acht Atemzüge eines Patienten auszuüben. Der Schritt 1112 initialisiert außerdem das Atemzug-Zählwerk auf null, in Vorbereitung darauf, die Atmungs-Zyklen des Patienten zu zählen.
Nach Beendigung von Schritt 1112 geht das Programm zur HAUPTSCHLEIFE 1200 der Hauptroutine über, wie es in 12 gezeigt ist. Der Schritt 1202 ist der erste Schritt dieser Routine, in welcher das Programm den Durchschnitts-Druck berechnet, wie er von dem Druck-Wandler 701 über acht ADC-Umwandlungen erfaßt wird. Dies bedeutet, daß der Mikrokontroller 802 einen internen "Ring"-Zwischenspeicher umfaßt, welcher die acht am kürzesten zurückliegenden Druck-Auslesungen, die am Mikrokontroller-Anschluß ACHO (und außerdem am ACH1 bei dem Doppel-Leitung-Ausführungsbeispiel) empfangen wurden, speichert. Wie weiter unten erörtert wird, wandelt die ADC-Interrupt-Routine die analogen Eingabe-Werte alle 22 Mikrosekunden in digitale Form um und speichert die am kürzesten zurückliegenden digitalen Werte kontinuierlich in den Ring-Zwischenspeicher. Der Schritt 1202 berechnet den Durchschnittswert, indem der aufsummierte Zwischenspeicher-Wert durch acht geteilt wird. Schritt 1202 berechnet außerdem die Abweichung, d.h. den Fehler, des Durchschnitts-Druckes von dem Druck-Sollwert.
Das Programm geht dann zu Schritt 1204 über, welcher abfragt, ob die Größe des in Schritt 1202 berechneten Fehlers größer ist als der erlaubte maximale Fehler. Dies stellt eine sogenannte "tote Zone" zur Verfügung, um zu verhindern, daß das System "um den Sollwert schwingt" ("hunting").
Wenn die Antwort in Schritt 1204 ja lautet, geht das Programm zu Schritt 1206 über und berechnet die Anzahl der Schritte und die Richtung des Schrittmotors 44, welche notwendig sind, um den Abweichungsfehler des Druckes zu korrigieren. Dies bedeutet, daß die Anzahl der erforderlichen Schritte abhängig von dem von dem Gebläse erzeugten Luftvolumen, dem Fluid-Fassungsvermögen des Systems und dem Leckage-Verlust aus diesem annähernd durch Bezugnahme auf vorangehend in einer Tabelle gespeicherte Daten ermittelt werden kann.
Das Programm geht dann zu Schritt 1208 über, um die in 13 gezeigte und nachstehend weiter erörterte Routine "VENTIL-SCHRITT" auszuführen. Die "VENTIL-SCHRITT"-Routine 1300 liefert sequentiell die Datenmuster, die erforderlich sind, um das Ventil für die erforderliche Anzahl von Schritten in der in Schritt 1206 ermittelten Richtung schrittweise zu bewegen.
Nach der Ausführung der Subroutine 1300 oder nach Schritt 1204 springt das Programm zurück zu Schritt 1210. Dieser Schritt speichert die tatsächlich ausgeführte Anzahl der Ventil-Schritte und die Richtung in einem internen Ventil-Steigungs-Zwischenspeicher, welcher die acht vorangegangenen Bewegungen des Schrittmotors 44 kontinuierlich speichert. Mit dieser Information kann die Steigung der Ventil-Bewegung berechnet werden, indem die Gesamtsumme des Ventil-Steigungs-Zwischenspeichers durch acht geteilt wird. Dies repräsentiert eine Steigung, da die acht Werte in gleichen Zeitabständen gespeichert werden und somit die durch acht geteilte Zwischenspeicher-Gesamtsumme die erste Ableitung des Bewegungs-Werts darstellt.
Beispielhaft und unter Bezugnahme auf 6, besteht nach der Post-Ausatmungs-Pause und nach dem Erreichen des gewünschten Sollwert-Druckes kein signifikanter Fehler des Druckes gegenüber dem Sollwert. Somit ist keine Veränderung der Ventil-Stellung erforderlich und die vorangegangenen acht Ventil-Schritte würden gleich null, was eine Steigung von null anzeigt, was durch den flachen Abschnitt der Ventilstellungs-Kurve in 6 wiedergegeben wird. Im Gegensatz dazu muß die Stellung des Ventils zu Beginn und schnell in Richtung auf die geschlossene Stellung umgestellt werden, um den Druck in der Leitung 32 aufrecht zu erhalten, wenn der Patient beginnt, einzuatmen. Mit einer Anzahl von positiven Schritten, die von dem Schrittmotor 44 ausgeführt wurden, zeigen die in dem Steigungs-Zwischenspeicher gespeicherten Werte eine große positive Steigung an. Umgekehrt, nahe dem Ende der Einatmung, muß das Ventil eine Anzahl von Schritten in negativer Richtung ausführen, um den Druck in der Leitung 42 aufrecht zu erhalten, was eine große negative Steigung anzeigt. Diese Steigungs-Information wird, wie weiter unten erläutert wird, zur Bestimmung verschiedener Punkte im Atmungs-Zyklus eines Patienten verwendet.
Das Programm geht dann zu Schritt 1212 über, welcher abfragt, ob der Phasen-Bitschalter für eine Ausatmung gesetzt ist. Das Programm wurde mit für Einatmung gesetztem Phasen-Bitschalter initialisiert, und so ist die Antwort in 1212 während der ersten paar Durchgänge durch die Hauptschleife 1200 nein und das Programm geht zu Schritt 1214 über, welcher abfragt, ob der Phasen-Bitschalter für eine Einatmung gesetzt ist. Da dieser Bitschalter als Einatmung initialisiert ist, lautet die Antwort in Schritt 1214 ja und das Programm geht zu Schritt 1216 über.
Der Schritt 1216 fragt ab, ob die Variable "Zeit-Zählwerk" größer ist als der Wert der Variable "Einatmungs-End-Zeit" (E.-End-Zt.) und ob die in Schritt 1210 berechnete Steigung kleiner als oder gleich – 5 ist. Die Variable "Zeit-Zählwerk" (Zt.-Zhlw.) ist ein Software-Zähler, welcher auf null initialisiert wurde und alle 13 Millisekunden zunimmt. Die Variable "Einatmungs-End-Zeit" wurde auf einen Standardwert initialisiert, welcher eine Einatmungs-Zeit äquivalent einem vorgegebenen Durchschnittswert repräsentiert. Wie unten weiter erörtert wird, wird die Variable "Einatmungs-End-Zeit" für jeden Atemzyklus neu berechnet, nachdem anfänglich acht durch die Hauptschleife 1200 laufen. Schritt 1216 arbeitet, um zu ermitteln, ob eine ausreichende Zeitspanne dafür abgelaufen ist, daß eine normale Einatmung vollendet wurde, wie es zusätzlich dadurch bestätigt ist, daß die Ventil-Steigung niedriger als – 5 ist, wie es durch die Steigung der Ventilstellungs-Kurve am Ende der Einatmung in 6 gezeigt ist.
Während die ersten paar durch die Hauptschleife 1200 hindurchlaufen, ist die Antwort in Schritt 1216 nein und das Programm geht zu Schritt 1218 über, welcher abfragt, ob das Gebläse-Prüf-Zählwerk, welches auf null initialisiert wurde, gleich 128 ist. Bis dahin lautet die Antwort in Schritt 1218 nein und das Programm geht zu Schritt 1220 über, um das Gebläse Prüf-Zählwerk zu erhöhen. Das Programm springt dann zurück zu Schritt 1202 und wiederholt die Ausführung der Schritte 1202 bis 1220, bis die Antwort in Schritt 1218 ja lautet, woraufhin das Programm zu Schritt 1222 übergeht, um die in 15 gezeigte Subroutine "PRÜFE-GEBLÄSE-GESCHWINDIGKEIT" 1200 auszuführen. Wie unten stehend weiter erörtert wird, überwacht dieser Schritt die Gebläse-Geschwindigkeit, um sicherzustellen, daß dieser mit einer Sollwert-Geschwindigkeit läuft, die anfänglich in Schritt 1104 gemäß der verordneten Einstellungen eingestellt wurde. Das Programm springt daraufhin zu Schritt 1224 zurück, um das Gebläse-Prüf-Zählwerk auf null zurückzusetzen.
Nachdem eine ausreichende Zeit vergangen ist, um die für den Endzeitpunkt der Einatmung gesetzte Standard-Zeit zu überschreiten, und wenn die Steigung der Ventilstellungs-Kurve gleich oder geringer als –5 ist, was das Ende der Einatmung des Patienten anzeigt, lautet die Antwort in Schritt 1216 ja und das Programm geht zu Schritt 1226 über, welcher abfragt, ob der Betriebsmodus auf Nasenatmungs-Luftdruck ("inspiratory nasal air pressure", INAP) eingestellt ist. Dies wurde im CPAP-Modus in Schritt 1112 initialisiert. Während der ersten acht Atmungszyklen lautet die Antwort in Schritt 1226 nein und das Programm geht zu Schritt 1228 über, welcher abfragt, ob das Atemzählwerk niedriger als oder gleich acht ist. Das Atemzählwerk wurde auf null initialisiert und während des ersten Durchlaufs des Programms lautet die Antwort in Schritt 1220 ja und das Programm geht zu Schritt 1230 über, um das Atemzählwerk zu erhöhen.
Das Programm geht dann zu Schritt 1232 über, welcher die Variable "Zyklus-Zeit" (Zkl.-Zt.) gleich dem aktuell in dem Zeit-Zählwerk vorliegenden Wert setzt. Zu diesem Schritt wird am Ende jeder Einatmungs-Phase gegangen und er markiert das Ende eines Atemzyklus und den Beginn eines weiteren. Somit ist die Zeitdauer eines Atemzyklus, d. h. die Zyklus-Zeit, gleich dem Zeitwert, welcher in dem Zeit-Zählwerk vorliegt, welches am Ende von jedem Atemzyklus und außerdem in Schritt 1232 auf null zurück-gesetzt wird.
Schritt 1232 setzt außerdem eine neue Einatmungs-Intervall-Zeit gleich der neuen Zyklus-Zeit geteilt durch drei. Statistisch beträgt die Einatmungs-Zeit durchschnittlich etwa 40 % eines typischen Atmungs-Zyklus. Schritt 1232 setzt jedoch das Einatmungs-Intervall auf 33 % der am kürzesten zurückliegenden Zyklus-Zeit, um sicherzustellen, daß dieser Wert in Schritt 1216 frühzeitig die Zeit registriert, d. h. vor dem Ende der erwarteten tatsächlichen Einatmungs-Zeit.
Schritt 1232 setzt außerdem die Variable "Einatmungs-Start-Zeit" ("E.-Start-Zt.") gleich der neuen Zyklus-Zeit geteilt durch zwei. Mit dem Beginn eines als Ende einer Einatmungs-Phase gekennzeichneten Zyklus würde normalerweise erwartet, daß die nächste Einatmung-Start-Zeit nach 60 der vergangenen Zyklus-Zeit eintritt. Der Schritt 1232 setzt jedoch die Einatmungs-Start-Zeit auf 50 %, dies ist frühzeitiger als die vorausgesehene Einatmungs-Zeit, um sicherzustellen, daß ein Nasen-Druck erhöht wird, bevor eine Einatmung erwartungsgemäß beginnen würde.
Nachdem die Hauptschleife 1200 acht Atemzyklen registriert hat, wie es in dem Atmungs-Zählwerk angezeigt wird, lautet die Antwort in Schritt 1228 nein und das Programm geht zu Schritt 1234 über, welcher den Betriebsmodus auf INAP setzt. Die Acht-Zyklus-Verzögerung in der Einstellung des INAP-Modus stellt zuverlässige Daten bei der Verfolgung des Atemzyklus sicher.
Mit nun auf INAP gesetztem Modus lautet die Antwort während des nächsten Durchgangs im Schritt 1226 ja und das Programm geht zu Schritt 1236 über, um den Druck-Sollwert gleich der Ausatmungs-Verordnung zu setzen. Dies bedeutet, eine Einatmungs-Phase wurde wie in Schritt 1216 ermittelt beendet, acht Atemzüge wurden wie in Schritt 1228 ermittelt verfolgt und der Modus wurde auf INAP gesetzt, was eine Verringerung des Druckes während der Ausatmung ermöglicht. Bei Erfüllung dieser Bedingungen wird der kontrollierte Druck-Sollwert auf den verordneten Ausatmungs-Verordnungs-Sollwert verringert.
Normalerweise würde der Ausatmungs-Druck als null verordnet, was Umgebung bedeutet, so daß der Patient normal ausatmen kann. Unter manchen Umständen kann der Arzt jedoch einen leichten Überdruck während der Ausatmung wünschen, welcher an den unteren vier Schaltern des Schalter-Arrays 814 (8) eingestellt wird.
Schritt 1236 setzt außerdem den Phasen-Bitschalter auf Ausatmung.
Während des nächsten Durchgangs durch die Hauptschleife 1200 lautet die Antwort im Schritt 1212 ja, d. h., die Phase ist "Ausatmung" und das Programm geht über zu Schritt 1238, welcher abfragt, ob der aktuelle Wert im Zeit-Zählwerk größer oder gleich der Einatmungs-Startzeit ist, wie sie vorangehend in Schritt 1232 gesetzt wurde. Alternativ fragt Schritt 1238 ab, ob die Ventilstellungs-Steigung größer als sieben ist, was unabhängig das Ende der Ausatmung anzeigt. Bezogen auf 6, am Ende der Ausatmung, muß das Ventil schnell in positiver Richtung schalten, um das Ablaßende 32 zur Aufrechterhaltung des Sollwert-Druckes zu verschließen. Die rasche Änderung zeigt eine positive Steigung größer als 70 an.
Wenn die Antwort in Schritt 1238 nein lautet, fährt das Programm damit fort, in einer Schleife durchzulaufen, bis die Antwort ja lautet, wobei das Programm zu diesem Zeitpunkt zu Schritt 1240 übergeht, um den Phasen-Bitschalter auf Einatmung zu setzen, den Druck Sollwert auf den Einatmungs-Verordnungs-Wert zu setzen und den Wert der Variable "Einatmungs-End-Zeit" gleich dem aktuell vorliegenden Zeit-Zählwerk plus der Einatmungs-Intervallzeit zu setzen. Der vorliegende Wert des Zeit-Zählwerks entspricht derjenigen Zeit, welche seit dem Beginn des aktuellen Atemzyklus vergangen ist, welcher das Ende der vorangegangenen Einatmungs-Phase kennzeichnet. Die Einatmungs-Phase, deren Beginn ansteht, sollte an oder nach dem aktuellen Zeitzählwerk-Wert plus der Einatmungs-Intervallzeit enden. Somit stellt Schritt 1240 einen neuen Wert der Einatmungs-Intervallzeit zur Verwendung in Schritt 1216 zur Verfügung. Normalerweise wird dieser Wert vor dem Ende der tatsächlichen Einatmung erreicht und verwendet, um sicherzustellen, daß ein Schwingungs-Steigungs-Auslesen nicht fälschlicherweise das Ende der Einatmungs-Phase markiert. Somit ist die Bedingung in Schritt 1216 sowohl für den Ausatmungs- als auch für den Einatmungs-Zeitpunkt eine Steigung geringer als oder gleich –5.
Wie Fachleute erkennen werden, stellt Schritt 1238 in Zusammenarbeit mit dem Abgleichen des Betriebsprogramms sicher, daß der Einatmungs-Sollwert-Druck vor dem Einsetzen der Einatmung eines Patienten zunimmt. Zunächst kann das Ende einer Ausatmung erfaßt werden, indem überwacht wird, ob die Ventilstellungs-Steigung sieben übersteigt. Die Kennzeichnung des Endes einer Ausatmungs-Phase stellt sicher, daß dies ein Punkt im Atemzyklus ist, der vor dem Beginn der nächsten Einatmungs-Phase liegt. Zusätzlich wird eine Zunahme des Druckes vor der Einatmung sichergestellt, indem überwacht wird, ob das Zeit-Zählwerk größer als oder gleich der vorhergesagten Einatmungs-Start-Zeit in Schritt 1238 ist. Somit, wenn eine gelegentliche oder fehlerhafte Steigungs-Auslesung ermittelt würde, wäre eine Erhöhung des Nasen-Drucks dennoch vor der Einatmung sichergestellt, wenn das Zeit-Zählwerk die vorhergesagte Einatmungs-Start-Zeit überstiege, wobei daran erinnert sei, daß die Einatmungs-Start-Zeit in Schritt 1232 auf etwas kürzer gesetzt wurde als die erwartete Start-Zeit.
13 zeigt die VENTIL-SCHRITT-Subroutine 1300, welche arbeitet, um sequentiell das erforderliche Schritt-Muster mittels des Schrittmotor-Schaltkreises 1000 an den Schritt-Motor 44 anzulegen. Die Subroutine 1300 beginnt mit Schritt 1302, indem sie die Variable "Ventil-Endstellung" gleich der aktuellen Ventilstellung plus (oder minus) der erforderlichen Ventil-Korrektur, wie sie in Schritt 1206 (12) ermittelt wurde, setzt. Schritt 1302 setzt außerdem die Variable "Ventilstellung" gleich der aktuellen Ventilstellung.
Das Programm geht dann zu Schritt 1304 über, welcher abfragt, ob die Korrekturrichtung größer als null ist, d.h. in einer positiven Richtung, um das Ablaßende 32 zu verschließen, oder in der entgegengesetzten Richtung verläuft. Wenn die Antwort in Schritt 1304 ja lautet, geht das Programm zu Schritt 1306 über, welcher abfragt, ob die in Schritt 1302 ermittelte Endstellung Schritt 160 überschreitet. Dies bedeutet, daß der Schritt ermittelt, ob die erforderliche oder gewünschte Endstellung des Ventils über die maximal erlaubte Stellung hinausgeht. Falls ja, geht das Programm zu Schritt 1308 über, welcher die Ventil-Endstellung gleich 160 setzt.
Wenn die Antwort in Schritt 1306 nein lautet, oder nach Schritt 1308, geht das Programm zu Schritt 1310 über, um die Variable "Ventilstellung" gleich der "Ventilstellung" plus 1 zu setzen. In anderen Worten erhöht das Programm den Schrittmotor 44 zu einem Zeitpunkt um einen Schritt, bis die Endstellung erreicht ist.
Das Programm geht dann zu Schritt 1312 über, welcher abfragt, ob die neue Ventilstellung kleiner als oder gleich der in Schritt 1302 ermittelten Ventil-Endstellung ist. Falls nein, was anzeigt, daß die gewünschte Ventil-Endstellung erreicht wurde, springt das Programm zum Hauptschleifen-Schritt 1210 zurück.
Wenn die Antwort in Schritt 1312 ja lautet, was anzeigt, daß die Ventil-Endstellung noch nicht erreicht wurde, geht das Programm zu Schritt 1314 über, welcher das Schritt-Muster für den nächsten Gebläsemotor-Schritt aus dem Speicher abruft. Das Programm aktiviert dann die Leitungen des Busses 832, um dieses Schritt-Muster an den Schrittmotor-Schaltkreis 1000 und dadurch an den Schrittmotor 44 zu senden.
Das Programm springt dann zurück zu Schritt 1310, um die Ausführung eines Schrittmusters zu einem Zeitpunkt sequentiell fortzuführen, bis die Endstellung erreicht ist.
Wenn die zur Korrektur benötigte Drehrichtung wie in Schritt 1304 ermittelt negativ ist, geht das Programm wie gezeigt zu den Schritten 1316 bis 1324 über, um die erforderliche Anzahl von Schritt-Mustern auszuführen, so daß das Ventil in "negativer" Richtung zur Verringerung des Druckes durch Ablassen von mehr Luft umgestellt wird. Schritt 1316 fragt ab, ob die in Schritt 1302 ermittelte Endstellung kleiner als null ist, was eine Ventilstellung jenseits der erlaubbaren Bewegungsgrenzen anzeigt. Falls ja, setzt das Programm die Endstellung in Schritt 1318 gleich null.
Schritt 1320 verringert dann die "Ventilstellung"-Variable und Schritt 1322 fragt ab, ob die neu ermittelte "Ventilstellung" größer als oder gleich der gewünschten Endstellung ist. Falls ja, geht das Programm zu Schritt 1324 über und springt dann zurück zu Schritt 1322. Wenn die Antwort in Schritt 1322 nein lautet, kehrt das Programm zum Hauptschleifen-Schritt 1210 zurück.
14 zeigt die ADC-Interrupt-Subroutine 1400, welche ihren Interrupt alle X Mikrosekunden ausgeführt hat, um eine Analog/Digital-Umwandlung für die von dem Druck-Umwandlungs-Schaltkreis 700 empfangenen Druck-Daten zur Verfügung zu stellen und um diese Daten im Speicher abzulegen. Die Subroutine 1400 beginnt mit Schritt 1402, welcher die aktuellen Daten aus dem ADC-Register abruft, welches intern im Mikrocontroller 802 angeordnet ist. Diese Daten werden dann in dem Abc-Zwischenspeicher zur Verwendung im Schritt 1202 (12) der Hauptschleife gespeichert. Diese Daten werden am Speicherplatz "L" ("location") gespeichert, welcher einer der acht Zwischenspeicherplätze ist. Das Programm geht dann zu Schritt 1404 über, um die Platzvariable "L" derart zu erhöhen, daß der nächste Satz von ADC-Daten in dem nächsten Zwischenspeicherplatz abgelegt wird. Das Programm geht dann zu Schritt 1406 über, welcher abfragt, ob "L" gleich acht ist, was größer ist als die Anzahl der in dem Abc-Zwischenspeicher vorgesehenen Plätze. Falls ja, setzt das Programm "L" auf Speicherplatz null zurück, welcher der erste Speicherplatz in dem Zwischenspeicher ist. Nach Schritt 1408, oder falls die Antwort in Schritt 1406 nein lautet, geht das Programm zu Schritt 1410 über, welcher den ADC anweist, eine weitere Datenumwandlung zu beginnen. Das Programm kehrt dann von dem Interrupt zu der Hauptschleife zurück.
15 zeigt die PRÜFE-GEBLÄSE-GESCHWINDIGKEIT-Subroutine 1500, in die von Schritt 1222 der Hauptschleife 1200 eingetreten wird und welche mit Schritt 1502 beginnt, der die aktuelle Gebläse-Geschwindigkeit ausliest, wie sie an dem Mikrokontroller-Anschluß HS1.0 des Nall-Effekt-Wandlers im Gebläsemotor 94 empfangen wird. Das Programm geht dann zu Schritt 1504 über, welcher den Gebläse-Geschwindigkeits-Sollwert entsprechend dem verordneten Einatmungs-Druck abruft und den Sollwert mit der erfassten geringeren Geschwindigkeit vergleicht. Das Programm geht dann zu Schritt 1506 über, welcher abfragt, ob die Gebläse-Geschwindigkeit innerhalb eines maximalen Fehlerbereichs der Sollwert-Geschwindigkeit liegt. Falls nein, stellt das Programm in Schritt 1508 die Pulsbreite des am Mikrokontroller-Anschluß PWM erzeugten pulsbreitenmodulierten Signals ein und überträgt es zu dem Gebläsemotor-Schaltkreis 900. Nach Schritt 1508, oder wenn die Antwort in Schritt 1506 ja lautet, kehrt das Programm zur Hauptschleife zurück.
Gemäß der beanspruchten Erfindung empfängt ein Geräusch-Analyse-Schaltkreis eine Eingabe von einem Druck-Sensor-Schaltkreis mittels eines Anschlusses, welcher Ausgaben an einen Mikrokontroller liefert. Wie Fachleuten bewußt sein wird, sind Geräusche Druckveränderungen und als solches ist der bevorzugte Drucksensor-Schaltkreis außerdem zur Erfassung von Druckveränderungen, welche für Luftweg-Geräusche repräsentativ sind, und zur Umwandlung dieser Veränderungen in repräsentative Signale an dem Anschluß betreibbar.
Die Signale von einem Drucksensor-Schaltkreis werden einem Vorverstärker zugeführt, welcher den Signalpegel zum Zuführen zu einem ersten Tiefpaßfilter, einem ersten Bandpaßfilter, einem zweiten Bandpaßfilter und einem Hochpaßfilter verstärkt. Der erste Tiefpaßfilter ist vorgesehen, um einen Ausgabe-"DC" für den Mikrokontroller zur Verfügung zu stellen, welcher Niedrigfrequenz (Subaudio)-Druckveränderungen und einen Nasendruck anzeigt.
Der erste und der zweite Bandpaßfilter und der Hochpaßfilter spalten das Audiofrequenz-Spektrum in drei Komponenten: 10–200 Hz, 200–800 Hz bzw. 800+ Hz. Die Ausgaben des ersten und des zweiten Bandpaßfilters und des Hochpaßfilters laufen durch jeweils einen ersten, zweiten und dritten Gleichrichter, welche wiederum gleichgerichtete Ausgaben an einen zweiten, dritten und vierten Tiefpaßfilter bereitstellen. Der zweite, der dritte und der vierte Tiefpaßfilter wandeln die jeweils gleichgerichteten Eingaben in äquivalente Gleichstrom-Spannungsausgaben "Niedrig" ("LOW"), "Mittel" ("MED") und "Hoch" ("HI") um, welche die jeweiligen Audio-Spektralkomponenten repräsentieren. Diese drei Ausgaben zusammen mit dem Ausgabe-'DC" werden als Eingaben für den Mikrokontroller zur Verfügung gestellt, welcher eine interne Analog/Digital-Umwandlung verwendet, um digitale Daten zu erzeugen, die für die drei Spektrum-Komponenten repräsentativ sind.
Eine GERÄUSCHANALYSE-Subroutine ist vorteilhaft als Teil des Programms zum Betreiben des Mikrocontrollers im Zusammenhang mit dem Druck-Veränderungs-Aspekt der Erfindung. Die Subroutine beginnt mit einem ersten Schritt, welcher eine Analog/Digital-Umwandlung der analogen Eingaben "DC", "LOW", "MED" und "HI" initiiert, die von dem Geräusch-Analyse-Schaltkreis empfangen wurden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der erste Schritt für jede Ausatmung mehrere Male ausgeführt (beispielsweise zehn Mal) und werden die Umwandlungs-Werte gemittelt. Die Mittelwerte der digitalen Darstellung von DC, LOW, MED und HI werden dann für den dritten, vierten und fünften Schritt verwendet, wie unten weiter erläutert wird.
Das Programm geht dann zu einem zweiten Schritt über, welcher die Software-Variable "Alter Zustand" (AZ) gleich der Variablen "Neuer Zustand" (NZ) setzt, die in den vorherigen Durchgängen durch das Programm ermittelt wurde. Dieser Schritt setzt dann die Variable NZ gleich null.
Beim dritten Schritt fragt das Programm ab, ob der Eingabe-'DC" größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Dieser Schwellenwert ist auf einen Pegel gesetzt, welcher dazu geeignet ist, anzuzeigen, daß detektierbare Luftweg-Geräusche entstehen. Wenn die Antwort nein lautet, kehrt das Programm zu der Hauptschleife zurück. Falls ja, geht das Programm zu dem vierten Schritt über, welcher zusammen mit darauffolgenden Schritten eine Spektralanalyse der Luftweg-Geräusche, wie sie durch den Geräusch-Analyse-Schaltkreis ermittelt wurden, durchführt. Insbesondere fragt der vierte Schritt ab, ob die Eingabe LOW einem vorgegebenen Schwellenwert entspricht. Falls ja, geht das Programm zu einem fünften Schritt über, welcher die Variable NZ um 1 erhöht.
Wenn die Antwort im vierten Schritt nein lautet, oder nach dem fünften Schritt, geht das Programm zu einem sechsten Schritt über, welcher abfragt, ob die Eingabe MED über ihrem zugehörigen Schwellenwert liegt. Falls ja, geht das Programm zu einem siebten Schritt über, welcher die Variable NZ um 2 erhöht.
Wenn die Antwort im sechsten Schritt nein lautet, oder nach dem siebenten Schritt, geht das Programm zu einem achten Schritt über, welcher abfragt, ob die Eingabe HI größer ist als ihr vorgegebener Schwellenwert. Falls ja, erhöht ein neunter Schritt die Variable NZ um 4.
Wenn die Antwort im achten Schritt nein lautet, oder nach dem neunten Schritt, geht das Programm zu einem zehnten Schritt über. Der zehnte Schritt berechnet die Variable "Übergang" ("transition") T als Funktion der Variablen AZ und NZ. Die Variable T stellt eine spektrale Quantifikation der Luftweg-Geräusche zur Verwendung bei der Ermittlung dessen bereit, welche Maßnahme, wenn überhaupt, betreffend der Erhöhung oder der Verringerung des auf die Atemwege des Patienten aus geübten Gasdruckes getroffen werden sollte. Diese Ermittlung geschieht in einem elften Schritt unter Verwendung einer sog. "Maßnahmen-Tabelle", welche eine im Speicher abgelegte Tabelle ist, welche die Variable T als Hinweis verwendet. Die bevorzugte Maßnahmen-Tabelle ist als Teil der Offenbarung hiervon als hierzu beigefügter Appendix I aufgenommen.
Nach der Ermittlung der richtigen Maßnahme, welche die Erhöhung, die Verringerung oder die Aufrechterhaltung des Druckes anhand der Maßnahmen-Tabelle um faßt, geht das Programm zu einem zwölften Schritt über, welcher diese Maßnahme ausführt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel belaufen sich Maßnahmen-festgelegte Druckveränderungen auf Inkremente von 1,0 cm Wasserdruck.
Wenn die im elften Schritt ermittelte Maßnahme "keine" ist, was anzeigt, daß keine Schnarchgeräusche entstehen, ist es in dem zwölften Schritt bevorzugt, daß der auf den Patienten ausgeübte Druck um 0,5 cm Wasser verringert wird. Auf diese Weise stellt das Programm sicher, daß der Druck nicht bei einem Pegel aufrecht erhalten wird, der größer als der notwendige ist. Beispielsweise kann es sein, daß der Druck etwas mehr als notwendig erhöht wurde, wenn die detektierten Luftwege-Geräusche eine Erhöhung des Druckes veranlassen und die Geräusche daraufhin verschwinden. Demgemäß wird das Programm den Druck automatisch über einen Zeitraum in kleinen Inkrementen verringern, bis Luftweg-Geräusche wieder detektiert werden.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel überwacht Luftweg-Geräusche bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Es ist jedoch ersichtlich, daß der Druck-Umwandlungs-Schaltkreis auf viele Arten von Druckveränderungen anspricht, die sich von denjenigen unterscheiden, die mit Luftweg-Geräuschen verknüpft sind. Beispielsweise könnte der Druck-Umwandlungs-Schaltkreis verwendet werden, um nicht hörbare Vibrationen oder Druckveränderungen zu detektieren, die mit einer Ausatmung und einer Einatmung verknüpft sind. Mit dieser Fähigkeit kann mehr Information über die Atmung eines Patienten gewonnen werden, wie diejenige, ob die Atmung des Patienten rhythmisch, unregelmäßig oder apnoisch ist, ebenso wie die Atemrate, die Einatmungs- und Ausatmungs-Dauer und Strömungsraten. Daher kann die Atmung eines Patienten mit dieser Fähigkeit angemessen charakterisiert und können Aspekte der Atmung quantifiziert werden.
Darüber hinaus kann diese Information in einem Speicher zum anschließenden Herunterladen zur Verwendung durch einen Arzt gespeichert werden, beispielsweise bei der Diagnose von Atembeschwerden und der Wirksamkeit einer Behandlung. Auf diese Weise werden Kosten und Zeitbedarf in Schlaf-Labor-Einrichtungen vermieden oder wenigstens minimiert. Zusätzlich erhöht sich der Komfort des Patienten, da lediglich der minimal erforderliche Druck sowohl während des Schlafes als auch bevor der Patient einschläft ausgeübt wird. Bei erhöhtem Komfort ist der Patient eher gewillt, die verordnete Behandlung auf einer erträglichen Basis anzuwenden und dadurch den maximalen Erfolg durch diese zu erhalten.
Wie oben erörtert wurde, ist das Nasenpolster das bevorzugte Mittel zur Verbindung des Patienten, um den höheren Druck des atembaren Gases auf die Atemwege des Patienten auszuüben. Die vorliegende Erfindung kann mit einer Nasenmaske oder einer Voll-Gesichtsmaske ausgebildet sein, was in bestimmten Situationen wünschenswert sein kann, wie bei der Anwendung von Narkosemitteln als atembares Gas, wie es oben erörtert ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Stellung der Ablaßventil-Anordnung verändert, um den auf die Atemwege des Patienten ausgeübten Druck von atembarem Gas zu erhöhen oder zu verringern. Wie die ausführliche Beschreibung offenbart, weist die Vorrichtung hierin jedoch die Fähigkeit auf, die Geschwindigkeit der Gebläse-Einheit zu verändern, was verwendet werden könnte, anstatt den angelegten Druck selektiv einzustellen. Dies würde das Erfordernis des Ablaßventils und des Schrittmotors beseitigen und die Herstellungskosten verringern, was als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung vorteilhaft wäre.
Das atembare Gas kann beispielsweise komprimiert und in einer Speicherflasche aufbewahrt sein.
Wie oben beschrieben, umfaßt die bevorzugte Steuerung den Mikrokontroller 802, welcher mittels eines Computerprogramms betrieben wird. Andere äquivalente Steuermittel können einen anwendungsspezifischen Chip umfassen, wobei alle Funktionen in die Hardware ohne ein Computerprogramm eingebracht sind.
Wie in der 6 hierin und in der beigefügten erläuternden Beschreibung offenbart ist, wird es bevorzugt, den Atmungs-Zyklus des Patienten durch Verfolgen der Bewegung der Ablaßventil-Anordnung 16 zu verfolgen. Fachleute werden erkennen, daß der Atem-Zyklus durch andere Mittel verfolgt werden kann, wie durch eine Überwachung der Kontraktion und Expansion des Brustkorbs, von Atemgeräuschen, durch direkte Erfassung der Aktivität des Genioglossus-Muskels oder anderer äquivalenter Parameter, welche einen Atmungs-Zyklus wiedergeben.
Als letztes Beispiel können manche Therapeuten bevorzugen, daß die Vorrichtung mit einem geringen Druck- oder einem Null-Druck-Modus beginnt, während der Atem-Zyklus anfänglich verfolgt wird. Dies kann mehr Komfort für den Patienten bei der Verwendung der Erfindung bedeuten
ANHANG I MAßNAHMEN-TABELLE Geräusche-Zustands-Übergangs-Matrix

Claims

Vorrichtung zur Erleichterung der Atmung (10), welche zur Verbindung mit einer an einen Patienten angeschlossenen Gas-Zufuhreinrichtung (14) eingerichtet ist und Mittel zur kontrollierten Überdruckbeaufschlagung wenigstens eines Abschnittes der Atmungswege eines Patienten mit einem atembaren Gas aus einer Quelle hierfür aufweist, wobei die Vorrichtung umfaßt: a) Mittel zur Erfassung von mit der Atmung verbundenen Geräuschen des Patienten, wobei die Mittel Spektrumsignale erzeugen können, die für ein Spektrum von Frequenzen repräsentativ sind, welche in ihrer Summe die erfassten Geräusche bilden, und b) Steuerungsmittel, welche Mittel zum betriebsmäßigen Verbinden mit der Gas-Zufuhreinrichtung in Abhängigkeit von den von den Geräusch-Erfassungsmitteln empfangenen Spektrumsignalen umfassen, um den Gasdruck, welcher wenigstens einem Abschnitt der Atmungswege des Patienten zugeführt wird, gemäß den durch die Erfassungsmittel erfassten Geräusche einzustellen, wobei die Steuerungsmittel umfassen: i) Mittel zur Spektralanalyse, um eine spektrale Frequenzanalyse der Spektrumsignale zu erzeugen, ii) Speichermittel, um Daten abzuspeichern, welche für eine Vielzahl von Steuerungsvorgängen, die vorgegebenen Spektrumsignalen entsprechen, repräsentativ sind, und iii) Prozessormittel, welche auf die Spektralanalyse ansprechen, um Steuerungsvorgänge aus den Speichermitteln gemäß den Spektrumsignalen auszuwählen und um den Gasdruck gemäß den ausgewählten Steuerungsvorgängen einzustellen, damit das Auftreten eines Apnoe-Ereignisses verhindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Geräusch-Erfassungsmittel einen Druck-Meßwandler (700) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Geräusch-Erfassungsmittel ein Mikrofon umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Steuerungsmittel einen Mikroprozessor umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem die Geräusch-Erfassungsmittel fähig sind, Schnarchgeräusche von dem Patienten zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Steuerungsmittel den Gasdruck wiederholt erhöhen können, bis die Schnarchgeräusche nicht mehr festgestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Steuerungsmittel den Gasdruck beim Fehlen von Schnarchgeräuschen verringern können.