DE69214730T2

DE69214730T2 - Gerät zur Überwachung der Aktivität des Atemmuskels

Info

Publication number: DE69214730T2
Application number: DE69214730T
Authority: DE
Inventors: Yoshitsugu Yamada
Original assignee: Nihon Kohden Corp
Current assignee: Nihon Kohden Corp
Priority date: 1991-07-05
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-07-04
Also published as: JPH0515516A; DE69214730D1; EP0521515B1; EP0521515A1; US5316009A; JP2582010B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen der Aktivität der Atemmuskeln eines Patienten, dessen Atmung teilweise von einem Lungenventilations- bzw. -beatmungsgerät unterstützt wird, das mit Atemmuskein des Patienten zusammenwirkt.

BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

In einem Fall, in dem ein Lungenbeatmungsgerät verwendet wird, und zwar speziell in einem druckgestützten Beatmungsmodus bzw. PSV-Modus, müssen bei einem Patienten, der imstande ist, spontan zu atmen, der PS-Pegel und die von dem Lungenbeatmungsgerät zugeführte Luftmenge in geeigneter Weise auf den Zustand des Patienten eingestellt werden, um einerseits die Spontanatmung zu fördern und gleichzeitig im wesentlichen zu verhindern, daß die Atemmuskeln des Patienten ermüden. Gewöhnlich werden die Betriebsbedingungen eines Lungenbeatmungsgeräts in Abhängigkeit von den überwachten physischen Bedingungen des Patienten, wie etwa den Blutgasen, der Atmungsrate und dem Beatmungsvolumen bestimmt.
Ein Dokument "Mathematical Model of Pressure Support Ventilation - an Explication of Mechanical Interaction between a Lung Ventilator and Respiratory Muscles", das von den Erfindem bei dem 38th Annual Meeting of Japan Society of Anesthesiology, 28. März 1991, vorgelegt wurde, schlägt vor, daß die Arbeit von Atemmuskeln erhalten werden kann durch Annahme eines Ersatzschaltbilds des Atmungssystems, das mit einem Lungenbeatmungsgerät verbunden ist, wie es in Fig. 7 gezeigt wird. In der Figur ist E ein Druck der zugeführten Luft, e ist eine Spontanatmungsquelle einer Lunge, Paw ist ein Luftdruck an der Luftwegmündung, R1 ist ein Luftdurchflußwiderstand der Lunge, und E1 ist die Elastance (ein Kehrwert der Compliance oder der Dehnbarkeit C) der Lunge. Ein Druck Ppl im Inneren eines Brustraums wird mit Hilfe eines Ballonkatheters gemessen, der in die Speiseröhre des Patienten eingeführt ist. Eine Luftdurchflußrate dV/dt wird von einem Durchflußratensensor gemessen, der in einem Luftkanal des Lungenbeatmungsgeräts, das mit dem Atemsystem verbunden ist, installiert ist. Die Arbeit W des Patienten wird berechnet durch Integration des berechneten Werts mittels Multiplikation des Drucks und der Durchflußrate, wie folgt:
W = -Ppl dV/dt dt.
Ein solches Verfahren zum Erhalten der Arbeit führt jedoch zu einigen Problemen. Die Methode ist invasiv. Die Meßgenauigkeit ist nicht befriedigend, weil die von den Atemmuskeln geleistete Arbeit zum Treiben des Thorax bei dem Verfahren nicht berücksichtigt wird. Ferner kann die Zufuhr von Luft für die Lungenbeatmung manchmal für den Beginn der Inspiration, die von den Atemmuskeln durchgeführt wird, zu spät sein, und in diesem Fall ist die von den Atemmuskeln geleistete Arbeit verschwendet. Es ist bisher kein Verfahren entwickelt worden, um den Zeitraum der Inspirations-Aktivität der Atemmuskeln zu überwachen, um so die Luftzufuhr durch das Lungenbeatmungsgerät genau dann auszulösen, wenn ein PS- Pegel ausgebildet wird.
stimmen von wenigstens zwei Parametern des Atmungssystems eines Patienten. Bei dieser Vorrichtung sind die Ausgänge eines Drucksensors, eines Durchflußsensors und einer Volumenbestimmungseinrichtung, die das Volumen durch Integration der Durchflußrate in bezug auf die Zeit bestimmen kann, mit einer Überwachungseinheit verbunden, die ihrerseits mit einer Recheneinheit und fakultativ mit einer Speichereinheit verbunden ist. Während jedes Atmungszyklus liefert die Überwachungseinheit an die Recheneinheit wenigstens zwei Gruppen von Meßwerten des Drucks, der Durchflußrate und des Volumens, aus denen die Recheneinheit dann die erforderlichen Parameter des Atmungssystems berechnet. Diese Parameter könnten beispielsweise eine lineare Komponente des Luftwegwiderstands, eine quadratische Komponente des Luftwegwiderstands, eine Compliance der Lungen und ein Alveolar-Restdruck sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, um die Atemmuskel-Aktivität zu überwachen und speziell auf eine nichtinvasive Weise den Zeitpunkt des Atemmuskeldrucks und des Luftwegöffnungsdrucks während der Luftzuführung durch ein Lungenventilations- bzw. -beatmungsgerät zu überwachen, wobei die Vorrichtung auf einem präziseren Ersatzschaltbild basiert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben zum Überwachen der Atemmuskel-Aktivität und speziell zum nichtinvasiven und hochpräzisen Messen von Arbeit, die von den Atemmuskeln eines an ein Lungenventilationsgerät angeschlossenen Patienten geleistet wird, und zwar einschließlich der Arbeit, die von den Atemmuskeln für den Thorax geleistet wird, unter der Voraussetzung einer präzisen Ersatzschaltung für das Atmungssystem, weil sich bestätigt hat, daß die Nichtbeachtung dieser Arbeit für den Thorax zu einem sehr großen Fehler führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind daher ein von den Atemmuskeln entwickelter Druck Pmus und eine von den Atemmuskeln geleistete Arbeit Wmus wie nachstehend angegeben definiert, und zwar auf der Basis eines in Fig. 2 gezeigten Ersatzschaltbilds. Dieses Schaltbild umfaßt einen Luftdurchflußwiderstand Rw des Thorax und eine Elastance Ew des Thorax sowie die Komponenten des herkömmlichen, in Fig. 7 gezeigten Ersatzschaltbilds:
Wmus = Pmus(dV/dt)dt (1).
Unter Anwendung eines Widerstands des Atmungssystems Rrs = Rl + Rw, einer Elastance des Atmungssystems 1/Crs = Ers = E1 + Ew und einer Lungenvolumen-Änderung ΔS wird ein Druck bei der Elastance des Atmungssystems erhalten als ΔS/Crs = ErsΔS. Pmus ist daher:
Pmus = -Paw + Rrs(dV/dt) + ErsΔS
= -Paw + Rrs(dV/dt) + Ers (dV/dt)dt (2).
Dadurch wird Pmus, das sich mit der Kontraktion der Atemmuskeln ändert, kontinuierlich detektiert, und Wmus wird erhalten als Wmus = (+ Paw + Rrs(dV/dt) + ErsΔS)dt dV/dt (3).
Dieser Ausdruck kann wie folgt geschrieben werden: Wmus = - Paw(dV/dt)dt + Rrs (dV/dt)²dt + Ers ΔSdt dV/dt (4).
Da die bei der Elastance gespeicherte Energiemenge wie folgt ist:
Ers ΔSdt dV/dt = (1/2)Ers(ΔS)²
kann die Gleichung (4) wie folgt geschrieben werden: Wmus = - Paw(dV/dt)dt + Rrs j (dV/dt)²dt + (1/2)Ers(ΔS)² (5).
Da ΔS über eine Inspirationsperiode ein Atemzugvolumen VT ist, Wmus = - Paw(dV/dt)dt + Rrs (dV/(dt)²dt + (1/2)Ers(VT)² (6).
In den Gleichungen (2) und (6) sind Paw, dV/dt, Rrs, Ers und VT sämtlich Parameter, die unter Anwendung eines Durchflußratensensors und eines Drucksensors gemessen oder berechnet werden können, die an einem Luftkanal angebracht sind, der das externe Lungenbeatmungsgerät und das Luftwegsystem eines Patienten miteinander verbindet.
Um die vorgenannten Aufgaben zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung daher eine Vorrichtung zum Überwachen einer Atemmuskel-Aktivität vor, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen Drucksensor, um einen Luftdruck Paw in einem Luftkanal zu messen, der ein Lungenventilationsgerät und das Luftwegsystem eines Patienten miteinander verbindet;
einen Durchflußratensensor, um eine Durchflußrate dV/dt in dem Luftkanal zu messen;
eine Rechenkonstanten-Detektiereinrichtung, um einen Widerstand Rrs und eine Elastance Ers des Atemsystems einschließlich des Luftwegs und des Thorax unter Nutzung eines Meßsignals von dem Drucksensor und eines Meßsignals von dem Durchflußratensensor vorher zu messen, während gleichzeitig das Lungenventilationsgerät dem Patienten, dessen Spontanatmung vorübergehend unterbrochen ist, Luft zuführt;
wobei der Widerstand Rrs als ein Verhältnis Rrs = P1/Fl erhalten wird unter Verwendung einer Druckdifferenz P1 zwischen einem Spitzendruck, wenn die Luftzufuhr von dem Lungenventilationsgerät beendet ist, und einem Einatmungs-Enddruck P2, und einem konstanten Durchflußwert F1 der Durchflußrate dV/dt,
und wobei die Elastance Ers als ein Verhältnis Ers = P2/(Fa t) erhalten wird unter Verwendung des Ein atmungs-Enddrucks P2, des konstanten Durchflußwerts F1 der Durchflußrate dV/dt und t als der Periodendauer der Luftzuführung;
Recheneinrichtungen für den entwickelten Druck, um wiederholt eine Änderung des Drucks Pmus, der von den Atemmuskeln während der Lungenventilation entwickelt wird, aus der nachstehenden Gleichung
Pmus = -Paw + Rrs(dV/dt) + Ers (dV/dt)dt zu berechnen, wobei Paw der Luftwegöffnungsdruck ist, der von dem Drucksensor gemessen wird, und dV/dt die Durchflußrate ist, die von dem Durchflußratensensor gemessen wird; und
eine Ausgabeeinrichtung, um den erhaltenen Druck Pmus gemeinsam mit einem von dem Drucksensor gemessenen Wellenformsignal entlang einer gemeinsamen Zeitachse anzugeben.
Da Daten über eine Wellenform des Atemmuskeldrucks in einer solchen Vorrichtung erhalten werden können, kann die zeitliche Steuerung des Betriebs eines Lungenbeatmungsgeräts in bezug auf den tatsächlichen Inspirationsbeginn der Atemmuskein durch Vergleichen der Daten über die vorgenannte Wellenform mit einem Luftwegöffnungsdruck eingestellt werden. Somit kann eine überflüssige Ermüdung der Atemmuskulatur im wesentlichen verhindert werden.
Eine Weiterentwicklung der Vorrichtung gemäß der Erfindung weist folgendes auf: eine Zeitdifferenz-Recheneinrichtung, die einen Zeitpunkt, zu dem der erhalten Druck Pmus abzunehmen beginnt, als einen Einatmungs-Anfangspunkt mißt, und die einen Zeitpunkt, zu dem der Pegel des Detektiersignals von dem Drucksensor anzusteigen beginnt, als einen Luftzuführungs-Anfangspunkt mißt, um eine Zeitdifferenz zwischen dem Einatmungs-Anfangspunkt und dem Luftzuführungs-Anfangspunkt zu erhalten; wobei die Ausgabeeinrichtung die Information der Zeitdifferenz anzeigt.
Eine Weiterentwicklung der Vorrichtung nach der Erfindung weist folgendes auf: Druck-Zeit-Produktrecheneinrichtungen, die einen Zeitpunkt, zu dem der erhalten Druck Pmus abzunehmen beginnt, als einen Einatmungs-Anfangspunkt messen, und die einen Zeitpunkt, zu dem der erhaltene Pmus anzusteigen beginnt, als einen Einatmungs-Endpunkt messen, um ein Druck- Zeit-Produkt zwischen dem Einatmungs-Anfangspunkt und dem Einatmungs-Endpunkt aus der nachstehenden Gleichung zu berechnen:
PTP = Pmus dt;
wobei die Ausgabeeinrichtung die Information des Druck-Zeit- Produkts anzeigt.
Eine spezielle Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung weist folgendes auf: eine Ausatmungsbeginn-Detek tiereinrichtung, um einen Zeitpunkt, zu dem der erhaltene Pmus-Wert anzusteigen beginnt, als einen Ausatmungs-Anfangspunkt zu messen und ein Signal abzugeben, das den Beginn der Ausatmung angibt.
Eine Weiterentwicklung der Vorrichtung gemäß der Erfindung weist folgendes auf: Atemzug-Detektiereinrichtungen, um ein Atemzugvolumen durch Integration des Detektiersignals dV/dt vom Durchflußratensensor zu detektieren; und Arbeitsrecheneinrichtungen, um die von den Atemmuskeln über eine Einat mungsperiode geleistete Arbeit Wmus aus der folgenden Gleichung zu berechnen:
Wmus = Paw(dV/dt)dt + Rrs (dV/dt)² + (1/2)Ers(VT)²,
wobei Paw der von dem Druckfühler gemessene Luftwegöffnungsdruck ist, dV/dt die von dem Durchflußratensensor gemessene Durchflußrate ist und VT das von den Atemzugvolumen-Detektiereinrichtungen detektierte Atemzugvolumen ist; wobei die Ausgabeeinrichtungen die erhaltene Arbeit Wmus anzeigen.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung berechnen die Arbeitsrecheneinrichtungen einen Mittelwert der Arbeitswerte Wmus, die in einer Vielzahl von Einatmungsphasen erhalten wurden, und die Ausgabeeinrichtungen geben den Mittelwert an.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt die Konstruktion einer Atmungs-Überwachungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des Atmungssystems, auf dem die vorliegende Erfindung basiert;
Fig. 3 zeigt Wellenformen zur Verdeutlichung von Operationen der Überwachungsvorrichtung der vorstehenden Ausführungsform einschließlich der Operation zum Messen einer Rechenkonstanten;
Fig. 4 zeigt Wellenformen zur Verdeutlichung der Operation der Überwachungsvorrichtung derselben Ausführungsform;
Fig. 5 zeigt Überwachungs-Wellenformen der Überwachungsvorrichtung derselben Ausführungsform;
Fig. 6 zeigt die Konstruktion einer Atmungs-Überwachungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 zeigt eine herkömmliche Ersatzschaltung eines Atmungssystems.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß Fig. 1, die die Konstruktion einer Vorrichtung zum Überwachen der Atemmuskel-Aktivität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, löst ein Lungenbeatmungsgerät 1 eine Luftantriebseinheit aus, wenn der Druck in einem Einatmungs-Luftkanal 1a einen vorbestimmten negativen Druck erreicht. Das Lungenbeatmungsgerät 1 unterstützt auch die Exspiration durch einen Ausatmungs-Luftkanal 1b. Ein gemeinsamer Luftkanal 1c, der diese beiden Luftkanäle 1a und 1b miteinander verbindet, ist mit einem Luftkanal 3 verbunden, dessen Ende mit einem Endotrachealtubus 2 verbunden ist. Der Luftkanal 3 ist mit einem Drucksensor 10 zum Detektieren des Drucks darin und einem Durchflußratensensor 11 zum Detektieren der Luftdurchflußrate darin versehen.
Der Drucksensor 10 und der Durchflußratensensor 11 sind mit den nachstehenden Komponenten verbunden: einer Rechenkonstanten-Detektiereinrichtung 15 zum Detektieren von Rrs und Crs oder dessen Kehrwert, also Ers, unter Nutzung von Detektiersignalen von diesen Sensoren 10, 11, während die Spontanatmung eines Patienten vorübergehend unterbrochen ist; einer Atemzugvolumen-Detektiereinrichtung 16 zum Erhalt eines Atemzugvolumens VT durch Integration eines dV/dt-Signals, das ein Detektiersignal von dem Durchflußratensensor 11 ist, über eine Inspirationsperiode zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Lungenbeatmungsgerät 1 mit der Luftzuführung beginnt, d.h. wenn der Pegel des dV/dt-Signals zu steigen beginnt, und dem Zeitpunkt, zu dem das Lungenbeatmungsgerät 1 mit der Luftzuführung aufhört, d.h. wenn der Pegel des Signals dV/dt durch Null geht, und durch Korrektur des Integrationswerts nach Maßgabe des Querschnitts des Luftkanais; einer Arbeitsrecheneinrichtung 17 zum Berechnen der von den Atemmuskeln geleisteten Arbeit Wmus über einen Inspirationszeitraum aus der Gleichung (6) unter Nutzung des Signals Paw, des Signals dV/dt und des Signais VT; einer Recheneinrichtung 18 für den entwickelten Druck, die den von den Atemmuskeln entwickelten Druck Pmus kontinuierlich aus der Gleichung (2) unter Nutzung des Signals Paw, des Signals dV/dt und des Signals (dV/dt)dt, das von der Atemzugvolumen-Detektiereinrichtung 16 kontinuierlich zugeführt wird, berechnet. Eine Ausgabeeinrichtung 19 zeigt Daten der so er haltenen Arbeit z.B. als Diagramm oder durch Zahlenwerte an und/oder zeichnet diese auf und zeigt sowohl eine Wellenform des verstärkten Signals Paw als auch eine Wellenform der Daten von Pmus unter Anwendung einer gemeinsamen Zeitachse an und/oder zeichnet diese Daten auf.
Wie Fig. 3 zeigt, führt das Lungenbeatmungsgerät 1 Luft mit einem Konstantpegel F1 der Durchflußrate dV/dt zu, und der Drucksensor 10 detektiert Paw, während die Spontanatmung des Patienten beispielsweise wegen der Injektion eines Muskelentspannungsmittels in den Patienten vorübergehend unterbrochen ist. Dann detektiert die Rechenkonstanten-Detektierein richtung 15 eine Druckdifferenz P1 zwischen einem Spitzendruck, wenn die Luftzufuhr von dem Lungenbeatmungsgerät beendet ist, und einem Inspirations-Enddruck P2 und bildet Rrs = P1/F1. Außerdem detektiert die Rechenkonstanten-Detektiereinrichtung 15 den Inspirations-Enddruck P2 und bildet Ers = P2/(F1 x t), wobei t eine Periode der Luftzufuhr ist, auf der Basis von F1 x t = P2 x Crs.
Der Betrieb der so aufgebauten Überwachungsvorrichtung wird nachstehend beschrieben.
Wenn der Endotrachealtubus 2, der an das Lungenbeatmungsgerät 1 angeschlossen ist, mit einem Patienten verbunden ist, werden Rrs und Ers wie oben beschrieben gemessen. Das Lungenbeatmungsgerät 1 wird in der PSV-Betriebsart betrieben. Das Lungenbeatmungsgerät 1 wird zur Luftzufuhr aktiviert, wenn der Luftwegdruck einen vorbestimmten negativen Pegel erreicht. Die Zufuhr von Luft in einer vorbestimmten Menge und mit einer vorbestimmten Durchflußrate wird wiederholt, wobei dazwischen eine Exspirationsphase liegt. Wenn die Atemzugvolumen-Recheneinrichtung 16 einen plötzlichen Anstieg des Wellenformsignals (b in Fig. 4) des Detektiersignals dV/dt vom Durchflußratensensor 11 als Beginn der Inspiration detektiert, beginnt die Atemzugvolumen-Detektiereinrichtung 16 mit der Integration für ein Atemzugvolumen VT und liefert seriell (dV/dt)dt-Signale an die Recheneinrichtung 18 für den entwickelten Druck.
Die Beendigung von einer Periode der Luftzuführung durch das Lungenbeatmungsgerät 1 wird als ein Zeitpunkt detektiert, zu dem dV/dt von Positiv auf Negativ geht (entsprechend einem plötzlichen Abfall des Wellenformsignals des Detektiersignals (a in Fig. 4) von dem Drucksensor 10). An diesem Punkt beendet die Atemzugvolumen-Recheneinrichtung 16 die Operation für ein Atemzugvolumen. Inzwischen berechnet die Arbeitsrecheneinrichtung 17 die Arbeit Wmus über die Inspirationsperiode aus der Gleichung (6) unter Nutzung der ihr se riell zugeführten Daten. Die Recheneinrichtung 18 für den entwickelten Druck berechnet Pmus, der sich kontinuierlich ändert, aus der Gleichung (2) unter Nutzung der seriell eingegebenen Daten. Die Ausgabeeinrichtung 19 zeigt die berechnete Wellenform von Pmus (d in Fig. 5) gemeinsam mit der Detektierwellenform von Paw (c in Fig. 5) praktisch ohne jede Verzögerung sowie außerdem die resultierende Wmus des Rechenvorgangs an.
Wegen der oben beschriebenen nichtinvasiven Weise kann festgestellt werden, ob der Zeitpunkt des Beginns der Luftzufuhr durch das Lungenbeatmungsgerät in bezug auf den Zeitpunkt des Beginns der Inspiration richtig ist. Die von den Atemmuskeln geleistete Arbeit einschließlich der an dem Thorax geleisteten Arbeit kann genau gemessen werden, ohne daß die Einführung eines Ballonkatheters in die Speiseröhre erforderlich ist. Tests haben gezeigt, daß ein bekanntes Meßverfahren, das einen äquivalenten Parameter für einen Thorax außer acht läßt, eine Messung der Atemmuskel-Arbeit liefert, die um wenigstens 20 % geringer als der tatsächliche Wert der Arbeit ist.
Fig. 6 zeigt eine Überwachungsvorrichtung mit einer CPU 24 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Manometerdruckwandler 21 mißt dV/dt. Die Paw- und dV/dt-Werte werden von Verstärkern 20a, 21a verstärkt und dann von A/D-Umsetzern 20b, 21b digitalisiert Dann werden die Paw- und dV/dt-Werte durch einen E/A-Baustein 23 einer CPU 24 als Abtastwerte zugeführt. In einem ROM 25 sind Programme beispielsweise für die Berechnung der Konstanten Rrs und Ers, die Berechnung eines Atemzugvolumens VT, die Operation der Gleichung (2) unter Anwendung dieser Daten und von Daten über den Luftwegöffnungsdruck Paw und die Durchflußrate dV/dt, die Berechnung einer Zeitdifferenz auf der Basis des Ergebnisses dieser Berechnung sowie die Operation der Gleichung (6) und außerdem ein Programm für ein Abgabeformat gespeichert. Entsprechend diesen Programmen führt die CPU 24 parallel die notwendigen Operationen aus unter Anwendung eines RAM 26, der als eine Kombination aus der Rechenkonstanten-Detektiereinrichtung, der Recheneinrichtung für den entwickelten Druck, der Atemzugvolumen-Detektiereinrichtung und der Arbeitsrecheneinrichtung gemäß der Erfindung dient.
Die CPU 24 hat außerdem die Funktion einer Zeitdifferenz-Recheneinrichtung. Die CPU analysiert die Daten von Paw und Pmus, um einen Zeitpunkt, zu dem Pmus abzunehmen beginnt (entsprechend Ta von d in Fig. 5), als einen Zeitpunkt des Beginns der Inspiration zu detektieren und um einen Zeitpunkt, zu dem der Pegel des Signais Paw anzusteigen beginnt (entsprechend Tb von c in Fig. 5), als einen Zeitpunkt des Beginns der Luftzufuhr zu detektieren und dann eine Zeitdifferenz ΔT zwischen den beiden Zeitpunkten zu bilden.
Ferner dient während derselben Arbeitsberechnung die CPU 24 als eine Exspirationsbeginn-Detektiereinrichtung. Die CPU 24 detektiert einen Zeitpunkt, zu dem Pmus ausgehend von dem kleinsten Pegel (entsprechend Tc von d in Fig. 5) anzusteigen beginnt, als einen Zeitpunkt des Beginns der Exspiration und sendet ein Triggersignal an das Lungenbeatmungsgerät, um die Luftzufuhr zu unterbrechen. Die CPU 24 ist mit einem Bildschirm bzw. einer CRT 27 verbunden, die von der CPU 24 verarbeitete Ausgangsdaten in einem vorbestimmten Ausgabeformat unter Steuerung durch eine CRT-Steuereinrichtung 27a anzeigt.
Während also das Lungenbeatmungsgerät in einer das Einatmen unterstützenden Betriebsart betrieben wird, zeigt die CRT 27 die Wellenformen von Paw, dV/dt und Pmus - von oben nach unten in der Figur - in vorbestimmten Formaten an und zeigt außerdem die Zeitdifferenz ΔT und die Arbeit Wmus über die neueste Inspirationsperiode und den Mittelwert der Arbeit einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Inspirationsperioden in Ziffern, wie beispielsweise 1,5 s, 2,0 (10&supmin;² kg cm) und 1,9 (10&supmin;² kg m) an. Ferner wird ein Triggersignal abgegeben, wenn die Exspiration beginnt.
Zur Messung des Druck-Zeit-Produkts PTP als Index der Atmungsarbeitslast, die mit der von den Atemmuskeln bei Beginn der Inspiration während der mechanischen Beatmung verbrauchten Sauerstoffmenge korreliert ist, können die beiden vorstehenden Ausführungsformen mit einer Druck-Zeit-Integrationseinrichtung versehen sein, um einen Zeitpunkt, zu dem Pmus abzunehmen beginnt, und einen Zeitpunkt, zu dem Pmus anzusteigen beginnt, als Inspirationsanfangspunkt Ta bzw. Inspirationsendpunkt Tc (äquivalent einem Exspirationsanfangspunkt) zu detektieren und um das Druck-Zeit-Produkt PTP über den Zeitraum zwischen den beiden Zeitpunkten durch Integration PTP = Pmusdt zu erhalten, und k:nnen mit einer Ausgabeeinrichtung versehen sein, um die Daten von Zeit- Druck-Produkten anzuzeigen und/oder aufzuzeichnen.
Das Integral Pmusdt wird beispielsweise durch Abtasten eines Werts von Pmus alle 10 ms zwischen den Zeitpunkten Ta und Tc und Bilden des Druck-Zeit-Produkts und Addition dieser Produkte gebildet. Alternativ kann das Druck-Zeit-Produkt in bezug auf die Atmungsrate pro Minute erhalten werden.
Wenn ein an ein Lungenbeatmungsgerät angeschlossener Patient mit der Inspiration beginnt, muß der Patient den Druck im Inneren des Brustraums unter denjenigen in dem Luftweg senken, um ein Inspirations-Bedarfsventil des Lungenbeatmungsgeräts zu öffnen. Während dieser isometrischen Kontraktion bis zum Öffnen des Inspirations-Bedarfsventils wird jedoch keine Inspiration durchgeführt. Beim Stand der Technik muß der Druck im Inneren der Speiseröhre gemessen werden, und die Messung muß mit einer elastischen Brustwand-Kontraktionskraft korrigiert werden, um ein Druck-Zeit-Produkt zu erhalten. Dagegen kann gemäß der vorliegenden Erfindung das Druck-Zeit-Produkt einschließlich der elastischen Brustwand- Kontraktion erhalten werden, ohne daß irgendeine Messung des Speiseröhrendrucks erforderlich ist, und zwar als ein Index der von den Atemmuskeln einschließlich einer Periode der isometrischen Kontraktion verbrauchten Sauerstoffmenge. Daher kann die Änderung des Druck-Zeit-Produkts über die Zeit überwacht werden.
Eine Überwachungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht nur in Stand-alone-Form, also als Einzelgerät vorgesehen sein, sondern kann auch im Inneren eines Lungenbeatmungsgeräts angebracht sein. Außerdem kann eine Inspirationsphase unter Verwendung des Drucksensors und des Durchflußratensensors detektiert werden, die im Inneren des Lungenbeatmungsgeräts vorgesehen sind. Die Überwachungsvorrichtung der Erfindung kann auch zur Durchführung einer mechanischen Beatmung durch einen durch die Nase eingeführten Endotrachealtubus oder einen Luftröhrenschnitt verwendet werden. Der Betrieb eines Lungenbeatmungsgeräts kann in Abhängigkeit von dem Zustand der Atemmuskel-Aktivität des Patienten automatisch gesteuert werden, indem ein Arbeitssignal und ein Zeitdifferenzsignal zu dem Lungenbeatmungsgerät rückgeführt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Überwachen einer Atemmuskel-Aktivität, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

- einen Drucksensor (10), um einen Luftdruck Paw in einem Luftkanal (3) zu messen, der ein Lungenventilationsgerät (1) und das Luftwegsystem eines Patienten miteinander verbindet;

- einen Durchflußratensensor (11), um eine Durchflußrate dV/dt in dem Luftkanal (3) zu messen;

- eine Rechenkonstanten-Detektiereinrichtung (15, 24), um einen Widerstand Rrs und eine Elastance Ers des Atemsystems einschließlich des Luftwegs und des Thorax unter Nutzung eines Meßsignals von dem Drucksensor (10) und eines Meßsignals von dem Durchflußratensensor (11) vorher zu messen, während gleichzeitig das Lungenventilationsgerät (1) dem Patienten, dessen Spontanatmung vorübergehend unterbrochen ist, Luft zuführt;

wobei der Widerstand Rrs als ein Verhältnis Rrs = P1/F1 erhalten wird unter Verwendung einer Druckdifferenz Pl zwischen einem Spitzendruck, wenn die Luftzufuhr von dem Lungenventilationsgerät (1) beendet ist, und einem Einatmungs-Enddruck P2, und einem konstanten Durchflußwert Fl der Durchflußrate dV/dt,

und wobei die Elastance Ers als ein Verhältnis Ers = P2/ (Fa t) erhalten wird unter Verwendung des Einatmungs-Enddrucks P2, des konstanten Durchflußwerts Fl der Durchflußrate dV/dt und t als der Periodendauer der Luftzuführung;

- Recheneinrichtungen (18, 24) für den entwickelten Druck, um wiederholt eine Änderung des Drucks Pmus, der von den Atemmuskeln während der Lungenventilation entwickelt wird, aus der nachstehenden Gleichung Pmus = -Paw + Rrs(dV/dt) + Ers (dV/dt)dt zu berechnen, wobei Paw der Luftwegöffnungsdruck ist, der von dem Drucksensor (10) gemessen wird, und dV/dt die Durchflußrate ist, die von dem Durchflußratensensor (11) gemessen wird; und

- eine Ausgabeeinrichtung (19, 27), um den erhaltenen Druck Pmus gemeinsam mit einem von dem Drucksensor (10) gemessenen Wellenformsignal entlang einer gemeinsamen Zeitachse anzugeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

die folgendes aufweist:

eine Zeitdifferenz-Recheneinrichtung (24), die einen Zeitpunkt (Ta), zu dem der erhaltene Druck Pmus abzunehmen beginnt, als einen Einatmungs-Anfangspunkt mißt, und die einen Zeitpunkt (Tb), zu dem der Pegel des Detektiersignals von dem Drucksensor (10) anzusteigen beginnt, als einen Luftzuführungs-Anfangspunkt mißt, um eine Zeitdifferenz (ΔT) zwischen dem Einatmungs- Anfangspunkt und dem Luftzuführungs-Anfangspunkt zu erhalten;

wobei die Ausgabeeinrichtung (19, 27) die Information der Zeitdifferenz anzeigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

die folgendes aufweist:

Druck-Zeit-Produktrecheneinrichtungen (16, 17, 24), die einen Zeitpunkt (Ta), zu dem der erhaltene Druck Pmus abzunehmen beginnt, als einen Einatmungs-Anfangspunkt mißt, und die einen Zeitpunkt (Tc), zu dem der erhaltene Pmus anzusteigen beginnt, als einen Einatmungs- Endpunkt mißt, um ein Druck-Zeit-Produkt (PTP) zwischen dem Einatmungs-Anfangspunkt und dem Einatmungs-Endpunkt aus der nachstehenden Gleichung zu berechnen:

PTP = Pmus dt;

wobei die Ausgabeeinrichtung (19, 24) die Information des Druck-Zeit-Produkts anzeigt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die folgendes aufweist:

eine Ausatmungsbeginn-Detektiereinrichtung (24), um einen Zeitpunkt (Tc), zu dem der erhaltene Pmus-Wert anzusteigen beginnt, als einen Ausatmungs-Anfangspunkt zu messen und ein Signal abzugeben, das den Beginn der Ausatmung angibt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die folgendes aufweist:

Atemzugvolumen-Detektiereinrichtungen (16, 24), um ein Atemzugvolumen (VT) durch Integration des Detektiersignals dV/dt vom Durchflußratensensor (11) zu detektieren; und

Arbeitsrecheneinrichtungen (17, 24), um die von den Atemmuskeln über eine Einatmungsperiode geleistete Arbeit Wmus aus der folgenden Gleichung zu berechnen: Wmus = - Paw(dv/dt)dt + Rrs (dV/dt)²dt + (1/2)Ers(VT)² wobei Paw der von dem Druckfühler (10) gemessene Luftwegöffnungsdruck ist, dV/dt die von dem Durchflußratenfühler (11) gemessene Durchflußrate ist und VT das von den Atemzugvolumen-Detektiereinrichtungen (16, 24) detektierte Atemzugvolumen ist;

wobei die Ausgabeeinrichtungen (19, 27) die erhaltene Arbeit Wmus anzeigen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

wobei die Arbeitsrecheneinrichtungen (17, 24) einen Mittelwert der Arbeitswerte Wmus, die in einer Vielzahl von Einatmungsphasen erhalten wurden, berechnen und die Ausgabeeinrichtungen (19, 27) den Mittelwert angeben.