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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Zuführung
von Luft und zumindest einem Zusatzgas zu einem Lebewesen während der
Inspirationsphasen mit einem Behälter,
der zur Aufnahme von Luft an einem Ende zur umgebenden Atmosphäre offen
ist, einem Schlauchsystem, das mit dem anderen Ende des Behälters verbunden
und mit dem Lebewesen verbindbar ist, einer Quelle eines zusätzlichen
Gases, einem zwischen der Verbindung des Schlauchsystems an dem
anderen Ende des Behälters
und dem offenen Ende an dem Behälter
angeordneten Eingangspunkt für
das zusätzliche
Gas, um es mit der dem Lebewesen zuzuführenden Luft zu mischen, einem
Dosiersystem zur Zuführung
des zusätzlichen
Gases von der Quelle des zusätzlichen Gases über eine
Zuführleitung
und ein Mittel zum Erzeugen eines Flusses von gemischter Luft und
zusätzlichem
Gas, wodurch eine vorbestimmte Konzentration von zusätzlichem
Gas in der Mischung aus Luft und zusätzlichem Gas zwischen dem Eingangspunkt
und dem Schlauchsystem vor dem Start jeder Inspirationsphase erzielt
wird.
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Hochentwickelte Ventilatoren (Respiratoren), die
in der Lage sind, eine Vielzahl verschiedener Respirationsmoden
zu liefern, sind üblicherweise schwierig
zu bedienen und teuer. Normalerweise erfordern sie auch zuverlässige Spannungsquellen
und sind recht schwer. Das alles zusammen macht es schwierig, diese
Art von Ventilatoren in Hauspflegausrüstungen oder als Wiederbelebungshilfe
in Ambulanzen, Flugzeugen oder an ähnlichen Orten zu verwenden.
Eine derartige Ausrüs tung
sollte vorzugsweise einfach zu bedienen und gleichzeitig zuverlässig sein.
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Ein zuverlässiger, leichter und preiswerter Ventilator
ist daher wünschenswert.
Eine derartige Vorrichtung sollte in der Lage sein, Luft und zumindest
ein zusätzliches
Gas wie z. B. Sauerstoff zu liefern.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist in
der DE-1 233 537 beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist
einen Behälter
auf, der ein offenes Ende zur umgebenden Luft und eine Verbindung
zu einem Schlauchsystem hat, das am anderen Ende zu einem Patienten
führt.
Zwischen dem Behälter
und dem Patienten kann ein zusätzliches
Gas wie z. B. Sauerstoff bereitgestellt werden.
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Das zusätzliche Gas wird mit einem
kontinuierlichen Fluss zugeführt.
Während
spontaner Einatmung wird der Patient Gas aus dem Behälter saugen, das
dann mit dem zusätzlichen
Gas gemischt wird. Während
der Exspiration wird das zusätzliche
Gas in Richtung auf den Behälter(der
offen zur umgebenden Atmosphäre
und daher nicht in der Lage ist, einen Überdruck zu erzeugen, der das
Gas daran hindert, in beiden Richtungen durch ihn hindurchzuströmen) strömen. Auf
Grund der kontinuierlichen Zufuhr von Sauerstoff wird der erste
Teil des dem Patienten während
der Anfangsphase der Einatmung zugeführten Gases stark mit dem zusätzlichen
Gas angereichert sein und kann sogar fast vollständig aus dem zusätzlichen
Gas bestehen.
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Abhängig von dem vom Patienten
eingeatmeten Tidalvolumen wird die Menge des zusätzlichen Gases während des
verbleibenden Teils der Einatmung reduziert. Die Reduktion wird
von dem Luftfluss von dem Behälter
und dem Fluss des zusätzlichen
Gases abhängen.
Der Atemgasfluss ist normalerweise während der Einatmung unregelmäßig und
daher wird die Konzentration des zusätzlichen Gases während der
gesamten Einatmungsphase in hohem Maße variieren. Die Art der Atmung
(wenige tiefe Atemzüge
oder viele flache Atemzüge)
werden das Minutenvolumen des von dem Patienten eingeatmeten zusätzlichen
Gases bestimmen.
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Es ist daher wünschenswert in der Lage zu sein,
ein Gas mit einer homogenen Mischung aus Luft und dem zusätzlichen
Gas zuzuführen
und es ist auch wünschenswert
in der Lage zu sein, eine spezifische Konzentration des zusätzlichen
Gases zu wählen.
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Die oben beschriebenen hochentwickelten Ventilatoren
enthalten normalerweise servogesteuerte Ventile, die schnell und
genau reagieren können, um
exakte Mischungen verschiedener Gas bereitzustellen. Es währe daher
möglich,
ein fortschrittliches servogesteuertes Ventil oder etwas ähnliches
und einen Flussmesser zwischen dem Behälter und dem Patienten in der
beschriebenen, bekannten Vorrichtung einzuschließen.
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Durch Messen des Luftflusses zu dem
Patienten könnte
das Ventil gesteuert werden, um auf der Basis des gemessenen Flusses
eine Menge zusätzlichen
Gases zuzuführen,
was zu einer gewünschten Konzentration
des zusätzlichen
Gases in der Luft führen
würde.
Da jedoch der Fluss während
der Inspiration beträchtlich
schwanken kann und kurzzeitig Flusswerte von mehreren Litern pro
Sekunde erreichen kann, muss das Ventil sowohl sehr schnell als auch
sehr genau sein, um die geforderte Menge zusätzlichen Gases zuzuführen. Obwohl
derartige Ventile existieren, sind sie üblicherweise sehr teuer, erfordern
eine relativ komplexe Regelschaltung und erfordern auch eine höhere Leitung
als andere Ventile. Weiterhin erfordern sie üblicherweise auch, dass das zusätzliche
Gas von einer Hochdruckquelle entnommen wird, um zufriedenstellend
zu arbeiten.
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Die WO 92/06730 offenbart einen Gasmischer
für Heimventilationsgeräte. Ein
doppelseitiger Ventilkörper
arbeitet mit zwei Ventilsitzen zusammen, so dass die axiale Bewegung
des Doppelventilkörpers
beide Ventile gleichzeitig öffnet
oder schließt, um
ein konstantes Flussverhältnis
aufrecht zu erhalten. Eins der Ventile kann justierbar angeordnet
sein, um das anfängliche
Flussverhältnis
der Gase zu bestimmen. Ein Gas kann Luft und das andere kann Sauerstoff
sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung gemäß der Einleitung
zu erzielen, die eine homogene Gasmischung mit einer definierten
Menge zusätzlichen
Gases in einer einfachen aber zuverlässigen und stabilen Art an
einen Patienten liefern kann.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass die Vorrichtung gemäß der Einleitung
so ausgebildet ist, dass eine Rückkopplungsverbindung
zwischen dem Schlauchsystem und der Versorgungsleitung angeordnet
ist und ein Flussteiler angeordnet ist, um einen Fluss von Luft
und zusätzlichem
Gas während
der Inspirationsphase zu dem Lebewesen abzuleiten und um während der
Exspirationsphase einen Fluss von Luft und zusätzlichem Gas zu der Rückkopplungsverbindung
abzuleiten, wodurch eine vorbestimmte Konzentration zusätzlichen
Gases in dem Gas zwischen dem Eintrittsort und dem Schlauchsystem
vor dem Beginn jeder Inspirationsphase erzielt wird.
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Weiterentwicklungen der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung
führt das
Dosiersystem das zusätzliche
Gas mit einer konstanten Rate über
eine Zufuhrleitung zu und eine Rückkopplungsverbindung ist
zwischen dem Schlauchsystem und der Zufuhrleitung angeordnet. Ein
Flussteiler ist vorgesehen, um einen Fluss von Luft und zusätzlichem
Gas während der
Inspirationsphasen zu dem Lebewesen abzuleiten und um einen Fluss
von Luft und zusätzlichem Gas
während
der Exspirationsphasen zu der Rückkopplungsverbindung
abzuleiten, um die Luft und das zusätzliche Gas zurück zu dem
Behälter
zu leiten. Wenn in dem Schlauchsystem ein konstanter Fluss erzeugt
wird, kann der Flussteiler während
der Inspiration einen ersten variablen Fluss zu dem Lebewesen und
einen zweiten variablen Fluss zu der Rückkopplungsverbindung ableiten.
Die Summe der zwei Flüsse
ist dann gleich dem konstanten Fluss. Während der Exspiration wird
normalerweise der gesamte Fluss zu der Rückkopplungsverbindung abgeleitet.
Diese Anordnung erhöht
das Mischen von zusätzlichem
Gas und Luft und verbessert die Homogenität der dem Patienten zuzuführenden
Gasmischung.
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Es ist vorteilhaft einen Flussmesser
anzuordnen, um den Fluss von Luft und zusätzlichem Gas zu dem Lebewesen
zu messen. Die Steuerung verschiedener Teile der Vorrichtung können mit
relativ einfachen Regelmitteln basierend auf dem gemessenen Fluss
erfolgen.
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Im Folgenden wird die Vorrichtung
gemäß der Erfindung
detaillierter unter Bezug auf die Figur beschreiben, die ein erstes
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zeigt.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
ist mit 2 bezeichnet und in der Figur dargestellt. Die
Vorrichtung 2 weist einen Behälter 4 auf, der an
einem Ende 6 offen ist zur umgebenden Atmosphäre. Der
Behälter 4 hat
vorzugsweise ein labyrinthähnliches
Inneres zur Steigerung der Mischung der durch ihn hindurchfließenden Gase.
Ein Schlauchsystem 8 ist mit dem anderen Ende des Behälters 4 verbunden
und leitet ein Atemgas von dem Behälter 4 zu einem Patienten 10.
Ein Exspirationsventil 12 ist mit einem Exspirationsschlauch 14 verbunden,
um dem Gas während
der Exspiration zu ermöglichen,
von dem Patienten 10 wegzufließen.
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Ein Kompressor 16 ist in
dem Schlauchsystem 8 zur Erzeugung eines Gasflusses in
Richtung auf den Patienten 10 während der Inspiration angeordnet.
Hierdurch wird eine wesentliche Atemunterstützung und auch Atemsteuerung
erzielt. Der Kompressor 16 kann einen konstanten oder variablen Gasfluss
erzeugen. Der Kompressor 16 kann auch durch ein Gebläse oder
eine Pumpe ersetzt werden.
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Der dem Patienten 10 zugeführte Gasfluss wird
in einem Flussmesser 18 gemessen, der in dem Schlauchsystem 8 nahe
dem Patienten 10 angeordnet ist.
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Ein dem Patienten 10 zuzuführendes
zusätzliches
Gas ist in einer Gasquelle 20 gespeichert. Das zusätzliche
Gas wird dem Behälter 4 über ein
Dosiersystem 22 und eine Zufuhrleitung 24 zugeführt. Ein Eingangspunkt 26 für das zusätzliche
Gas in den Behälter 4 ist
zwischen dem offenen Ende 6 des Behälters 4 und dem Schlauchsystem 8 angeordnet.
Das zusätzliche
Gas wird in dem Behälter 4 mit
Luft zur Bildung des Atemgases gemischt.
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Das Volumen zwischen dem Eingangspunkt 26 und
dem Patienten 10 sollte zumindest ein Tidalvolumen für den Patienten 10 sein.
Vorzugsweise enthält
das Volumen zwischen dem Eingangspunkt 26 und dem Kompressor 16 (oder
Flussteiler 28) dieses Volumen.
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Ein Flussteiler 28 ist auch
in dem Schlauchsystem 8 angeordnet. Der Flussteiler 28 kann
betätigt werden,
um einen Gasfluss in zwei Richtungen zu leiten. Ein Atemgasfluss
kann zu dem Patienten 10 und zu der Zufuhrleitung 24 über eine
Rückkopplungsverbindung 30 abgeleitet
werden. Der Gasfluss von dem Kompressor 16 kann teilweise
oder vollständig
in eine der zwei Richtungen abgeleitet werden.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung 2 kann
am einfachsten beschrieben werden, wenn der Kompressor 16 als
ein Konstantflusserzeuger für
Gas angesehen wird, der kontinuierlich sowohl während der Inspirations- und
Exspirationsphasen arbeitet. Während
der Inspiration arbeitet der Flussteiler 28, um einen Atemgasfluss über den
Flussmesser 18 zu dem Patienten 10 abzuleiten.
Ein variabler Fluss kann durch Variieren der Anteile der Gasflüsse, die
in die zwei Richtungen abgeleitet werden, erzeugt werden. Der durch
den Kompressor 16 erzeugte Fluss sollte in diesem Fall
mit dem höchsten
erforderlichen Fluss für
den Patienten 10 übereinstimmen.
Zur gleichen Zeit wird ein kontinuierlicher Fluss zusätzlichen
Gases, z. B. Sauerstoff, der Zufuhrleitung 24 über das Dosiersystem 22 zugeführt und
zu dem Behälter 4 geleitet,
in den es nahe dem offenen Ende 6 hineingeht. Gleichzeitig
damit wird Luft über
das offene Ende in den Behälter 4 eintreten.
Im Grunde wird der gleiche Fluss, der von dem Behälter 4 über das Schlauchsystem 8 zu
dem Patienten 10 geleitet wird, in den Behälter 4 hineingehen
als die Summe des Luftflusses über
das offene Ende 6 und des Flusses des zusätzlichen
Gases (oder der Mischung aus Luft und zusätzlichem Gas) über den
Eingangspunkt 26.
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Wenn die Exspirationsphase beginnt,
wird er Flussteiler 28 geändert, um den gesamten Gasfluss über die
Rückkopplungsverbindung 30 zu
der Zufuhrleitung 24 abzuleiten. Das zusätzliche
Gas wird weiterhin über
das Dosiersystem 22 mit einem kontinuierlichen Fluss zugeführt und
daher mit dem Gas aus dem Schlauchsystem 8 gemischt. Diese
Gas besteht aus Luft und zusätzlichem
Gas, ist aber nicht in den gewünschten
Proportionen gemischt. Wenn es durch die Zufuhrleitung 22 fließt, wird
es mit weiterem zusätzlichen
Gas angereichert und weiter vermischt. Diese neue Mischung wird
in den Behälter 4 hineingehen.
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Abhängig von dem Volumen in der
Rückkopplungsverbindung 30 und
der Zufuhrleitung 24 wird das Gas einmal oder mehrmals
während
der Exspirationsphase durch das System zirkulieren. Jedoch sind
die Volumen des Schlauchsystems 8, Behälters 4, der Zufuhrleitung 24 und
der Rückkopplungsverbindung 30 als
auch der konstante Fluss des zusätzlichen
Gases so gewählt,
dass das Volumen des Gases zwischen dem Eingangspunkt 26 und dem
Kompressor 16 (oder Flussteiler 28 oder Patienten 10)
mit dem Atemgas gefüllt
ist (d. h. der gewünschten
Mischung aus Luft und zusätzlichem Gas).
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Während
der Exspiration wird der Gasfluss, der in den Behälter 4 am
Eingangspunkt 26 über
die Zufuhrleitung 24 hineingeht, wegen des Hinzufügens des
konstanten Flusses zusätzlichen
Gases in der Zufuhrleitung 24 etwas größer sein als der Fluss, der den
Behälter 4 über das
Schlauchsystem 8 verlässt (d.
h. der von dem Kompressor 16 erzeugte Fluss). Daher wird
keine Luft in den Behälter 4 über das
offene Ende 6 hineingehen. Durch Wählen des Volumens zwischen
dem offenen Ende 6 und dem Eingangspunkt 26 auf
passende Art kann der Verlust zusätzlichen Gases an die umgebende
Atmosphäre
sogar bei hohen Konzentrationsniveaus des zusätzli chen Gases, d. h. bei relativ
hohen konstanten Flüssen
des zusätzlichen
Gases, minimiert werden.
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Der konstante Fluss des zusätzlichen
Gases wird basierend auf der gewünschten
Konzentration des zusätzlichen
Gases und dem gesamten Minutenvolumen des Atemgases, das dem Patienten
zugeführt
werden soll, gewählt.
Wenn das geforderte Minutenvolumen 10 Liter beträgt und das Atemgas 10% des
zusätzlichen
Gases enthalten soll, sollte 1 Liter zusätzliches Gas jede Minute zugeführt werden.
Daher korrespondiert der konstante Fluss zusätzlichen Gases mit dem geforderten
Minutenvolumen des zusätzlichen
Gases, in anderen Worten 1 Liter/Minute. Da kein zusätzliches
Gas aus dem System entweichen wird und das zugeführte Minutenvolumen über den
Flussmesser und den Kompressor gesteuert werden kann, wird die Vorrichtung
auf sehr zufriedenstellender Weise arbeiten.
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Es sollte angemerkt werden, dass
für viele zusätzliche
Gase wie Sauerstoff, Lachgas oder ähnliche eine Variation der
gewählten
Konzentration von ± 1–2% (d.
h. mit einer gewählten
Konzentration von 10% zusätzlichen
Gases kann die dem Patienten zugeführte Mischung 8–12% enthalten)
nicht gravierend für
diese Art von Vorrichtung 2 ist.
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Die Steuerung des Kompressors 16 ist
durch eine Steuerleitung 32 von dem Flussmesser 18 angedeutet.
Der Kompressor 16 (oder eine ähnliche flusserzeugende Vorrichtung)
kann daher betätigt werden,
um dem Patienten 10 einen variablen Fluss zuzuführen. Die
Arbeitsweise der Vorrichtung 2 ist grundsätzlich die
gleiche, auch wenn ein variabler Fluss verwen det wird. Der Unterschied
ist, dass der in den Behälter 4 hineingehende
Luftfluss stärker schwanken
wird. Das Rückkopplungssystem
für Luft und
zusätzliches
Gas wird jedoch sicherstellen, dass eine homogene und gewünschte Mischung
erhalten wird.
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Wie bereits oben angegeben kann der
variable Fluss auch mit Hilfe des Flussteilers 28 erzielt werden.
Mit einem variablen Fluss, der durch den Kompressor 16 erzeugt
wird, kann jedoch der Flussteiler 28 als ein Schalter arbeiten
(oder sogar dadurch ersetzt werden) und den gesamten Fluss entweder
zu dem Patienten 10 oder der Rückkopplungsverbindung 30 lenken.
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Es ist natürlich auch möglich, einen
Schalter anstelle des Flussteilers 28 zu verwenden, wenn
ein konstanter Gasfluss durch den Kompressor 16 erzeugt
wird.
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Es ist nicht einmal notwendig, einen
kontinuierlichen Fluss zusätzlichen
Gases zuzuführen.
Es reicht aus, das erforderliche Minutenvolumen zuzuführen. Dieses
kann daher mit einem variablen Fluss zugeführt werden, um das Mischen
der Gase weiter zu steigern, so dass ein größerer Fluss zusätzlichen Gases
während
der Inspirationsphasen zugeführt wird,
wenn ein großer
Luftfluss aus der umgebenden Atmosphäre über das offene Ende 6 in
den Behälter 4 gelangt,
und ein reduzierter Fluss zusätzlichen
Gases während
der Exspirationsphasen zugeführt
wird, wenn die Mischung aus Luft und zusätzlichem Gas in dem Behälter 4 nur
mit dem zusätzlichen
Gas angerei chert werden muss, um die endgültige, dem Patienten 10 zuzuführende Mischung
zu erhalten.
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Andere Steuerungen der Vorrichtung 2 können auch
basierend auf dem gemessenen Fluss verwendet werden. Zum Beispiel
kann das Dosiersystem 22 basierend auf dem gemessenen Fluss über eine
Steuerleitung 34 gesteuert werden und der Flussteiler 28 kann
auch basierend auf dem durch einen Flussmesser 18 gemessenen
Fluss gesteuert werden, wie durch die Steuerleitung 36 angedeutet.
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Der Flussmesser 18 enthält in diesem
Fall die erforderlichen Regelkomponenten. Da die Regelung auf bekannten
Regelsystemen basiert, müssen diese
nicht weiter beschrieben werden.
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Die Zufuhr des zusätzlichen
Gases kann auch über
den Kompressor 16 direkt gesteuert werden, wie durch die
Steuerleitung 38 angedeutet.
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Der Eingangspunkt kann grundsätzlich irgendwo
zwischen dem offenen Ende des Behälters und der Verbindung zu
dem Schlauchsystem liegen, unter der Voraussetzung, dass das Gasvolumen
zwischen dem Eingangspunkt und dem Patienten (oder Kompressor/Gebläse/Pumpe)
mindestens ein Tidalvolumen enthält.