DE69829969T2

DE69829969T2 - Steuervorrichtung zum zuführen von zusätzlichem atmungssauerstoff

Info

Publication number: DE69829969T2
Application number: DE69829969T
Authority: DE
Inventors: F. Matthew SCHMIDT; S. John BUAN; A. Catherine NORDMAN
Original assignee: MINNESOTA INNOVATIVE TECHNOLOG; Minnesota Innovative Technologies & Instruments Corp (miti) Lino Lakes
Current assignee: MINNESOTA INNOVATIVE TECHNOLOG; Minnesota Innovative Technologies & Instruments Corp (miti) Lino Lakes
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-07-25
Also published as: ES2242289T3; EP1579883A3; US6186142B1; EP1579883A2; WO1999004841A1; WO1999004841A8; EP0998318B1; DE69829969D1; WO1999004841B1; AU8592898A; EP0998318A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Systeme und Verfahren zur Versorgung mit zusätzlichem Atmungssauerstoff. Die vorliegende Erfindung stellt Systeme bereit, die zusätzlichen Atmungssauerstoff einsparen.
Hintergrund
Eine große Patientengemeinschaft unterzieht sich gegenwärtig zuhause oder in Langzeitpflegeeinrichtungen, wie Pflegeheimen, einer Sauerstofftherapie. Zusätzlicher Atmungssauerstoff ist eine verbreitet akzeptierte Form der Behandlung für COPD-(chronisch-obstruktive Lungenerkrankung) Patienten mit Hypoxämie, wie sich aus der Vollendung einer großen Studie der National Institutes of Health im Jahre 1980 ergibt. Der Nächtliche Sauerstofftherapieversuch wies die Wirksamkeit einer kontinuierlichen Sauerstofftherapie in der Verlängerung der Lebensspanne von an COPD mit chronischer Hypoxämie Leidenden nach.
Zur Verabreichung einer Langzeitsauerstofftherapie ist es eine übliche Praxis, den Sauerstoff direkt in die Nasenlöcher des Patienten durch eine Vorrichtung zuzuführen, die als Nasenkanüle bekannt ist. Die Kanüle ist über einen Versorgungsschlauch mit einer Sauerstoffquelle verbunden, wie einem Sauerstoffkonzentrator, einem Dewar-Gefäß mit flüssigem Sauerstoff oder einer Hochdruckgasflasche. Der Sauerstoff wird dem Patienten mit einer Geschwindigkeit kontinuierlich zugeführt, die durch einen Arzt verordnet wird.
Es ist erkannt worden, daß eine kontinuierliche Sauerstoffzuführung verschwenderisch mit Sauerstoff umgeht, da ein Patient nur Sauerstoff benötigt, wenn er einatmet, und der zu an deren Zeiten zugeführte Sauerstoff verschwendet wird. Die bedeutendsten finanziellen Kosten, die mit der Verschwendung verbunden sind, werden in den vermehrten Wartungsbesuchen vorgefunden, die durch den Sauerstofflieferanten benötigt werden, um die Sauerstoffversorgung des Patienten wieder aufzufüllen, da die tatsächlichen Kosten des Sauerstoffs nur ein kleiner Bruchteil der Gesamtkosten der Therapie sind.
Ein weiteres Problem, das mit einer Zusatzsauerstofftherapie verbunden ist, ist daß die physikalische Größe und das Gewicht der Sauerstoffvorrichtung die Mobilität des Patienten reduzieren können.
Es sind eine Anzahl von Ansätzen unternommen worden, um sich den Problemen der Verschwendung, den Kosten und der Tragbarkeit einer Sauerstofftherapie zuzuwenden. Der therapeutische Ansatz, der aus dieser Gesamtheit von Arbeiten erwachsen ist, wird typischerweise als „Bedarfszuführung" bezeichnet. Die Vorrichtungen reagieren auf die Einatmungsanstrengung des Patienten, indem sie vielmehr einen vorbestimmten Puls Sauerstoff während der Inhalationsperiode zuführen, als daß sie kontinuierlich Sauerstoff zum Patienten strömen lassen. Es gibt viele Arten, in denen dieses Grundkonzept implementiert worden ist.
Es sind ausgedehnte Arbeiten an Sensoren, der zeitlichen Steuerung der Sauerstofffreisetzung und den Algorithmen zur Zuführung des Sauerstoffs gemacht worden. Es sind eine Vielfalt von Verfahren zum Abtasten des Atemzyklus verwendet worden, einschließlich Drucksensoren, die mit den Atemwegen des Patienten in strömungstechnischer Verbindung stehen, Strömungssensoren und Brustgurten, die die Bewegung des Thorax während der Atmung detektieren. Einige Systeme führen einen kleinen Bolus Sauerstoff am Anfang der Inhalation zu, während andere einen kontinuierlichen Strom während der gesamten Inhalation zuführen. Es hat auch Arbeiten an der Häufigkeit der Zuführung ge geben. Zum Beispiel liefern einige Systeme nicht bei jedem Atemzug Sauerstoff.
Trotz der großen Vielfalt von Ansätzen, die unternommen wurden, um Sauerstoffversorgungen zu bewahren und/oder die Größe und das Gewicht des Sauerstoffversorgungsgeräts zu reduzieren, ist noch keine Übereinstimmung über die am besten geeignete Art erzielt worden, Sauerstoff einzusparen und den Patienten adäquat medizinisch zu behandeln.
Die einfachsten Ansätze, Sauerstoff einzusparen, umfassen die Detektion der Inhalation als einen Auslöser, um Sauerstoff zuzuführen. Eine Vielfalt von Detektionsvorrichtungen wurden bei der Verfolgung dieses Grundansatzes zur Steuerung der Sauerstoffversorgung entwickelt, einschließlich eines Brustgurtes, der durch den Patienten getragen wird, der ein elektrisches Signal erzeugt, um die Öffnung des Sauerstoffversorgungsventils auszulösen; einer handbetätigten Atmungsvorrichtung, die an einer tragbaren Gasflasche über einen Versorgungsschlauch angebracht ist, bei der Benutzer den Sauerstoff durch Drücken eines Knopfes verabreichen würden, während die Vorrichtung nahe an ihren Mund gehalten wird; ein mechanischer Brustgurt/Ventil, die sowohl als Inhalationssensor als auch als Zuführvorrichtung in einem Sauerstoffeinsparungssystem dienen; und eine vollpneumatische, strömungstechnische Vorrichtung.
Ein anderer Ansatz verwendet Drucksensoren in der Sauerstoffleitung, um den Leitungsdruck an den Nasenlöchern zu überwachen. Ein kleiner negativer Druck, der für den Anfang der Inhalation kennzeichnend ist, löst die Freisetzung von Sauerstoff aus. Diese Art des Feststellungsschemas ist zum Standardverfahren geworden und wird durch die meisten Systeme eingesetzt, die gegenwärtig in Gebrauch sind. Die Systeme versuchen, eine physiologisch äquivalente Dosis Sauerstoff bereitzustellen, verglichen mit einem kontinuierlichen Strom, indem sie einen Stoß Sauerstoff am Anfang der Inhalation bereitstellen. Indem mehr Sauerstoff am Anfang der Inhalation bereitgestellt wird, wenn er physiologisch nützlicher ist, streben es die leistungsfähigsten dieser Systeme an, imstande zu sein, den Sauerstoffverbrauch zu reduzieren.
Die vorhandenen Bedarfszuführungsvorrichtungen liefern einen wirtschaftlichen Vorteil in der Form von Sauerstoffeinsparungen (und verminderten Wartungsbesuchen), jedoch geschieht dies häufig auf Kosten des Niveaus der medizinischen Pflege. Insbesondere ist festgestellt worden, daß einige Patienten aufgrund der Verwendung bekannter Bedarfszuführungsvorrichtungen mangelhafte Sauerstoffpegel in ihrem Blut aufwiesen. Bestimmte Aktivitäten, wie Übungen und Schlaf, bewirken, daß der Bedarf des Körpers an Sauerstoff in einer unvorhersagbaren Weise fluktuiert. Die chronische Hypoxämie, die durch die Verordnung einer Sauerstofftherapie korrigiert wird, wird nicht völlig durch diese Vorrichtungen verbessert.
Da Bedarfszuführungsvorrichtungen und Systeme mit kontinuierlichem Strom die Blutsauerstoffsättigung des Patienten nicht messen, reagieren sie nicht auf eine Änderung des Bedarfs des Patienten, wie er durch einen Abfall der Sauerstoffsättigung angezeigt werden würde. Der Sauerstoffstrom in der Form von Gaspulsen ist in einigen Vorrichtungen fest, wie dem PulseDose von DeVilbiss, da er mit jedem Atemzug zugeführt wird. In anderen Vorrichtungen, wie dem Oxymatic 301 von Chad Therapeutics, wird dem Patienten eine gewisse Einstellmöglichkeit des Stroms erlaubt, indem die Frequenz der Pulse als Funktion der Anzahl der Atemzüge festgelegt wird; d.h. ein Puls jeden vierten Atemzug, ein Puls jeden zweiten Atemzug usw. Keiner dieser Bedarfszuführungssystemtypen ist imstande, sich direkt Fluktuationen des Blutsauerstoffpegels zuzuwenden, der durch den Benutzer erlebt wird.
Während es in der Tat allgemein bekannt ist, daß vorhandene Arten der Sauerstofftherapie für die meisten Patienten minde stens manchmal inadäquat sind (das heißt, akute Perioden von Hypoxie, SaO₂ < 88%, können bei praktisch alle Patienten während eines gewissen Bruchteils jedes Tages festgestellt werden), ist es ein weiteres Problem, dem sich die bekannten Vorrichtungen und Verfahren nicht annehmen, daß der Durchschnitts-COPD-Patient während eines beträchtlichen Teils jedes Tages mehr Sauerstoff erhält, als benötigt. Zum Beispiel wiesen die Sauerstoff-Patienten, die durch Decker, u.a. (Chest 1992) untersucht wurden, eine SaO₂, die größer als 90% war, für mehr als 70% der Zeit auf, die sie damit verbrachten, Raumluft ohne jeden zusätzlichen Sauerstoff zu atmen. In einer anderen Studie von noch kränkeren Patienten (Sliwinski, u.a., European Respiratory Journal 1994) war SaO₂ größer als 88% für 40% der Zeit, während sie Raumluft atmeten, und größer als 92% (höher als notwendig) für etwa 70% der Zeit, in der sie ihren zusätzlichen Sauerstoff verwendeten. Der Mangel der Verfahren und/oder Systeme an einer Steuerung der Obergrenze des Blutsauerstoffgehalts führt zu beträchtlichen Mengen von verschwendetem Sauerstoff.
Vorrichtungen, die den Sauerstoffstrom beruhend auf Blutsauerstoffmessungen aus verschiedenen Typen von Sensoren steuern, sind für eine Vielfalt von Anwendungen beschrieben worden. Jedoch war keine dieser Vorrichtungen für einen Gebrauch in der Wohnung durch subakute COPD-Patienten bestimmt, keine hatte das Ziel oder die Aufgabe, so viel Sauerstoff wie möglich einzusparen, während immer noch ein gesunder Blutsauerstoffpegel aufrechterhalten wird, und keine verwendete ein gepulstes Bedarfs-Zuführungsverfahren zur Einsparung von Sauerstoff.
Messungen der Blutsauerstoffsättigung können in zwei Gruppen von Meßstrategien aufgeteilt werden: invasiv und nicht-invasiv. Eine invasive Messung, die die vorhandene Technologie verwendet, erfordert es, daß Blut aus dem Körper entnommen wird und die Probe in einem Blutgasanalysator gegeben wird. Ein üblicher nicht-invasiver Blutsauerstoffsensor ist ein Pulsoxime ter, das auf den Unterschieden der Lichtabsorptionskurven von gesättigtem und ungesättigtem Hämoglobin in den Infrarot- und nahen Infrarotabschnitten des Spektrums beruht. Der typische Pulsoximetersensor enthält zwei LEDs, eine rote und eine infrarote. Wenn das Licht der beiden LEDs durch ein Kapillarbett an der Anbringungsstelle geht, wie sie am Finger zu finden ist, wird das Licht teilweise durch das Blut und Gewebe absorbiert und wird dann durch einen Photodetektor detektiert. Das durch den Photodetektor erzeugte elektrische Signal, das proportional zur Lichtmenge ist, die durch den Körper absorbiert wird, wird zum Oximeter übertragen. Die Absorptionsmessungen können schnell gemacht werden, bis zu 500 mal pro Sekunde für jede LED. Aufgrund der pulsierenden Beschaffenheit von arteriellem Blut wird sich die Absorption als Funktion der Zeit geringfügig mit der Frequenz des Pulses ändern. Die läßt es zu, daß das Oximeter die arterielle Blutsauerstoffsättigungsinformation aus dem Hintergrundrauschen extrahiert, das durch Absorption im Gewebe verursacht wird, das zwischen den LEDs und dem Photodetektor angeordnet ist. Pulsoximetrie ist eine gut akzeptierte Technik und kann in Maschinen gefunden werden, die zur Überwachung von Patienten unter Anästhesie, Patienten, die an Schlafuntersuchungen teilnehmen, und zur Neonatalüberwachung verwendet werden.
DE 43 09 923 A1 offenbart ein System und Verfahren zur Zuführung von Sauerstoff zu einem Patienten, die Pulsoximetrie verwenden, um eine Grundmenge Sauerstoff mit einer zusätzlichen Menge Sauerstoff zu ergänzen.
EP-A-0 973 443 offenbart ein weiteres System zur Lieferung von Atmungssauerstoff an einen Patienten, das den Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPC repräsentiert.
Es sind einige Verfahren und Systeme zur Steuerung der Sauerstoffzuführung zu Patienten in Intensivpflegeeinrichtungen offenbart worden. Einige der Systeme verwenden Rückkopplungs schleifensteuereinrichtungen, die das Blutsauerstoffsättigungssignal SpO₂ aus einem Pulsoximeter verwenden, um den eingeatmeten Sauerstoffbruchtteil (FIO₂) im Atemgas zu steuern, das durch einen mechanischen Ventilator zugeführt wird, in dem Sauerstoff mit Luft gemischt wird, um einem Patienten durch eine Maske oder Haube eine genaue Menge Sauerstoff zuzuführen. Diese Systeme sind zur Pflege von kritisch kranken Patienten bestimmt, die eine Behandlung in Krankenhäusern wegen schwerer Atemwegsleiden erhalten, die durch einen chronischen Zustand oder einen Umfall verursacht sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist im Anspruch 1 definiert und stellt Zuführungssysteme für zusätzlichen Atmungssauerstoff bereit, die eine gesunde Blutsauerstoffsättigung in subakuten Patienten aufrechterhalten, die zusätzlichen Sauerstoff empfangen, durch Steuerung der Dosierung von Sauerstoff mit einer gemessenen Reaktion auf die tatsächlichen Blutsauerstoffsättigungspegel des Patienten. Dieser geschlossene Regelkreis des Sauerstoffstroms für COPD-Patienten sorgt sowohl für gesunde Blutsauerstoffpegel als auch für eine beträchtliche Sauerstoffeinsparung, indem die Zuführung von zusätzlichem Atmungssauerstoff während jenen Zeiten reduziert oder verhindert wird, wenn der Patient einen erwünschten Blutsauerstoffpegel aufweist.
Die vorliegende Offenbarung stellt außerdem ein Verfahren zum Steuern einer zusätzlichen Sauerstoffzuführung während der subakuten Pflege bereit, durch kontinuierliche Messung des Blutsauerstoffgehalts eines Patienten, um einen gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel zu erhalten; Zuführen von zusätzlichem Sauerstoff aus einer Sauerstoffquelle zum Patienten, wenn der Patient einatmet, wenn der gemessene Blutsauerstoffgehaltspegel unter einem Sollwert liegt; und Beschränken der Zuführung zusätzlichen Sauerstoffs, wenn der gemessene Blutsauerstoffgehaltspegel des Patienten über dem Sollwert liegt.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Steuern einer zusätzlichen Sauerstoffzuführung zur subakuten Pflege bereit, durch kontinuierliche Messung des Blutsauerstoffgehalts eines Patienten, um einen gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel zu erhalten; Abtasten von Variationen der Atmung des Patienten, um festzustellen, wenn der Patient einatmet; Zuführen von zusätzlichem Sauerstoff aus einer Sauerstoffquelle zum Patienten durch eine Zuführungsvorrichtung für zusätzlichen Sauerstoff, wenn der Patient einatmet, wenn der gemessene Blutsauerstoffgehaltspegel unter einem Sollwert liegt; und Beschränken der Zuführung zusätzlichen Sauerstoffs zum Patienten durch die Zuführungsvorrichtung für zusätzlichen Sauerstoff, wenn der gemessene Blutsauerstoffgehaltspegel des Patienten über dem Sollwert liegt.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Steuern einer zusätzlichen Sauerstoffzuführung zur subakuten Pflege bereit, durch kontinuierliche Messung des Blutsauerstoffgehalts eines Patienten, um einen gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel zu erhalten; Zuführen einer variablen Dosis zusätzlichen Sauerstoffs aus einer Sauerstoffquelle zum Patienten, wenn der Patient einatmet, wobei die variable Dosis mindestens teilweise beruhend auf dem gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel bestimmt wird.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Steuern einer zusätzlichen Sauerstoffzuführung zur subakuten Pflege bereit, durch kontinuierliche Messung des Blutsauerstoffgehalts eines Patienten, um einen gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel zu erhalten; Abtasten von Variationen der Atmung des Patienten, um festzustellen, wenn der Patient einatmet; Zuführen einer variablen Dosis zusätzlichen Sauerstoffs aus einer Sauerstoffquelle zum Patienten durch eine Zuführungsvorrichtung für zusätzlichen Sauerstoff, wenn der Patient einatmet, wobei die variable Dosis zusätzlichen Sauer stoffs mindestens teilweise auf einer Differenz zwischen dem Sollwert für den gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel und dem gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel beruht.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Abtasten von Variationen der Atmung eines Patienten bereit, durch Bereitstellen eines Strömungssensors, der mit dem Atemstrom eines Patienten in Fluidverbindung steht; Überwachen des Strömungssensors, um festzustellen, wenn der Patient Luft einatmet; und Überwachen des Strömungssensors, um festzustellen, wenn der Patient Luft ausatmet.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Bedarfszuführungsverfahren zum Steuern der Zuführung von Sauerstoff zu einem Patienten bereit, durch Bereitstellen eines Strömungssensors, der mit dem Atemstrom eines Patienten in Fluidverbindung steht; Überwachen des Strömungssensors, um festzustellen, wenn der Patient einatmet; Zuführen von Sauerstoff zum Patienten, wenn der Patient einatmet; Überwachen des Strömungssensors, um festzustellen, wenn der Patient ausatmet; Beschränken der Zuführung von Sauerstoff zum Patienten, wenn der Patient ausatmet.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Zuführung von zusätzlichen Sauerstoff für die subakute Pflege bereit, wobei das System einen Blutsauerstoffgehaltspegelsensor; eine Quelle von zusätzlichem Sauerstoff; ein Ventil, das mit der Quelle des zusätzlichen Sauerstoffs in Fluidverbindung steht; und eine Steuereinrichtung aufweist, die imstande ist, das Ventil zu betätigen, wobei die Steuereinrichtung den Strom durch das Ventil einschränkt, wenn der Blutsauerstoffgehaltspegel, der durch den Blutsauerstoffgehaltspegelsensor gemessen wird, über einem Sollwert liegt.
Wie sie in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bezeichnen die Ausdrücke „zusätzlicher Sauerstoff" und „zusätzlicher Atmungssauerstoff" Sauerstoff, der dem Patienten zusätzlich zu dem Sauerstoff verabreicht wird, der durch den Patienten durch die Inspiration von Raum- oder Umgebungsluft aufgenommen wird. Da Raumluft einigen Sauerstoff enthält, wird der zusätzliche Sauerstoff zusätzlich zu dem Sauerstoff bereitgestellt, der normalerweise durch den Patienten eingeatmet würde.
Wie er in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird der Ausdruck „Blutsauerstoffgehalt" und „Blutsauerstoffgehaltspegel" typischerweise verwendet, um die Blutsauerstoffsättigung zu bezeichnen, die für gewöhnlich als Prozentsatz des sauerstoffgesättigten Hämoglobins (SpO₂) gemessen wird, obwohl es sich auch auf jede geeignete Messung zur Bestimmung des Pegels der Sauerstoffanlagerung im Blut eines Patienten beziehen kann. Zum Beispiel wird verstanden werden, daß der Blutsauerstoffgehalt beruhend auf Daten aus einem CO-Oximeter erhalten werden kann. Ferner kann der Blutsauerstoffgehalt auch beruhend auf Partialdrücken von Sauerstoff (PaO₂) erhalten werden.
Wie er in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck „subakute Pflege" auf eine Pflege, die dem Patienten gegeben wird, die nicht dazu bestimmt ist, kritische Zustände zu behandeln. Typischerweise wird eine subakute Pflege Patienten in Wohnumgebungen gegeben. „Wohn-" umfaßt vorzugsweise z.B. Wohnungen und Langzeitpflegeeinrichtungen (wie Pflegeheime). Eine subakute Pflege schließt auch die Pflege ein, die in ambulanten Situationen gegeben wird, d.h. wenn der Patient mit normalen Aktivitäten außerhalb seiner Wohnung beschäftigt ist, wie Einkaufen, Konzerten oder anderen Ereignissen beiwohnen, zu Verabredungen mit Gesundheitsfürsorgefachleuten unterwegs sein usw.
Wie er in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bedeutet der Ausdruck „kontinuierlich" (wenn er sich auf die Messung von Blutsauerstoffgehaltspegeln bezieht), daß der Blutsauerstoffgehaltspegel des Patienten ununterbrochen oder an (festen oder variablen) Intervallen gemessen wird, die ausreichend klein sind, um die Vorteile der Erfindung bereitzustellen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei einer Durchsicht der detaillierten Beschreibung der Erfindung und beigefügten Zeichnungen deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems.
2 ist ein Blockdiagramm eines Bedarfszuführungsmoduls zur Verwendung in einen System, wie dem in 1 dargestellten.
3a ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
3b ist ein Ablaufdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Zuführung zusätzlichen Sauerstoffs beruhend darauf, ob die gemessenen Blutsauerstoffgehaltsdaten gültig oder ungültig sind.
Detaillierte Beschreibung von veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung
Wie oben beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung eine Bedarfsatmungssauerstoffzuführungsvorrichtung zur Verwendung in der subakuten Pflege bereit, die die gesunde Blutsauerstoffsättigung in Patienten durch eine gesteuerte Dosierung von Sauerstoff mit einer gemessenen Reaktion auf den tatsächlichen Blutsauerstoffgehalt des Patienten aufrechterhält. Die Dosierung kann durch eine einfache Ein-/Aus-Steuerung der Zuführung von Sauerstoff oder der Sauerstoffmenge bereitgestellt werden, die an den Patienten geliefert wird, wobei jede Inhalation als Reaktion auf den Bedarf des Patienten variiert werden kann, wie durch ein weiter entwickeltes Steuerschema festgelegt wird, wie einen Proportional-Integral-Differential- (PID)- Schleifensteueralgorithmus, der die Differenz zwischen dem gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel des Patienten und einem erwünschten oder Sollblutsauerstoffgehaltspegel nutzt.
Die Systeme der vorliegenden Erfindung sind insbesondere auf Patienten gerichtet, die zusätzlichen Sauerstoff in einer subakuten Pflegeumgebung erhalten, bevorzugter in einer Wohnumgebung. Die Bedürfnisse und Überlegungen von Patienten, die zusätzlichen Sauerstoff in der subakuten Pflege erhalten, unterscheiden sich von denen, die vorhanden sind, wenn Sauerstoff an Patienten in Intensivpflegeumgebungen verabreicht wird, in denen die Sauerstoffmengen, die an Patienten verabreicht werden, sorgfältig in Verbindung mit Masken oder anderen Einschließungen kontrolliert werden, die es typischerweise nicht zulassen, daß die Patienten Raumluft in unkontrollierter Weise einatmen. In diesen Situationen wird die Bruchteilmenge des eingeatmeten Sauerstoffs (FIO₂) typischerweise gesteuert, indem Sauerstoff und Luft in einem Mischer oder einer anderen Vorrichtung gemischt werden, bevor das Gas an den Patienten verabreicht wird.
Unter den Vorteilen der vorliegenden Erfindung befinden sich eine bedeutende Einsparung von Sauerstoff, die bereitgestellt wird, indem nur die Menge Sauerstoff verabreicht wird, die benötigt wird, um einen gesunden Blutsauerstoffgehalt aufrechtzuerhalten, und die Fähigkeit, sich therapeutischen Problemen zuzuwenden, die mit Bedarfszuführungssystemen verbunden sind, indem an den Patienten die korrekte Menge Sauerstoff geliefert wird, um unkontrollierte hypoxische Vorkommnisse zu reduzieren.
Die Sauerstoffmengen, die durch die vorliegende Erfindung eingespart werden können, können beträchtlich sein, sogar verglichen mit bekannten Bedarfszuführungssystemen, die Sauerstoff einsparen, indem sie einfach die Zuführung während der Atmung des Patienten ein oder ausschalten. Studien haben Sauerstoffeinsparungsverhältnisse von 3:1 bis 7:1 für bekannte Bedarfszuführungssysteme berichtet. Mit anderen Worten kann eine feste Menge Sauerstoff drei- bis siebenmal so lange reichen, als dieselbe Menge Sauerstoff in einem System zur zusätzlichen Sauerstoffzuführung, das kein einfaches Bedarfszuführungssystem enthält. Die Implementierung der erfindungsgemäßen Verfahren durch die Verwendung eines Bedarfszuführungsverfahrens mit einem Rückkopplungssteuermechanismus, der auf eine kontinuierliche Blutsauerstoffanlagerungsmessung reagiert, könnte ein Sauerstoffeinsparungsverhältnis von mehr als 13:1 liefern, während die SaO₂ des Patienten auf dem 90%-Pegel gehalten wird.
Andere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Fähigkeit, die Erfindung in jedes System zur zusätzlichen Sauerstoffversorgung in der subakuten Pflege einzugliedern, was sowohl ambulante als auch stationäre Quellen einschließt. Bei Quellen mit unbegrenztem Volumen, wie Sauerstoffkonzentratoren und Membranabscheidern, wird die Erfindung ihre Größe und ihren Energieverbrauch für ein gegebenes Therapieniveau reduzieren. Bei Gasquellen mit einem festen Volumen, wie Flüssig- und Hochdruckgas, wird die Erfindung die Lebensdauer der Sauerstoffversorgung verlängern, wodurch die Kosten zur Bereitstellung dieser Behandlung beträchtlich gesenkt werden.
Wenn das System ambulant ist, kann die vorliegende Erfindung Verminderungen der Größe und des Gewichts der Sauerstoffquelle zulassen, wodurch die Mobilität des Patienten erhöht wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Reduzierung der Größe und/oder des Gewichts der ambulanten Systeme ist die Möglichkeit eines besseren therapeutischen Ergebnisses. Wenn Patienten die kleineren, leichteren Systeme kosmetisch weniger unattraktiv finden, werden sie wahrscheinlicher die Systeme während ambulanter Aktivitäten tragen und verwenden, im Gegensatz dazu, die Systeme nicht zu verwenden. Studien haben gezeigt, daß der Vor teil von Systemen für zusätzlichen Sauerstoff beträchtlich reduziert wird, wenn die Systeme nicht auf einer regelmäßigen Basis verwendet werden.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist eine Verminderung der Gefahr einer Hyperkapnie (Kohlendioxidretention), indem nur genug Sauerstoff bereitgestellt wird, um eine vorbestimmte Blutsauerstoffsättigung von typischerweise etwa 90% zu erreichen, die durch ein herkömmliches Zweifarbenpulsoximeter gemessen wird.
Eine Ausführungsform eines automatisierten Atmungssauerstoffzuführungssystems wird in 1 dargestellt und umfaßt eine Steuereinrichtung 10, ein Bedarfszuführungsmodul 12 und einen Blutsauerstoffgehaltssensor 14, der mit dem Patienten 16 verbunden ist. Sauerstoff wird dem Patienten 16 aus einer Sauerstoffquelle 20 durch das Bedarfszuführungsmodul 12 in der bevorzugten Ausführungsformen durch eine Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff zugeführt. Das bevorzugte System kann außerdem eine Benutzerschnittstelle 32 und eine Alarmvorrichtung 38 aufweisen.
Die Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff ist vorzugsweise eine Nasenkanüle, wie in 1 dargestellt, obwohl es zu verstehen sein wird, daß die Zuführungsvorrichtung für zusätzlichen Sauerstoff die Form jeder Vorrichtung annehmen kann, die dazu bestimmt ist, zusätzlichen Atmungssauerstoff an einen Patienten liefern, während sie nicht verhindert, daß der Patient zusätzlich zum zusätzlichen Atmungssauerstoff aus einer Sauerstoffquelle außerdem Raum- oder Umgebungsluft einatmet. Beispiele anderer Vorrichtungen zur zusätzlichen Sauerstoffzuführung umfassen: Trachealkatheter, Nasenmasken, die zur Verwendung mit Systemen für kontinuierlichen positiven Atemwegsdruck (CPAP) bestimmt sind, belüftete Masken, die sowohl die Nase als auch den Mund bedecken, jedoch die Inspiration von Raumluft in unkontrollierten Mengen zusätzlich zum zusätzlichen Sauerstoff zulassen, der an die Maske geliefert wird, usw., sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Sauerstoffquelle 20 könnte ein Sauerstoffkonzentrator, ein Membranabscheider, eine Hochdruckflasche oder ein Dewar-Gefäß mit flüssigem Sauerstoff sein. Dies könnte auch alle tragbaren Modelle von Sauerstoffquellen 20 einschließen. Es können in der Zukunft andere potentielle Quellen von Sauerstoffgas geschaffen werden, die zur Bereitstellung von zusätzlichen Sauerstoff in der subakuten Pflege in einer Wohnumgebung und/oder ambulanten Situationen geeignet sind, und sollten als funktionsfähig mit der beschriebenen Erfindung angesehen werden. Wie sie unten verwendet wird, wird sich „Leitung" auf irgendeine Verbindung beziehen, die zwischen der Sauerstoffquelle, der beschriebenen Erfindung und dem Patienten hergestellt wird.
Wenn die Sauerstoffquelle 20 ein Sauerstoffkonzentrator ist, typischerweise eine kontinuierliche Niederstrom-Vorrichtung, die üblicherweise höchstens 6 Liter/min 96% Sauerstoff liefert, kann das System außerdem eine Sauerstoffspeichervorrichtung enthalten, um sich an die periodischen höheren Ströme anzupassen, die notwendig sind, um das unten beschriebene Verfahren zu praktizieren. Wenn Hochstrom-Konzentratoren verfügbar werden, würde eine solche Vorrichtung nicht benötigt.
Eine Steuereinrichtung 10 ist eine elektronische Schaltung, die einen Software-programmierbaren Mikrocontroller als ihre Hauptkomponente aufweist. Abhängig von der Zuordnung der Aufgaben innerhalb der Vorrichtung könnten eine Anzahl von Mikrocontrollern als eine Steuereinrichtung 10 verwendet werden. In einer Ausführungsform umfaßt die Steuereinrichtung 10 einen seriellen Dateneingangsanschluß, einen A/D-Wandler, LED-Treiberfähigkeiten und digitale I/O-Stifte. Ein Beispiel einer geeigneten Steuereinrichtung ist der PlC 16C74A Mikrocontroller von Microchip Technology Inc., Chandler, Arizona.
Fachleute werden erkennen, daß sehr viele Optimierungen hinsichtlich der Auswahl eines Mikrocontrollers(n) vorgenommen werden können. Spezifikationen, wie die Leistungsaufnahme, die Kosten, die Speichergröße, Taktgeschwindigkeit und Teileverfügbarkeit können die Auswahl für einen bevorzugten Mikrocontroller ändern. Ferner könnten viele der Funktionen, die für den Mikrocontroller beschrieben werden, in der bevorzugten Ausführungsform durch die Verwendung diskreter Schaltungen vieler Typen erreicht werden. Zusätzlich können der Mikrocontroller und sein Peripherieschaltungskomplex als ganzes durch einen diskreten Schaltungskomplex ersetzt werden, wie programmierbare Logikanordnungen, A/D-Wandlerchips, analoge Komparatoren usw.
Das System umfaßt auch einen Sauerstoffgehaltssensor 14 zur Überwachung des Blutsauerstoffgehalts des Patienten 16. Ein geeigneter Sensor 14 umfaßt ein Sensorsteuermodul 14a und einen Sensor 14b, der typischerweise durch eine gewisse geeignete Technik am Patienten 16 befestigt oder angebracht ist. Die Information aus dem Sauerstoffgehaltssensor 14 wird zur Steuereinrichtung 10 zur Verwendung bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahren zurückgeführt. Es wird bevorzugt, ist aber nicht erforderlich, daß der Sauerstoffsensor 14 ein Signal in der Form einer Blutsauerstoffsättigung in Prozent an die Systemsteuereinrichtung 10 liefert. Der Sensor 14 verarbeitet vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, alle seine Daten intern, und die Steuereinrichtung 10 verarbeitet vorzugsweise nur Fehlermerker und numerische Informationen, wie in Kürze beschrieben wird.
Ein bevorzugter Sauerstoffsensor 14 ist ein nicht-invasiver Sensor, wie ein Zweifarbenpulsoximeter. Wie sie hierin verwendet werden, werden die Ausdrücke „Pulsoximeter" oder „Sauerstoffsensor" sowohl den optischen Sensor als auch den Schaltungskomplex umfassen, der verwendet wird, um Blutsauerstoffsättigungspegel unter Verwendung des optischen Sensors zu be stimmen. Ein Beispiel eines geeigneten Pulsoximeters ist ein herkömmliches Zweifarben-OEM-II-Oximetermodul von Nonin Medical Inc., Plymouth, MN, das den Prozentsatz des mit Sauerstoff gesättigten Hämoglobins SpO₂ im Blutstrom von In-Vivo-Atemwegen messen kann. Die bevorzugte Ausführungsform des Pulsoximeters 14 verwendet einen Transmissionssensor, der am Finger des Benutzers angebracht ist. Alternative Ausführungsformen können Sensoren einsetzen, die woanders am Körper angebracht werden.
Während das Pulsoximeter ein bevorzugter nicht-invasiver Sauerstoffsensor ist, sollte verstanden werden, daß irgendein invasiver oder nicht-invasiver Blutsauerstoffsensor, der zur (vorzugsweise kontinuierlichen) Bestimmung von Blutsauerstoffgehaltspegeln nützlich ist, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnte. Es sollte Fachleuten auch klar sein, daß am Horizont auftauchende Technologien, wie ein implantierbarer, mikroelektromechanischer (MEMS) Blutgasanalysator die Blutsauerstoffgehaltsinformation liefern kann, die durch die Systemsteuereinrichtung 10 benötigt wird. Ferner kann es Verbesserungen der Pulsoximetrietechnologie geben, wie die Fähigkeit, den Pegel von Carboxyhämoglobin im Blut zu bestimmen, die für die beschriebene Erfindung nützlich sein können. Die Verwendung dieser neuen Blutsauerstoffgehaltstechnologien in Sauerstoffeinsparvorrichtungen zur Langzeitsauerstofftherapie sollte so betrachtet werden, daß sie im Rahmen der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung liegen, vorausgesetzt, sie haben die Fähigkeit, geeignete Blutsauerstoffgehaltsmessungen zu liefern.
In einer Ausführungsform entwickelt das Pulsoximeter 14 die optische Information zu einem Blutsauerstoffsättigungswert SpO₂ in Prozent. Das Oximeter 14 gibt einen seriellen Datenstrom mit dieser Information an die Steuereinrichtung 10 zur Auswertung aus. Eine andere wichtige Information könnte ebenfalls im Oximeterdatenstrom enthalten sein, wie die Pulsfrequenz des Benut zers und Fehlermerker, die die Zuverlässigkeit der SpO₂- und Pulsfrequenzwerte im Detail beschreiben.
Es wird durch Fachleute erkannt werden, daß eine alternative Ausführungsform bereitgestellt werden kann, in der die Systemsteuereinrichtung 10 als das Sensorsteuermodul 14a dient. Folglich würden eine Datenauswertung und Fehlerbehandlung in der Systemsteuereinrichtung 10 ausgeführt werden, wobei ein passender Sauerstoffsensor 14b am Patienten 16 angebracht ist.
Eine Blutsauerstoffgehaltsmessung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung wird als „kontinuierlich" beschrieben, obwohl es zu verstehen sein wird, daß die Messungen, die unter Verwendung von z.B. Pulsoximetern und anderen Vorrichtungen vorgenommen werden, tatsächlich an diskreten Intervallen vorgenommen werden. Wie oben erläutert, umfaßt „kontinuierlich", wie es in Verbindung mit der Messung des Blutsauerstoffgehalts in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Messung der Blutsauerstoffgehaltspegel des Patienten an (festen oder variablen) Intervallen, die ausreichend klein sind, um die Vorteile der Erfindung bereitzustellen. Vorzugsweise werden die Abtastintervalle kleiner als etwa fünf Minuten sein, bevorzugter kleiner als etwa eine Minute, und noch bevorzugter kleiner als ein Atmungsintervall (d.h, die Zeit zwischen dem Anfang zweier Inhalationen durch den Patienten).
Die Information hinsichtlich des Blutsauerstoffgehalts, der durch den Sauerstoffsensor 16 geliefert wird, wird dann durch die Systemsteuereinrichtung 10 in Kombination mit dem Bedarfszuführungsmodul 12 verwendet, um eine Kontrolle über den Sauerstoff bereitzustellen, der dem Patient 16 von der Sauerstoffquelle 20 zugeführt wird, wie in Verbindung mit den folgenden Verfahren beschrieben.
Ein Blockdiagramm, das die Komponenten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bedarfszuführungsmoduls 12 darstellt, wird in 2 gezeigt. Eine Komponente im Bedarfszu führungsmodul 12 ist ein Inhalations- oder Atmungssensor 40, der die Atmungsaktivität des Patienten 16 überwacht, um Variationen der Atmung des Patienten festzustellen. Es wird bevorzugt, daß die Variationen der Atmung die Bestimmung zulassen, wann der Patient einatmet, obwohl tatsächlich auch andere Abschnitte des Atmungszyklus abgetastet werden können. Mit anderen Worten wird vorzugsweise die Inhalation abgetastet, jedoch kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, beruhend auf der Abtastung eines gewissen anderen Zustands, einer Aktivität usw. wie einer Brustbewegung, Exhalation usw. festzustellen, wann eine Inhalation stattfindet.
In einer Ausführungsform liefert der Atmungssensor 40 ein Signal an eine Atmungssensor-/Ventilsteuereinrichtung 42, die wiederum das Ventil 26 beruhend auf einer zusätzlichen Eingabe von der Systemsteuereinrichtung 10 steuert (wie unten detaillierter beschrieben wird).
Der Atmungssensor 40 kann eine Vielfalt von Formen annehmen, die Fachleuten bekannt sein werden. Ein Typ eines geeigneten Atmungssensors 40 überwacht die Strömung in der Leitung, die verwendet wird, um die Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff mit Sauerstoff zu versorgen. Der Sensor 40 in 2 überwacht die Strömung durch das Ventil 26, das in der Leitung zwischen der Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff und der Sauerstoffquelle 20 angeordnet ist. Ein geeigneter Strömungssensor ist ein Honeywell AWM2150 Microbridge Mass Airflow Sensor (erhältlich von Honeywell Corp., Minneapolis, Minnesota).
Ein anderes Merkmal des bevorzugten Atmungssensors 40 ist die Fähigkeit, eine bidirektionale Strömung, d.h. eine Strömung in jede Richtung durch den Sensor 40 abzufühlen. Es wird bevorzugt, daß die Strömung, die durch Einatmen erzeugt wird, eine Spannungsabgabe einer Polarität aus dem Sensor 40 erzeugt, während die Strömung, die durch Ausatmen erzeugt wird, eine Aus gangsspannung der entgegengesetzten Polarität erzeugt. Auf jeden Fall wird es bevorzugt, daß der Sensor 40 imstande ist, sowohl Einatmung als auch Ausatmung zu detektieren.
Zusätzlich zum bevorzugten Strömungssensor sollte zu verstehen sein, daß andere Typen von Sensoren genutzt werden könnten, um Variationen der Atmung zu detektieren, vorzugsweise der Inhalation und Exhalation. Fachleute werden erkennen, daß Druckmeßwertwandler, Thermistoren oder Infrarotdetektoren alle verwendet werden können, um eine Inhalation abzutasten. In einem Beispiel könnte ein Druckmeßwertwandler mit der geeigneten Empfindlichkeit, wie eine Festkörpervorrichtung mit druckabhängigem Widerstand, eine kapazitive oder elektromechanische Vorrichtung verwendet werden, um ein elektrisches Signal als Reaktion auf den Atmungszyklus zu erzeugen. In einem anderen Beispiel könnten Thermistoren verwendet werden, um Änderungen im Luftstrom infolge der Atmung zu detektieren. Wenn der Thermistor ausreichend empfindlich wäre, könnte man imstande sein, den Anfang der Inhalation durch Überwachung der Temperatur eines Thermistors (oder Thermoelements) zu ermitteln, der nahe dem Nasenloch angeordnet ist. Es wäre auch eine Strömungsmessung durch die Verwendung zweier Thermistoren in einer Luftgeschwindigkeitsmesserkonfiguration möglich. Infrarotdetektoren, wie Einzelelement-Bolometer könnten ebenso verwendet werden, wenn sie die Geschwindigkeit und Genauigkeit besitzen, um Variationen in der Atmung zu unterscheiden.
Der Atmungssensor 40 liefert ein Signal an die Atmungssensor-/Ventilsteuereinrichtung 42, die das Signal mit einem vorbestimmten Bezugspegel vergleicht. Die Atmungssensor-/Ventilsteuereinrichtung 42 erkennt den Anfang der Inhalation, indem sie triggert, wenn das Sensorsignal den vorbestimmten Bezugspegel erreicht. Die Atmungssensor-/Ventilsteuereinrichtung 42 liefert dann ein Signal, um den Schieber des Ventils 26 so anzuordnen, daß Sauerstoff von der Versorgung 20 zum Patienten 16 über die Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff strömt. Der Schieber des Ventils 26 bleibt in dieser Position für eine Zeitspanne, der „Dosiszeit" (D), die durch die Systemsteuereinrichtung 10 festgelegt wird. Auf diese Weise kann eine Dosis Sauerstoff der Dauer D geliefert werden, wenn der Patient einatmet.
Ein bevorzugtes Ventil 26 der Ausführungsform der 2 ist ein magnetbetätigtes Dreiwege-Zweistellungsschieberventil mit drei Anschlüssen 26a, 26b, 26c. Ein gemeinsamer Anschluß 26a ist durch die Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff mit den In-Vivo-Atemwegen des Patienten 16 verbunden. Ein normalerweise geschlossener Anschluß 26b ist mit der Sauerstoffquelle 20 verbunden, und ein normalerweise offener Anschluß 26c ist mit dem Atmungssensor 40 verbunden (wobei das andere Ende des bevorzugten Atmungssensors zur Atmosphäre offen gelassen wird). Ein bevorzugtes Ventil 26 wird durch The Lee Company, Westbrook, Connecticut, Modell HDI LHDA0523111H hergestellt.
Wenn dem Patienten 16 kein Sauerstoff zugeführt wird, ist der Schieber des Ventils 26 so angeordnet, daß der gemeinsame Anschluß 26a und der normalerweise offene Anschluß 26c verbunden sind, so daß der Atmungssensor 40, die Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff und der Patient 16 in Fluidverbindung stehen, was der AUS-Position des Ventils 26 entspricht. Dies läßt es zu, daß die Atemanstrengung des Patienten 16 durch den Atmungssensor 40 durch die Überwachung der Strömung detektiert wird, die in der Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff durch inspiratorische und expiratorische Anstrengungen erzeugt wird.
Um dem Patienten 16 Sauerstoff zuzuführen, wird der Schieber des Ventils 26 bewegt, um den gemeinsamen Anschluß 26a und den normalerweise geschlossenen Anschluß 26b zu verbinden, was der AN-Position des Ventils 26 entspricht. Dies läßt wiederum einen Strom Atmungssauerstoff zum Patienten 16 aus der Versorgung 20 durch das Ventil 26 und die Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff zu.
Die AN-Periode für das Ventil 26, die der Dosierungsperiode entspricht, wie unten erläutert wird, ist vorzugsweise kürzer als die Inhalationsperiode für den Patienten. Folglich kann der Patient häufig einatmen, nachdem das Ventil 26 AUS ist (d.h. geschlossen). Um mehrfache Öffnungen des Ventils 26 während einer einzelnen Inhalation zu reduzieren oder zu verhindern, wird es bevorzugt, daß das Ventil 26 geschlossen bleibt, bis der Sensor 40 den Anfang der Exhalation detektiert. Sobald die Exhalation beruhend auf dem Sensor 40 detektiert wird, kann das System dann die Überwachung auf den Anfang der Inhalation hin wiederaufnehmen, woraufhin der Zyklus wiederholt wird.
Da das bevorzugte Ventil 26 ein Ventil mit drei Anschlüssen ist, gibt es eine kurze Periode nach dem Öffnen oder Schließen des Ventils 26, (die „Prellperiode"), wobei die Sensorausgangsspannung Spitzen zeigt oder prellt, weil Sauerstoff aus dem normalerweise geschlossenen Anschluß 26b zum normalerweise offenen Anschluß 26c austritt, während sich der Ventilschieber noch bewegt. Sobald das Ventil 26 vollständig AN oder AUS ist und das Ventilschieber seine Bewegung gestoppt hat, verschwindet das Prellsignal. Es wird bevorzugt, daß die Überwachung des Atmungssensors 40 eingestellt wird, um falsche Ablesungen infolge des Prellsignals zu vermeiden, nachdem das Ventil 26 AN oder AUS geschaltet wird. Diese Einstellung kann die Form einer Verzögerung der Überwachung des Signals annehmen, das durch den Sensor 40 geliefert wird, nachdem sich das Ventil 26 zwischen den AN- und AUS-Positionen bewegt hat, bis das Prellsignal abgeklungen ist.
In einigen Systemen kann das Prellsignal vorteilhaft überwacht und verwendet werden. Das Prellsignal (sei es während der AN- oder AUS-Bewegung des Ventilschiebers erzeugt) kann verwen det werden, um das Vorhandensein von Sauerstoff an der Versorgung 20 zu detektieren. Kein Prellsignal kann anzeigen, daß infolge des Fehlens von Drucksauerstoff am normalerweise geschlossenen Anschluß 26b kein Sauerstoff vorhanden ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Prellsignal, das erzeugt wird, indem das Ventil 26 in die AUS-Position geschaltet wird (d.h. Schließen das Anschlusses 26b), für diese Prüfung verwendet, da dieses Prellsignal typischerweise größer und in seiner Dauer länger als das Prellsignal ist, das erzeugt wird, indem das Ventil 26 in die AN-Position geschaltet wird (d.h. Öffnen das Anschlusses 26b).
Ein anderer Vorteil des Ventils mit drei Anschlüssen 26 ist, daß die Nullströmung-Offsetspannung des Sensors geprüft werden kann, während sich das Ventil 26 in der AN-Position befindet. Das gemessene Sensoroffsetspannungssignal (Vo) kann verwendet werden, um eine Korrektur der Drift der Sensoroffsetspannung zu erzeugen. Nachdem das Ventil 26 länger als die Ventil-AN-Prellperiode AN gewesen ist, kann das Signal aus dem Atmungssensor 40 gelesen und zur Verwendung in z.B. einer durch Software erzeugten Korrektur der Nullströmung-Sensoroffsetspannung verwendet werden. Dieses Sensoroffsetspannungssignal wird aus dem Atmungssensor 40 erhalten, wenn das Ventil 26 AN ist, da unter diesen Umständen keine Strömung durch den Atmungssensor 40 zu erwarten ist (Anschluß 26c ist geschlossen). Zusätzlich kann dies dann, wenn diese Offsetanzeige (als Absolutwert) größer als eine vordefinierte Obergrenze (VoMAX) ist, verwendet werden, um entweder eine Störung des Sensors 40 oder des Ventils 26 anzuzeigen; z.B. daß der Sensor 40 zu weit von der Spezifikation abgewichen ist, das Ventil 26 undicht ist, das Ventil 26 in der AUS-Position klemmt usw.
Das oben beschriebene Bedarfszuführungsmodul 12 ist ein Teilsystem, das mit der Systemsteuereinrichtung 10 kommuniziert und Übertragungen von ihr empfängt. In den beschriebenen Ver fahren empfängt es kontinuierlich aktualisierte Werte der Dosiszeit D. Es wird jedoch verstanden werden, daß Fachleute ein Bedarfszuführungsmodul 12 entwerfen könnten, das mehr oder weniger von der Systemsteuereinrichtung 10 abhängig ist, als in dieser Ausführungsform beschrieben wird. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, ein System aufzubauen, wo der Atmungssensor 40 ein Signal direkt an die Systemsteuereinrichtung 10 liefert, ohne daß eine Atmungssensor-/Ventilsteuereinrichtung 42 vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung 10 würde dann ein Steuersignal direkt an das Ventil 26 liefern als auch die anderen Operationen ausführen, von denen beschrieben wird, daß sie durch die Atmungssensor-/Ventilsteuereinrichtung 42 ausgeführt werden.
Überdies sollte zu verstehen sein, daß alternative Gestaltungen für die Verbindungen des Ventils 26, des Atmungssensors 40, der Sauerstoffquelle 20 und des Patienten 16 durch die Fachleute ersonnen werden können. Es wäre möglich, ein System zu entwerfen, in dem kein Leitungsströmungssensor und/oder Zweiwegeventil mit drei Anschlüssen erforderlich sind. Zum Beispiel könnten die Gestaltungen mehrere Ventile und Sensoren umfassen. Es sollte verstanden werden, daß die Verfahren und Systeme der beschriebenen Vorrichtung unabhängig von der spezifischen Hardwarekonfiguration, die zur Abtastung von Variationen der Atmung verwendet wird, und der spezifischen Ventilkonfiguration arbeiten, die verwendet wird, um den Sauerstoffstrom zu steuern.
Obwohl das oben beschriebene Bedarfszuführungsmodul 12 verwendet wird, um die Zuführung von zusätzlichem Sauerstoff zu einem Patienten aus der Quelle 20 zu steuern, könnten das Bedarfszuführungsmodul 12 und die Verfahren, es zu betreiben, die oben beschrieben werden, eine breitere Anwendung finden. Zum Beispiel könnten sie in Verbindung mit Intensivpflegesystemen verwendet werden, in denen FiO₂ mittels der Verwendung von Masken oder anderen Zuführungsvorrichtungen gesteuert werden soll, die in Verbindung mit z.B. Respiratoren, Ventilatoren, BIPAP-(Positiver Zweipegel-Atemwegsdruck) Systeme usw. verwendet werden. Folglich sind das Bedarfszuführungsmodul und die Verfahren zu deren Betrieb nicht auf die Verwendung in Verbindung mit Systemen und Verfahren zur Zuführung von zusätzlichen Sauerstoff als Teil eines subakuten Pflegesystems beschränkt.
So lange der Datenstrom aus dem Blutsauerstoffgehaltssensor 14 gültig ist (wie unten detaillierter beschrieben wird), kann die Steuereinrichtung 10 die Daten verwenden, um die Zuführung von Sauerstoff an den Patienten zu steuern. Die Rückkopplungssteuerung kann als ein Abschnitt eines Softwarecodes implementiert werden, der in der Steuereinrichtung 10 enthalten ist; jedoch könnte sie in anderen Ausführungsformen alternativ aus einer festverdrahteten Steuereinrichtung oder einer Kombination von Hardware und Software bestehen.
Es existieren eine Vielfalt von Steuerverfahren, die in der vorliegenden Erfindung von Nutzen sind. Das Ziel jedes Steuerverfahrens ist ein stabiler Betrieb des gesteuerten Systems um einen Einstellwert oder Sollwert. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Sollwert eine Blutsauerstoffsättigung (SpO₂) von 90%. Ein Steueralgorithmus, das AN/AUS-Verfahren, wird in 3a als Diagramm dargestellt. Dieses Diagramm setzt voraus, daß die Daten, die durch den Blutsauerstoffgehaltssensor erzeugt werden, gültig sind (die Gültigkeit/Ungültigkeit jener Daten wird unten detaillierter erläutert).
Das System mißt den Blutsauerstoffgehaltspegel 100 des Patienten. Mit dieser Information wird eine Entscheidung 102 getroffen. Wenn der gemessene Blutsauerstoffgehaltspegel nicht unter dem Sollwert liegt, wird kein Sauerstoff geliefert 104. Wenn der gemessene Blutsauerstoffgehaltspegel unter dem Sollwert liegt, wird Sauerstoff geliefert 106. Wenn zum Beispiel der gemessene Blutsauerstoffgehaltspegel nicht unter dem Sollwert liegt, stellt die Steuereinrichtung 10 eine Dosiszeit von null ein (D = 0), wodurch die Zuführung von zusätzlichem Sauerstoff verhindert wird. Alternativ kann das System andernfalls den Strom des Sauerstoffs einschränken, indem z.B. sein Strom in einem Versuch, die Quelle zusätzlichen Sauerstoffs zu erhalten, auf einen sehr niedrigen Wert reduziert wird. Die Reduzierung des Stroms kann erreicht werden, indem ein Ventil mit variablem Strom verwendet wird oder eine Stromeinschränkungsvorrichtung in das System zwischen der Quelle 20 und dem Patienten 16 eingeführt wird. Wenn der gemessene Blutsauerstoffgehalt unter den Sollwert fällt, verabreicht die Steuereinrichtung 10 dem Patienten 16 zusätzlichen Sauerstoff, indem z.B. ein von null verschiedener Wert (D > 0) für die Dosiszeit eingestellt wird oder auf andere Weise der Strom des Sauerstoffs an den Patienten erhöht wird.
So lange der gemessene Blutsauerstoffgehaltspegel unter dem Sollwert bleibt, liefert das System Sauerstoff, wenn der Patient einatmet. In einer verhältnismäßig einfachen Implementierung könnte die „AN"-Dosiszeit D sehr lang sein. Vorzugsweise ist die Dosiszeit jedoch gleich oder kürzer als eine typische Inhalationsperiode, wobei in diesem Fall ein oder mehrere Pulse der Dauer D an Sauerstoff während der Inhalation geliefert werden. Dieses AN/AUS-Steuerverfahren ist analog zur Arbeitsweise eine Ofens mit einem Quecksilberschalterthermostaten, d.h. die Sauerstoffzuführung ist entweder AN oder AUS.
Der Rückkopplungssteueralgorithmus kann alternativ eine Proportional-Integral-Differential- (PID)-Schleife verwenden, wie in 3b dargestellt. Andere Ausführungsformen könnten Algorithmen verwenden, die auf Qualitativaussagenlogik (Fuzzy-Logik), Nachschlagtabellen, P- oder PI-Schleifen oder Erhöhungs-/Verminderungsverfahren beruhen (Sauerstoffzuführung, die sich in einer vorprogrammierten Weise relativ zum Einstellwert und/oder Trend erhöht oder vermindert). Der PID-Algorithmus unterscheidet sich darin fundamental vom einfachen AN/AUS- Steueralgorithmus, daß er den gegenwärtigen Wert des Blutsauerstoffgehalts und außerdem eine Trendinformation verwendet, um festzustellen, ob der Patient zusätzlichen Sauerstoff benötigt, und wenn dem so ist, wie viel Sauerstoff geliefert werden sollte, wenn der Patient einatmet. Aufgrund der Verwendung der Trendinformation wird ein System, das mit einer PID-Schleife gesteuert wird, gelegentlich selbst dann Sauerstoff an den Patienten verabreichen, wenn sein Blutsauerstoffgehalt über dem Sollwert liegt; oder ein anderes Mal kann es keinen Sauerstoff liefern, selbst wenn er unter dem Sollwert liegt. Ein Beispiel davon, wann dies stattfinden könnte, ist wenn der Blutsauerstoffgehalt des Patienten über dem Sollwert lag, jedoch auch sehr schnell fällt. In diesem Fall würde die PID-Schleife eine Sauerstoffzuführung beginnen, bevor der Blutsauerstoffgehalt tatsächlich unter den Sollwert fällt. (Das AN/AUS-Verfahren würde die Sauerstoffzuführung erst beginnen, nachdem sich der Blutsauerstoffgehalt unter dem Sollwert befände). Dies kann es zulassen, daß ein PID-Steuerverfahren effektiver die Fluktuationen des Blutsauerstoffgehalts um den Sollwert reduziert.
Ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines solchen PID-Steuersystems wird in 3b dargestellt, wobei vorausgesetzt wird, daß der Datenstrom des Blutsauerstoffgehaltssensors gültig ist (die Gültigkeit/Ungültigkeit jener Daten wird unten detaillierter erläutert). Das System mißt den Blutsauerstoffgehaltspegel 110 des Patienten. Die gegenwärtige Information wird mit den früheren Daten 112 verglichen, um beruhend auf den Parametern der PID-Schleife 114 festzustellen, wie viel Sauerstoff (d.h. eine variable Dosis) an den Patienten 116 verabreicht werden sollte. Unter gewissen Umständen zeigen die Parameter der PID-Schleife an, daß kein Sauerstoff verabreicht werden soll 118, und unter anderen Umständen wird beruhend auf den Parametern der PID-Schleife eine gewisse variable Dosis Sauerstoff verabreicht werden.
Die bevorzugten Systeme zur Implementierung der dargestellten Verfahren verwenden eine digitale Steuereinrichtung. Folglich muß eine Diskretisierung der folgenden PID-Steuergleichung mit kontinuierlicher Zeit durchgeführt werden: D(tn) = Kp·[e(t) + (1/Ti)·∫e(t')dt' + (Td)·de/dt] (1)wobei D(t) die Sauerstoffdosiszeit zur Zeit t ist, K_p die Schleifenproportionalverstärkung ist, T_i die Integralzeit ist, T_d die Differentialzeit ist, und wobei das Integral über einen Bereich von null bis 1 integriert wird. Die bevorzugte Ausführungsform nutzt eine Diskretisierung erster Ordnung der PID-Gleichung mit kontinuierlicher Zeit. Dies kann in Gleichung 2 erkannt werden, D(tn) = D(tn-1) + A0e(tn) + A1e(tn-1) + A2e(tn-2) (2)wobei D(t) das Steuersignal ist (Sauerstoffdosiszeit), das für eine Zeitspanne t_n erzeugt wird, e(t_n) die Differenz zwischen dem Sollpegel der Blutsauerstoffsättigung (dem Einstellwert) und dem gemessenen Pegel zur Zeit t_n ist. Die Koeffizienten A₀, A₁ und A₂ werden durch die Gleichungen 3–5 unten gegeben: A0 = Kp·(1 + tn/ti + td/tn) (3) A1 = –Kp·(1 + 2·td/tn) (4) A2 = Kp·(td/tn) (5)wobei K_p die Schleifenproportionalverstärkung ist, t_i die Integralzeit ist, t_d die Differentialzeit ist und t_n die Periode der Messung ist (eine Sekunde, wenn das bevorzugte Oximeter verwendet wird).
Wie erwähnt, ist die Quantität e(t_n) die Differenz zwischen dem SpO₂-Wert zur Zeit t_n und dem Sollwert. In einer Ausführungsform wird ein fester Einstellwert von SpO₂ = 90% für den Sollwert verwendet. Der Steueralgorithmus wird Sauerstoffdosen spezifizieren, um die Blutsauerstoffsättigung auf diesem Pegel zu halten. Es wird angenommen, daß dieser Sättigungspegel die notwendige Korrektur für die Hypoxämie des Patienten bereitstellen wird, während gleichzeitig die größte Menge Sauerstoff eingespart wird. Es sollte Fachleuten klar sein, daß der Sollwert (Einstellwert) geändert werden kann, um andere therapeutische und wirtschaftliche Ziele zu erreichen.
Überdies könnte auch ein System implementiert werden, das zusätzliche physiologische Parameter, wie die Pulsfrequenz oder Atmungsfrequenz zusätzlich zum Blutsauerstoffgehalt verwendet, der durch den Sauerstoffsensor bestimmt wird, um einen Sollblutsauerstoffpegel (Einstellwert) zu bestimmen, der sich auf einer rollenden Grundlage ändert. Zum Beispiel kann man die Herzfrequenz verwenden, um den Aktivitätspegel des Patienten zu überwachen und daher einen erhöhten oder verminderten Bedarf an Sauerstoff vorauszusehen und den Einstellwert entsprechend einzustellen. Solche Verfahren würden danach streben, die mögliche erhöhte/verminderte Hypoxämie zu verbessern, die durch eine Änderung des körperlichen Aktivitätspegels verursacht wird.
Nun auf die Gleichungen 3–5 oben bezugnehmend, werden die Übertragungsfunktionskoeffizienten A₀, A₁ und A₂ durch die Einstellung der Schleifenproportionalverstärkung K_p, der Integralzeit t_i, der Differentialzeit t_d und der Zeit zwischen Datenpunkten t_n bestimmt. Die Bestimmung dieser Werte wird typischerweise durch die klinische Überwachung von COPD-Patienten durchgeführt, während das System in Gebrauch ist. Die spezifischen Werte dieser Schleifenparameter werden von den Designzielen, wie der Schleifenstabilität, Überschwingen, Einregelzeit und Genauigkeit abhängen. Verfahren zum Erhalten dieser Werte, die für einen effektiven Betrieb der Steuerschleife sorgen, werden Fachleuten bekannt sein.
In einem Verfahren ist das Steuersignal D(t_n) die Dosiszeit, die benötigt wird, um den Blutsauerstoffpegel auf dem Sollwert zu halten. Das Dosiszeitsignal wird durch die Steuereinrichtung 10 an die Atmungssensor-/Ventilsteuereinrichtung 42 geliefert. Es ist die Dauer der Zeit, in der das Ventil 26 in der AN- oder offenen Position gehalten wird, die es zuläßt, daß Sauerstoff von der Zufuhr 20 zum Patienten 16 geht (über die Zuführungsvorrichtung 18 für zusätzlichen Sauerstoff, die in den 1 und 2 dargestellt wird). Es wird eine Dosis Sauerstoff der Dauer D(t_n) während der Inhalation bereitgestellt (wie durch den Atmungssensor 40 und den Sensor und die Ventilsteuereinrichtung 42 angezeigt, die vorhergehend beschrieben wurden).
Es sollte verstanden werden, daß ebenso andere Verfahren neben der Variation der Dosiszeit eingesetzt werden könnten, um den Blutsauerstoffgehalt des Patienten zu steuern. Zum Beispiel könnte ein System konstruiert werden, das ein Ventil mit variablem Strom (im Gegensatz zum bevorzugten offenen/geschlossenen Ventil) aufweist. In einem solchen System könnte die Steuereinrichtung 10 den Sauerstoffströmungspegel spezifizieren. Die spezifizierte Strömung könnte wiederum für eine feste Zeitspanne am Anfang jedes Atemzugs oder kontinuierlich bereitgestellt werden. Während jener Zeiten, in denen der Patient keinen zusätzlichen Sauerstoff benötigt und/oder nicht einatmet, könnte die Strömung auf einen niedrigen Pegel oder auf null beschränkt werden, dem sich Perioden anschließen, in denen die Strömung höher ist (wenn der Patient zusätzlichen Sauerstoff benötigt und einatmet).
Alternativ könnte der Blutsauerstoffgehalt gesteuert werden, indem bei einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Atemzügen eine Dosis Sauerstoff bereitgestellt wird und dann bei einem oder mehreren nachfolgenden Atemzügen kein Sauerstoff geliefert wird. In diesem Verfahren könnte der Steuerparameter als die Anzahl der Atemzüge beschrieben werden, während denen Sauerstoff geliefert oder nicht geliefert wird. Es sollte verstanden werden, daß Fachleute ein Steuerschema konstruieren könnten, das jedes dieser alternativen Verfahren oder eine Kombination dieser Verfahren verwendet.
Die Steuereinrichtung 10 kann auch eine Minimalgrenze (Dmin) für die Dosiszeit aufweisen. Wenn die Dosiszeit D(t_n), die durch die Gleichung 2 bestimmt wird, kleiner als Dmin ist, wird stattdessen eine Dosiszeit von Dmin verwendet. In einer Ausführungsform wird Dmin null sein. Die Dosiszeit D(t_n), die durch die Gleichung 2 bestimmt wird, wird gelegentlich negativ sein. Dies wird hauptsächlich dann stattfinden, wenn der Blutsauerstoffgehalt des Patienten größer als der Sollwert ist. Da eine negative Dosiszeit physikalisch sinnlos ist, wird die Steuereinrichtung stattdessen eine Dosiszeit von Dmin einsetzen. Natürlich könnte Dmin auch größer als null sein.
Entsprechend würde in einer Ausführungsform die Steuereinrichtung 10 auch eine Maximalgrenze (Dmax) aufweisen. Wenn die Dosiszeit D(t_n), die durch die Gleichung 2 bestimmt wird, größer als Dmax ist, wird stattdessen eine Dosiszeit Dmax verwendet. In einer Ausführungsform ist Dmax gleich dem Doppelten der Vorgabedosis (die unten im Detail beschrieben wird). Dies verhindert die Verabreichung von übermäßigen Mengen Sauerstoff und minimiert folglich das Risiko des Patienten einer Hyperkapnie (Kohlendioxidretention). Fachleute werden erkennen, daß auch andere Werte von Dmax verwendet werden könnten.
In einer anderen Ausführungsform könnte die Steuereinrichtung 10 eine „Anti-Steigerungs"-Vorkehrung enthalten. Da die Dosiszeit Minimal- und Maximalgrenzen haben kann (Dmin und Dmax, die oben beschrieben werden), kann es vorteilhaft sein, eine Anti-Steigerungsvorkehrung einzubauen, um zu verhindern, daß der Integralteil der PID-berechneten Dosiszeit zu groß oder zu klein wird. Eine Art, wie dies implementiert werden könnte, ist wie folgt: Wenn die vorhergehende PID-berechnete Dosiszeit D(t_n-1) (aus den Gleichungen 2–7) kleiner als Dmin oder größer als Dmax ist, wird der Integralterm aus der Gleichung 3 gestrichen (d.h. Gleichung 3 wird durch die folgende Gleichung 3a ersetzt): A0 = Kp·(1 + td/tn) (3a)
In erfindungsgemäßen Systemen wird die Fähigkeit bereitgestellt, auf Perioden ungültiger oder fehlerhafter Daten in den Blutsauerstoffgehaltsmessungen zu reagieren. Die Zuführung von Sauerstoff bewegt sich beruhend auf den Kriterien, die hierin beschrieben werden (d.h. Vorgabewerte, interpoliere Daten usw.) von der geschlossenen Regelschleife, die hierin beschrieben wird, zur offenen Regelschleife, und zurück zur geschlossenen Regelschleife, wenn die Blutsauerstoffmessungen wieder gültig sind. 4 veranschaulicht diese Konzepte. Wie gezeigt, erhält das System einen gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegel 120. Es wird dann eine Entscheidung bezüglich dessen getroffen, ob die gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegeldaten gültig oder ungültig sind 122. Das System kann dann auf einer Punkt-zu-Punkt-Grundlage entscheiden, ob die gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegeldaten ungültig sind, oder es kann entscheiden, ob der Datenstrom (der mehrere Datenpunkte enthält) ungültig ist, wie unten erläutert wird. Dennoch wird eine Entscheidung bezüglich dessen getroffen, ob die gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegeldaten gültig sind. Wenn die gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegeldaten ungültig sind, wird das System eine vorgegebene Menge Sauerstoff an den Patienten 124 liefern. Wenn die gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegeldaten gültig sind, wird das System Sauerstoff an den Patienten 126 gemäß des geeigneten Steueralgorithmus liefern (AN/AUS, PID-Schleifen usw.).
Mit anderen Worten werden die erfindungsgemäßen Systeme feststellen, wenn die Blutsauerstoffgehaltsdaten ungültig sind, eine vorgegebene Menge Sauerstoff während Perioden ungültiger Daten zuführen und dann die Zuführung von zusätzlichem Sauerstoff beruhend auf dem Blutsauerstoffgehalt wiederaufnehmen, wenn die Daten wieder gültig sind. Die Fähigkeit der Systeme der vorliegenden Erfindung, sich von der geschlossenen zur offenen und zurück zur geschlossenen Regelschleife zu bewegen, stellt ein robustes System bereit, das mit einem Minimum an Aufsicht durch ärztliches Personal arbeiten kann. Diese Qualitäten sind in jedem System wesentlich, das zur ambulanten Verwendung oder in der Wohnumgebung durch subakute Patienten bestimmt ist.
Die folgende Beschreibung veranschaulicht einige bevorzugte Ausführungsformen, die diese Merkmale erreichen, jedoch sollte zu verstehen sein, daß die vorliegende Erfindung in ihrer Substanz für jene Bewegung von einer geschlossenen Regelschleife zur offenen Regelschleife und zurück zur geschlossenen Regelschleife beruhend auf dem Vorhandensein gültiger oder ungültiger Blutsauerstoffgehaltsmessungen sorgt.
In einer Ausführungsform wird, bevor die gemessene Blutsauerstoffsättigungsanzeige (SpO₂) zur Bestimmung der Dosiszeit D von Sauerstoff verwendet wird, der an den Patienten 16 aus der Sauerstoffquelle 20 verabreicht werden soll, verschiedenen Fehlerverarbeitungs- und Artefaktfeststellungsprozeduren gefolgt, um eine irrtümliche Über- oder Unterdosierung des Sauerstoffs für den Patienten zu verhindern. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Fehlermerker, die durch den Sauerstoffsensor 14 im seriellen Datenstrom bereitgestellt werden, mit einer numerischen Analyse der SpO₂-Daten kombiniert, um ein Artefaktfeststellungs- und Verarbeitungsschema zu schaffen.
Der serielle Datenstrom des bevorzugten Pulsoximeters 14 liefert einen Datenpunkt pro Sekunde. Jeder Datenpunkt umfaßt drei Bytes Informationen, wie folgt:

1. Byte = Status Bit 7 = Immer auf „1" gesetzt Bit 6 = Sensor getrennt, gesetzt, falls wahr Bit 5 = entgleist, gesetzt, falls wahr Bit 4 = niedrige Perfusion, gesetzt, falls wahr Bit 3 = an der Grenze liegende Perfusion, gesetzt, falls wahr Bit 2 = fehlerhafter Puls, gesetzt, falls wahr Bit 1 = Herzfrequenz-Bit 8 Bit 0 = Herzfrequenz-Bit 7
2. Byte = Herzfrequenz (511 = fehlerhafte Daten) Bit „7" ist immer auf „0" gesetzt Herzfrequenz-Daten = Bits 0–6 Plus-Bits 0 & 1 des Statusbyte, um 9 Bits Auflösung bereitzustellen
3. Byte = SpO₂ (127 = fehlerhafte Daten)

Das erste Byte des Datenpunkts kann Fehlermerker für einige Probleme enthalten, die mit der Pulsoximetrie verbunden sind. Diese Merker werden auf das Auftreten eines getrennten Sensors, einer niedrigen oder an der Grenze liegenden Perfusion, eines entgleisten Oximeters und fehlerhaften Pulses untersucht. Wenn irgendeiner dieser Merker gesetzt ist, werden die beigefügten SpO₂- und Herzfrequenz-Daten als fehlerhaft betrachtet. Wenn festgestellt wird, daß der Datenpunkt fehlerhaft ist, wird ein Zeitgeber (Timer1) durch die Steuereinrichtung 10 gestartet (wenn er nicht schon aufgrund eines früheren fehlerhaften Datenpunkts läuft), der dann auf den nächsten Datenpunkt wartet. Die Funktion von Timer1 ist es, die Summenzeit zu verfolgen, über die aufeinanderfolgende fehlerhafte Datenpunkten empfangen werden. Der Zeitgeber 1 wird jedesmal gestoppt und auf null rückgesetzt, wenn ein gültiger oder zuverlässiger Datenpunkt empfangen wird.
Wenn jedoch keiner der Merker gesetzt wird, kann eine zweite Fehlerprüfung unter Verwendung einer statistischen Analyse der Daten durchgeführt werden. Der neue Datenpunkt wird mit einem Mittelwert der vorhergehenden Datenpunkte verglichen, der den gegenwärtigen Blutsauerstoffgehalt des Patienten repräsentiert. Die Einzelheiten der Berechnung dieses Mittelwerts werden im folgenden beschrieben. Der gegenwärtige Datenpunkt wird vom Mittelwert subtrahiert, um eine Differenz ^ΔSpO₂ in % zu erzeugen. (Für die folgende Datengültigkeitsanalyse wird dann, wenn ^ΔSpO₂ kleiner als null ist, ihr Absolutwert verwendet.)
Wenn der Absolutwert von ^ΔSpO₂ > 4% ist und Timer1 gleich null ist (d.h. der letzte Datenpunkt gültig war), dann wird festgestellt, daß der gegenwärtige Datenpunkt ungültig ist. Da die Zeit zwischen Datenpunkten im seriellen Datenstrom etwa eine Sekunde betragen wird, würde eine Änderung von mehr als 4 Prozent im SpO₂ in einer solch kurzen Zeit physiologisch unmöglich sein. Wenn unter Verwendung dieser Prozedur festgestellt wird, daß der Datenpunkt ungültig ist, werden die Daten ignoriert, Timer1 wird gestartet und die Steuereinrichtung 10 wartet auf den nächsten Datenpunkt.
Wenn jedoch der Absolutwert von ^ΔSpO₂ > 4% ist und Timer1 nicht gleich null ist, dann kann eine zusätzliche Auswertung durchgeführt werden. Die beobachtete Geschwindigkeit der Sauerstoffsättigungsabnahme kann in Menschen 20%/Minute oder etwa 3% alle 10 Sekunden erreichen. Wenn Timer1 kleiner als 10 Sekunden ist und der Absolutwert von ^ΔSpO₂ > 4% ist, dann werden die Daten als ungültig angesehen. Wenn Timer1 größer als 10 Sekunden, jedoch kleiner 20 Sekunden ist, dann ist das Annahmekriterium, daß der Absolutwert von ^ΔSpO₂ kleiner als 8% ist, damit die Daten gültig sind. Wenn Timer1 größer als 20 Sekunden ist, jedoch kleiner als 30 Sekunden ist, dann ist das Annahmekriterium, daß der Absolutwert von ^ΔSpO₂ kleiner als 12% ist. Wenn Timer1 größer als 30 Sekunden ist, dann wird Sauerstoff zugeführt, wobei das Vorgabeverfahren verwendet wird, das unten im Detail beschrieben wird. Es sollte jedoch verstanden werden, daß in der obigen Analyse die spezifischen Werte von 4%, 8% und 12%, und die spezifischen Zeiten von 10, 20 und 30 Sekunden durch andere Werte ersetzt werden könnten.
Einige alternative Kriterien zum Identifizieren, wann einzelne Datenpunkte ungültig oder fehlerhaft sind, könnten das Identifizieren eines ungültigen Datenpunkts umfassen, wenn: (a) der SpO₂-Wert außerhalb oberer und/oder unterer Grenzen liegt (z.B. einer Untergrenze von etwa 70% und/oder einer Obergrenze von etwa 98%); oder (b) die Herzfrequenz außerhalb oberer und/oder unterer Grenzen liegt (z.B. einer Untergrenze von etwa 40 Schlägen pro Minute und/oder einer Obergrenze von etwa 200 Schlägen pro Minute), sind aber nicht darauf beschränkt.
Wenn der Datenpunkt alle Tests besteht, wird Timer1 gestoppt und (falls notwendig) auf null gesetzt, und der neue Mittelwert des Blutsauerstoffgehalts wird mit dem jüngsten Datenpunkt berechnet. Der neue Mittelwert wird dann mit dem Einstellwert verglichen, und eine Dosiszeit D wird berechnet, wie oben in den Gleichungen 2–5 in Einzelheiten dargestellt wird.
In einer Ausführungsform wird ein exponentiell gewichteter arithmetischer Mittelwert der vorhergehenden Datenpunkte verwendet, um den gegenwärtigen Blutsauerstoffgehalt zu repräsentieren. Der neue Mittelwert wird wie folgt berechnet: neuer Mittelwert = (gegenwärtiger Datenpunkt)·W1 + (vorhergehender Mittelwert)·W2 (6)wobei W1 = 1 – exp(–Δt/T)W2 = exp(–Δt/T) (7)
Hier ist ^Δt die Zeit zwischen Datenpunkten (eine Sekunde bei der Verwendung des bevorzugten Oximeters), und T ist ein Parameter, der einen geeignete Zeitmaßstab für die Durchschnittsbildung repräsentiert. Wenn ein geeigneter Wert von T gewählt wird, wird der exponentiell gewichtete Mittelwert normale Punkt-zu-Punkt-„Rausch"-Fluktuationen in den Pulsoximeterdaten glätten, ohne die realen Trends zu maskieren, die mit dem Blutsauerstoffgehalt des Patienten verbunden sind. (Ein typischer Wert wäre T = 10 Sekunden, obwohl andere Werte verwendet werden könnten.)
Es könnten auch andere Verfahren verwendet werden, um einen Mittelwert zu bestimmen, der für den gegenwärtigen Blutsauer stoffgehalt des Patienten repräsentativ ist. Zum Beispiel könnte ein harmonischer oder geometrischer Mittelwert verwendet werden. (Beschreibungen dieser Arten von Mittelwerten können in „Standard Mathematical Tables" von CRC Press, 24. Ausgabe, Seiten 470–471 gefunden werden.) Alternativ könnte ein „laufender" Mittelwert verwendet werden. In diesem Verfahren könnte der Mittelwert einer festen, vorbestimmten Anzahl der jüngsten Datenpunkte verwendet werden. Zum Beispiel könnte man mit dem bevorzugten Pulsoximeter, das einen Datenpunkt pro Sekunde liefert, den Durchschnitt der vorhergehenden 10 Datenpunkte nehmen, wobei folglich ein Mittelwert berechnet wird, der den Blutsauerstoffgehalt des Patienten für die vorhergehenden 10 Sekunden repräsentiert.
In einer Ausführungsform kann die Dosiszeit D des Sauerstoffs, der an den Benutzer abgegeben wird, von der Gültigkeit des Datenstroms von Sauerstoffsensor abhängen. Wenn die Zeit, über die aufeinanderfolgende ungültige oder fehlerhafte Datenpunkte empfangen werden, die durch Timer1 angezeigt wird, einen vorbestimmten, physiologisch relevanten Zeitmaßstab für die Patientensättigungsabnahme (die als Desattime bezeichnet wird) überschreitet, werden alternative „Vorgabe"-Sauerstoffzuführungsprozeduren eingesetzt. In einer Ausführungsform ist Desattime gleich 30 Sekunden. Die Vorgabeannahme ist es, daß sich ein Patient immer in Sauerstoffnot befindet, es sei denn, der Blutsauerstoffgehaltssensor zeigt definitiv an, daß er es nicht ist.
Wenn der gegenwärtige Sauerstoffsensordatenpunkt ungültig ist, jedoch Timer1 kleiner als Desattime ist, kann die Sauerstoffdosiszeit D von ihrem gegenwärtigen Wert unverändert bleiben. Das System wird eine Dosis dieser Dauer am Anfang der Inhalation bereitstellen. Der Prozeß der Sammlung und Auswertung von Blutsauerstoffsättigungsdaten geht dann weiter. Vor dem Einsetzen der ungültigen Daten verabreichte das System entweder Sauerstoff, um einen Mangel zu korrigieren, oder der Patient war nicht in Sauerstoffnot. Folglich wird in dieser Ausführungsform vorausgesetzt, daß der Sauerstoffbedarf des Patienten sich während dieser kurzen Zeit ungültiger Daten nicht geändert hat, und der Status quo wird beibehalten. Wenn der Patient keinen Sauerstoff vor den ungültigen Daten erhielt (z.B. Dosiszeit D = 0), wird das System überhaupt keinen Sauerstoff verabreichen. Wenn der Patient jedoch Sauerstoff erhielt (z.B. D > 0), wird das System typischerweise fortfahren, dieselbe Dosis zu verabreichen, indem es auf die Inhalation reagiert, wie oben beschrieben. Dies wird vorzugsweise weitergehen, bis entweder ein gültiger Datenpunkt erhalten wird und eine Neubewertung des Zustands des Patienten vorgenommen werden kann oder Timer1 Desattime überschreitet.
Wenn die Sauerstoffsensor-Datenpunkte weiter ungültig sind und Timer1 Desattime überschreitet, dann wird die Vorrichtung ein anderes Sauerstoffzuführungsverfahren vorgeben. Im Vorgabeverfahren wird die Steuereinrichtung 10 die Verabreichung einer verschreibungsäquivalenten Dosis von Sauerstoff an den Patienten 16 aus der Sauerstoffquelle 20 über das Bedarfszuführungsmodul 12 vorgeben. Diese Vorgabedosis an Sauerstoff könnte viele Formen annehmen: In einer Ausführungsform könnte die Vorgabe ein kontinuierlicher Strom von Sauerstoff sein. Um dies zu implementieren, könnte das System eine sehr große Dosiszeit ausgeben, um das Ventil 26 in der AN-Position zu halten, die Sauerstoff von der Quelle 20 zum Patienten 16 strömen läßt. Alternativ würde in der bevorzugten Ausführungsform die Vorgabebetriebsart eine kurze Dosis Sauerstoff (der Dauer D = Ddefault) am Anfang der Inhalation bei fast jedem Atemzug liefern. In dieser bevorzugten Ausführungsform würde Ddefault kürzer als eine typische Inhalationsperiode sein, wobei in diesem Fall das System Pulse mit der Dauer Ddefault liefern würde, die mit jeder Inhalation synchronisiert sind (Bedarfsbetriebsart). Dies wird so lange andauern, bis die Blutsauerstoffgehaltsdaten gültig sind und der geschlossene Regelkreis für die Sauerstoffzuführung neu starten kann.
Es ist möglich, sich zusätzliche alternative Systeme des Vorgabestroms vorzustellen. In einer solchen alternativen Ausführungsform öffnet sich das Ventil nicht notwendigerweise mit jedem einzelnen Atemzug. Die Aufgabe des Vorgabeverfahrens ist es, einen Gesamtstrom von Sauerstoff während dieser Periode des Vorgabebetriebs bereitzustellen, die nicht kleiner als die physiologisch äquivalente Menge ist, die dem Patienten durch den Arzt verschrieben wird. (Wobei physiologisches Äquivalent die Menge bedeutet, die durch andere Bedarfszuführungsvorrichtungen abgegeben wird, um eine adäquate Sauerstofftherapie bereitzustellen.) Es sollte verstanden werden, daß der Begriff des physiologischen Äquivalents hinsichtlich der Bedarfszuführungsvorrichtungen sich mit der Zeit ändern werden, wenn ihre Auswirkungen auf die Physiologie von COPD-Patienten durch die Ärzteschaft besser verstanden werden. Die gegenwärtige Praxis zeigt an, daß 35 ml, die bei jedem zweiten Atemzug am Beginn der Inhalation verabreicht werden, einem kontinuierlichen Strom von 2 Litern/Minute reinem Sauerstoff äquivalent sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Dauer der Vorgabedosis (Ddefault) durch den Atemtherapeuten des Patienten unter Verwendung eines Hardwareschalters an der Benutzerschnittstelle 32 eingestellt werden, der dem Patienten nicht zugänglich ist. Es können andere Techniken der Einstellung der Pulsbreite möglich sein, wie Fernsteuerungen, Druckknöpfe usw.
Außerdem wird in einer Ausführungsform, wenn Timer1 Desattime überschreitet, der vorhergehende Mittelwert der Blutsauerstoffsättigung rückgesetzt, und die Datenerfassung startet neu. Auf diese Weise wird vorausgesetzt, daß die alte SpO₂-Information für den gegenwärtigen körperlichen Zustand des Patienten nicht mehr gültig ist und daß, um richtig Sauerstoff zu verabreichen, ein aktuelleres Maß des Blutsauerstoffpegels benötigt wird. Folglich wird durch die Verwendung von Timer1 eine Periode ungültiger Daten, die Desattime überschreitet, immer zur Verabreichung von Sauerstoff an den Patienten führen. Dies wird alle nicht festgestellten Vorkommnisse einer Sättigungsabnahme korrigieren. Überdies wird die Steuereinrichtung 10 immer die aktuellste gültige Information hinsichtlich des Blutsauerstoffpegels des Patienten verwenden.
Es sollte auch zu verstehen sein, daß andere Verfahren zur Erkennung und Verarbeitung fehlerhafter Datenpunkte aus dem Sauerstoffsensor ausgedacht werden könnten. Fachleute könnten andere Algorithmen zur Verarbeitung ungültiger Datenpunkte erschaffen, wie das Ersetzen ungültiger Datenpunkte durch interpolierte Werte, die auf dem jüngsten Trend in der Blutsauerstoffsättigung beruhen.
Ein anderes Verfahren zur Feststellung, ob die Sauerstoffsensordaten gültig oder ungültig sind, kann vielmehr auf dem Datenstrom (mehreren Datenpunkten) als auf den einzelnen Datenpunkten beruhen. Anstatt zum Beispiel die Zeit seit dem jüngsten gültigen Datenpunkt oder Punkten zu verfolgen, könnte das System stattdessen feststellen, ob der Datenstrom gültig oder ungültig ist, indem die Anzahl der gültigen Datenpunkte in einem „Rückschau"-Fenster (zum Beispiel die 60 bis 100 jüngsten Datenpunkte) mit einer voreingestellen Minimalschwelle verglichen wird. Wenn die Anzahl der gültigen Datenpunkte in der Rückschauperiode größer oder gleich dem angegebenen Minimum ist, wird der Datenstrom als gültig betrachtet, und die berechnete Dosis wird geliefert; wenn die Anzahl der gültigen Datenpunkte kleiner als das Minimum ist, wird die Vorgabedosis geliefert.
Fachleute werden verstehen, daß ein weiter Bereich von Möglichkeiten zur Sauerstoffzuführung in der Vorgabebetriebsart über jene hinaus, die hier beschrieben worden sind, verwendet werden könnte.
Wenn ungültige Daten ein Problem sind, kann die Steuereinrichtung 10 verwendet werden, um dem Patienten ein Problem mit der Pulsoximetrie über die Benutzerschnittstelle 32 und/oder den Alarm 38 zu melden. Diese Meldung kann die Form eines Warnlichts, einer Ausgabe, eines Summers oder irgendeiner Kombination davon annehmen. Fachleute können sich auch andere Verfahren zur Warnung des Benutzers ausdenken, die hierin nicht in Einzelheiten dargestellt werden. Nachdem die Warnungen ausgegeben worden sind und in die Vorgabebedarfsstrombetriebsart eingetreten worden ist, nimmt die Steuereinrichtung 10 die Überwachung der Ausgabe des Sauerstoffsensors für gültige Daten wieder auf.
Zusammen mit der Überwachung des Atmungszyklus zur Sauerstoffzuführung sorgt die Erfindung für die Detektion eines Atemstillstands, der Einstellung der Atmung für eine längere Zeitspanne. Timer2 startet jedesmal, wenn eine Inhalation festgestellt wird. Wenn die verstrichene Zeit zwischen Atemzügen größer als eine vorbestimmte Zeit ist, z.B. 15 Sekunden, was durch den Timer2 festgestellt wird, dann wird die Alarmschaltung 38 durch die Steuereinrichtung 10 aktiviert, um dem Patienten einen möglichen apnoischen Vorfall zu signalisieren. Diese Alarme hören vorzugsweise bei der Detektion der nächsten Inhalation auf zu ertönen.
Andere Alarme und Indikatoren, die in den Systemen und Verfahren der vorliegenden Erfindung enthalten sein können, umfassen Hypoxiealarme, Alarme einer hohen Atemfrequenz, Alarme einer hohen/niedrigen Pulsfrequenz und Patientenüberwachungsindikatoren. Diese Alarme und/oder Indikatoren können verwendet werden, um den Patienten zu warnen, daß sein Gerät für zusätzlichen Sauerstoff nicht richtig arbeitet, er es nicht richtig verwendet, oder er andere Probleme hat und sich in eine ärztliche Behandlung begeben muß.
Im Falle eines Hypoxiealarms könnte der Patient mit einem sichtbaren und/oder hörbaren Warnsignal versorgt werden, wenn sein Blutsauerstoffsättigungspegel für eine Zeitspanne unter einem gesunden Pegel gewesen ist – obwohl er die oben beschriebene Vorrichtung verwendet hat. Dieser Zustand könnte z.B. durch eine Funktionsstörung des Geräts für zusätzlichen Sauerstoff oder eine Verschlechterung des Atmungszustands des Patienten verursacht werden. Im Normalbetrieb der bevorzugten Ausführungsform, die oben beschrieben wird, würde die Vorrichtung die Dosiszeit D(t) als Reaktion auf die Hypoxie des Patienten bis zu einer voreingestellten oberen Grenzdosiszeit Dmax erhöhen. Es ist möglich, daß der Zustand des Patienten sich so sehr verschlechtert haben könnte, daß selbst diese Maximaldosis nicht ausreichend ist, um seine Blutsauerstoffsättigung auf einem gesunden Pegel zu halten. Es wäre vorteilhaft, den Patienten vor diesem Zustand zu warnen, so daß er sich in eine geeignete ärztliche Behandlung begeben kann. Dies könnte eine frühere Detektion und Behandlung von potentiell gefährlichen und kostspieligen Gesundheitszuständen ermöglichen.
Der Hypoxiealarm könnte in Software, Hardware oder in einer Kombination von Software und Hardware implementiert werden. In den oben beschriebenen Systemen kann die Steuereinrichtung 10 schon einen Mittelwert des Blutsauerstoffgehalts aus den gültigen Blutsauerstoffsättigungsdatenpunkten berechnen. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Mittelwert, der schon berechnet ist, ein exponentiell gewichteter arithmetischer Mittelwert mit eine typischen Zeitkonstante T = 10 Sekunden. Dieser Mittelwert repräsentiert die Durchschnittsblutsauerstoffsättigung für die vorhergehenden 10 Sekunden. Für den Hypoxiealarm könnte ein zweiter Mittelwert der Blutsauerstoffsättigung für eine länger Periode (z.B. T = 1 Stunde) in einer analogen Weise berechnet werden. In der bevorzugten Ausführungsform würde dieser Hypoxiealarm-Mittelwert ebenfalls ein exponentiell gewichteter Mittelwert sein, da er die Notwendigkeit beseitigt, jeden der vielen Datenpunkte zu speichern, die sich über die längere Periode ansammeln würden, wodurch die Speicheranforderungen gesenkt werden.
Es solle jedoch verstanden werden, daß andere Verfahren zum Berechnen eines Mittelwerts, wie oben erläutert, ebenfalls verwendet werden könnten. Wenn der zweite Mittelwert unter eine voreingestellte Grenze fällt, die die Untergrenze für gesunde Blutsauerstoffpegel (z.B. 88%) darstellt, könnte die Steuereinrichtung 10 den Patienten über die Alarmschaltung 38 warnen. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Zeitspanne für den zweiten Mittelwert 1 Stunde, und die Untergrenze für die Blutsauerstoffsättigung beträgt 88%; jedoch sollte es klar sein, daß andere Werte für diese Parameter verwendet werden könnten.
Im Fall eines Alarms einer hohen Atemfrequenz könnte der Patient mit einem sichtbaren und/oder hörbaren Warnsignal versorgt werden, wenn seine Atemfrequenz für eine Zeitspanne über einem gesunden Pegel gelegen hat. Einige Patienten mit Atemwegserkrankungen werden beeinträchtigte Atemwege ausgleichen, indem sie eine höhere als eine normale Atemfrequenz aufrechterhalten. Diese Patienten können manchmal eine gesunde Blutsauerstoffsättigung aufrechterhalten, jedoch ist auf lange Sicht die erhöhte Atemfrequenz ebenfalls für ihre Gesundheit abträglich. Der Anfang einer Periode mit erhöhter Atemfrequenz könnte durch eine Funktionsstörung des Geräts für zusätzlichen Sauerstoff oder eine Verschlechterung des Atmungszustands des Patienten verursacht werden.
Im Normalbetrieb der bevorzugten Ausführungsform, die oben beschrieben wird, erhöht die Vorrichtung die Dosiszeit D(t) als Reaktion auf die Hypoxie des Patienten. Es ist möglich, daß der Zustand des Patienten sich verschlechtert haben könnte, der Pa tient dies jedoch durch Atmen mit einer höheren Frequenz ausgleicht. Wie bei der Hypoxie wäre es vorteilhaft, den Patienten vor diesem Zustand zu warnen, so daß er sich in eine geeignete ärztliche Behandlung begeben kann.
Dieser Alarm könnte in Software, Hardware oder in einer Kombination von Software und Hardware implementiert werden. Das oben beschriebene System mißt schon die verstrichene Zeit zwischen jedem Atemzug über den Timer2. Für den Alarm einer hohen Atemfrequenz könnte ein Mittelwert der verstrichenen Zeit zwischen jedem Atemzug in einer Weise berechnet werden, die analog zu den mittleren Blutsauerstoffpegeln ist. In der bevorzugten Ausführungsform würde dieser Mittelwert ebenfalls ein exponentiell gewichteter Mittelwert sein. Es sollte jedoch verstanden werden, daß auch andere Verfahren zum Berechnen eines Mittelwerts, wie oben beschrieben, verwendet werden könnten. Wenn die mittlere verstrichene Zeit zwischen Atemzügen unter eine voreingestellte Grenze fällt, die der Obergrenze für gesunde Atemfrequenzen entspricht (z.B. eine minimale verstrichene Zeit von zwei Sekunden, die einer Atemfrequenz von 30 Atemzügen pro Minute entspricht), könnte das System den Patienten über die Steuereinrichtung 10 und die Alarmschaltung 38 warnen. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Zeitspanne zum Berechnen des Mittelwerts 1 Stunde, und die Untergrenze für die verstrichene Zeit zwischen Atemzügen beträgt 2 Sekunden (30 Atemzüge pro Minute); jedoch sollte es klar sein, daß andere Werte für diese Parameter verwendet werden könnten.
Im Fall eines Alarms einer hohen/niedrigen Pulsfrequenz könnte ein sichtbares und/oder hörbares Warnsignal an den Patienten geliefert werden, wenn seine Pulsfrequenz für eine Zeitlang über oder unter gesunden Pegeln gelegen hat. Übermäßig hohe oder niedrige Pulsfrequenzen könnten eine wichtige Anzeige sein, daß der Patient eine ärztliche Behandlung benötigt. Es wäre vorteilhaft, den Patienten vor diesen Zuständen zu warnen, so daß er sich in eine geeignete ärztliche Behandlung begeben kann.
In der bevorzugten Ausführungsform würden diese Alarme in Software, Hardware oder in einer Kombination von Software und Hardware implementiert werden. Der bevorzugte Sauerstoffsensor liefert typischerweise Pulsfrequenzdaten (zusätzlich zu Blutsauerstoffdaten). Eine mittlere Pulsfrequenz könnte in einer Weise berechnet werden, die analog zur Berechnung anderer Mittelwerte ist, die oben beschrieben werden. Wie bei den anderen Alarmen würde in der bevorzugten Ausführungsform dieser Mittelwert ebenfalls ein exponentiell gewichteter Mittelwert sein oder alternativ könnten andere Mittelwerte oder Durchschnitte verwendet werden.
Wenn die mittlere Pulsfrequenz über oder unter voreingestellte Grenzen fällt (z.B. weniger als 40 oder über 180 Schläge pro Minute), könnte das System den Patienten über die Alarmschaltung 38 warnen. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Zeitspanne für den Mittelwert 20 Minuten, die Untergrenze für die Pulsfrequenz beträgt 40 Schläge pro Minute, und die Obergrenze für die Pulsfrequenz beträgt 180 Schläge pro Minute; jedoch sollte klar sein, daß andere Werte für diese Parameter verwendet werden könnten.
Unter den Indikatoren, die bereitgestellt werden könnten, sind verschiedene Patienten- und Gerätüberwachungsfunktionen. In der bevorzugten Ausführungsform könnten diese Indikatoren in Software, Hardware oder in einer Kombination von Software und Hardware implementiert sein. Die durch diese Indikatoren bereitgestellten Informationen könnten für die Patienten, Atemtherapeuten, Ärzte usw. nützlich sein. Einige Beispiele der Indikatoren werden im folgenden beschrieben.
Ein Indikator, der nützlich sein könnte, ist ein „AN-Zeit"-Indikator. Ein wichtiger Faktor bei der Behandlung von Patienten, die zusätzlichen Sauerstoff benötigen, ist die Überwachung ihrer Befolgung ihrer Sauerstoffverordnung. Einige Patienten werden ihr Sauerstoffgerät nicht so sehr verwenden, wie sie sollten. Medizinische Studien haben gezeigt, daß die meisten Patienten ihr Gerät für zusätzlichen Sauerstoff mindestens 18 Stunden pro Tag verwenden müssen, um merkliche Vorteile davon zu haben. Der AN-Zeit-Parameter würde die Gesamtdauer anzeigen, in der die Vorrichtung eingeschaltet gewesen ist (analog zum „Stundenmeter", das an den meisten Sauerstoffkonzentratoren zu finden ist), wodurch er folglich eine Anzeige der Gesamtzeit angeben würde, in der das Gerät verwendet wurde, seitdem der AN-Zeit-Parameter das letzte Mal auf null rückgesetzt wurde. In der bevorzugten Ausführungsform würde durch die Steuereinrichtung 10 jedesmal ein Zeitgeber gestartet, wenn die Einheit eingeschaltet würde. Wenn der Zeitgeber einen Wert von z.B. einer Minute erreichte, würde die Steuereinrichtung 10 eine nichtflüchtige Speicherstelle erhöhen und den Zeitgeber rücksetzen und erneut starten. Auf diese Weise würde eine Speicherstelle, die mit dem AN-Zeit-Zeitgeber verbunden ist, die Anzahl der Minuten zählen, in der die Vorrichtung eingeschaltet war. Die Speicherstelle, die mit dem AN-Zeit-Zeitgeber verbunden ist, würde vorzugsweise nichtflüchtig sein, und folglich würde der Gesamteminutenzählwert aufbewahrt werden, während die Einheit ausgeschaltet wäre. Wenn sie wieder eingeschaltet würde, würde die Zählung vom vorhergehend akkumulierten Wert wiederaufgenommen. In der bevorzugten Ausführungsform könnte durch die Benutzerschnittstelle 32 auf den der AN-Zeit-Zeitgeber zugegriffen werden und er durch sie rückgesetzt werden.
Es kann auch nützlich sein, die Gesamthäufigkeit zu verfolgen, mit der jeder Alarmzustand aufgetreten ist. In der bevorzugten Ausführungsform würde eine getrennte nichtflüchtige Speicherstelle verwendet, um die Häufigkeit zu zählen, mit der jeder Alarmzustand aufgetreten ist. Jedesmal, wenn ein Alarmzustand aufträte, würde die zugehörige Speicherstelle erhöht.
Zusätzlich zu den drei oben beschriebenen Alarmen könnte die bevorzugte Ausführungsform außerdem die Anzahl der Atemstillstandsalarme zählen. Auf die verschiedenen Alarmzählungsparameter könnte z.B. über die Benutzerschnittstelle 32 zugegriffen werden und sie durch sie rückgesetzt werden.
Es kann auch nützlich sein, die Gesamtdauer zu verfolgen, mit der sich die Einheit in der „Vorgabe"-Betriebsart befand, wie oben beschrieben. In einer Weise, die ähnlich zur Verfolgung der AN-Zeit ist, würde der Vorgabezeitmonitor vorzugsweise aus einer nichtflüchtigen Speicherstelle bestehen, die jedesmal erhöht würde, wenn der Zeitgeber eine Minute erreichte und sich die Einheit in der Vorgabebetriebsart befände. In einer ähnlichen Weise könnte ein Rückkopplungssteuerzeitparameter berechnet werden (obwohl dieser Parameter leichter erhalten werden kann, indem die Vorgabezeit von der AN-Zeit abgezogen wird). Wie bei den anderen überwachten Parametern würde auf die Vorgabezeit vorzugsweise durch die Benutzerschnittstelle 32 zugegriffen werden und sie durch sie rückgesetzt werden.
Es kann auch nützlich sein, die Gesamthäufigkeit zu verfolgen, mit der die Vorrichtung in die „Vorgabe"-Betriebsart eingetreten ist. In der bevorzugten Ausführungsform würde eine getrennte nichtflüchtige Speicherstelle verwendet werden, um die Häufigkeit zu zählen, mit der der Vorgabe-Zuführungszustand aufgetreten ist. Jedesmal, wenn die Vorrichtung in die Vorgabe-Zuführungsbetriebsart eintreten würde, würde die zugehörige Speicherstelle erhöht. Auf den Vorgabezählparameter würde vorzugsweise durch die Benutzerschnittstelle 32 zugegriffen werden und er durch sie rückgesetzt werden.
Es kann auch nützlich sein, die Gesamtdauer zu verfolgen, in der der Patient hypoxisch war (z.B. SpO₂ < 88%). In einer Weise, die ähnlich zur Verfolgung der AN-Zeit ist, würde der Hypoxiezeitmonitor aus einer nichtflüchtigen Speicherstelle bestehen, die jedesmal erhöht würde, wenn der Zeitgeber eine Mi nute erreichte und der Patient hypoxisch wäre (und die SpO₂-Daten als gültig betrachtet würden). Wie bei den anderen überwachten Parametern könnte durch die Benutzerschnittstelle 32 auf die Hypoxiezeit zugegriffen werden und sie durch sie rückgesetzt werden.
Es kann auch nützlich sein, die Durchschnittsdauer der Sauerstoffpulse zu verfolgen, die bei jeder Inhalation bereitgestellt werden (d.h. die Durchschnittsdosiszeit). Der Durchschnittsdosiszeitparameter könnte eine nützliche Anzeige der Menge des zusätzlichen Sauerstoffs liefern, die erforderlich war, um das Blut des Patienten passend sauerstoffangereichert zu halten. Trends in diesem Parameter könnten zur Verfolgung der Gesamtleistungsfähigkeit des Atmungszustands des Patienten nützlich sein. Zum Beispiel könnte eine meßbare Zunahme der Durchschnittsdosiszeit (d.h. einer Zunahme der Menge des zusätzlichen benötigten Sauerstoffs) eine Verschlechterung des Zustands des Patienten anzeigen, und so eine frühe Warnung liefern, die es dem Patienten gestattet, sich in ärztliche Behandlung zu begeben, bevor sein Zustand einen kostspieligen Krankenhausaufenthalt benötigen würde.
In der bevorzugten Ausführungsform würden zwei nichtflüchtige Speicherstellen verwendet werden, um die Durchschnittsdosiszeit zu berechnen: ein Zähler und ein Akkumulator. Jedesmal, wenn z.B. einen Inhalation abgetastet wurde, würde die gegenwärtige Dosiszeit (die durch die Steuereinrichtung 10 angezeigt wird) zum Akkumulator addiert und der Zähler würde erhöht. Die Durchschnittsdosiszeit könnte dann durch Division des Akkumulatorwerts durch den Zählerwert berechnet werden. Wie bei den anderen überwachten Parametern könnte durch die Benutzerschnittstelle 32 auf die Durchschnittsdosiszeit zugegriffen werden und sie durch sie rückgesetzt werden.
Zusätzlich zu jenen Parametern, die hierin spezifisch aufgeführt werden, können auch andere nützliche Parameter erzeugt werden. Zum Beispiel die Durchschnitts-SpO₂ (Durchschnittsblutsauerstoffsättigung des Patienten); Durchschnittsatemfrequenz; Durchschnittsherzfrequenz; usw. Eine Überwachung dieser Parametern könnte auch in Software, Hardware oder in einer Kombination von Software und Hardware implementiert werden.
Es sind verschiedene Systeme zum Erhalten einer zusätzlichen Sauerstoffzuführung zu einem subakuten Patienten beruhend auf kontinuierlichen Blutsauerstoffgehaltsmessungen und Inhalation oben beschrieben worden. Viele Änderungen, Abänderungen und Variationen des Erfindungsgegenstands werden Fachleuten nach einer Betrachtung dieser Beschreibung und der beigefügten Figuren und Diagramme der bevorzugten Ausführungsformen deutlich werden. Zum Beispiel wird beabsichtigt, daß die Werte, die z.B. für ^ΔSpO₂, Timer1, Timer2 usw. gewählt werden, für einige bevorzugte Werte exemplarisch sind und nicht den Rahmen der Erfindung beschränken, es sei denn, die Werte werden ausdrücklich in den Ansprüchen aufgeführt.

Claims

System zur Zuführung zusätzlichen Atmungssauerstoffs zu einem Patienten, wobei das System aufweist: einen Blutsauerstoffgehaltspegelsensor (14); eine Quelle (20) zusätzlichen Sauerstoffs; ein Ventil (26), das mit der Quelle (20) zusätzlichen Sauerstoffs in Fluidverbindung steht; eine Steuereinrichtung (10), die geeignet ist, das Ventil (26) zu betätigen, wobei die Steuereinrichtung einen Strom zusätzlichen Sauerstoffs durch das Ventil beschränkt, wenn der Blutsauerstoffgehaltspegel, der durch den Blutsauerstoffgehaltspegelsensor (14) gemessen wird, über einem Sollwert liegt, wobei die Steuereinrichtung (10) kontinuierlich eine variable Dosis des zusätzlichen Sauerstoffs mindestens teilweise beruhend auf einem Trend des gemessenen Blutsauerstoffgehaltspegels bestimmt, der zu unterschiedlichen Zeiten kontinuierlich gemessen wird; wobei das System gekennzeichnet ist, durch eine Einrichtung, die feststellt, wenn der Blutsauerstoffgehaltspegel, der durch den Blutsauerstoffgehaltspegelsensor (14) gemessen wird, ungültig ist, wobei die Steuereinrichtung (10) das Ventil (26) betätigt, um dem Patienten eine vorgegebene Menge zusätzlichen Sauerstoffs zuzuführen, wenn der gemessene Blutsauerstoffgehalt ungültig ist; und eine Einrichtung, die feststellt, wenn der Blutsauerstoffgehaltspegel, der durch den Blutsauerstoffgehaltspegelsensor (14) gemessen wird, gültig ist, nachdem er ungültig war, wobei die Steuereinrichtung (10) das Ventil (26) betätigt, um den Strom zusätzlichen Sauerstoffs durch das Ventil zu beschränken, wenn der Blutsauerstoffgehaltspegel, der durch den Blutsauerstoffgehaltspegelsensor (14) gemessen wird, über einem Sollwert liegt.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Atmungssensor (40) und eine Zuführungsleitung (26a) aufweist, die zur Verbindung mit einer Sauerstoffzuführungsvorrichtung (18) angepaßt ist, wobei das Ventil (26) mit der Quelle (20) zusätzlichen Sauerstoffs, dem Atmungssensor und der Zuführungsleitung in Fluidverbindung steht, und wobei ferner die Steuereinrichtung (10) die Zuführungsleitung durch das Ventil nur mit einem der Quelle zusätzlichen Sauerstoffs und des Atmungssensors zur selben Zeit in Fluidverbindung setzt.
System nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (10) die Zuführungsleitung (26a) nur dann in Fluidverbindung mit der Quelle zusätzlichen Sauerstoffs setzt, wenn der Patient einatmet.
System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Atmungssensor (40) einen Strömungssensor aufweist.
System nach einem der Ansprüche 2–4, das ferner aufweist: Einrichtungen zur Überwachung einer Drift in einem Offsetsignal, das durch den Atmungssensor (40) erzeugt wird, wenn er sich nicht in Fluidverbindung mit der Zuführungsleitung (26a) befindet; und eine Einrichtung zur Kompensation der Drift im Offsetsignal, das durch den Atmungssensor (40) erzeugt wird.
System nach einem der Ansprüche 2–5, das ferner eine Einrichtung zur Überwachung des Atmungssensors (40) aufweist, um Sauerstoff in der Quelle (20) zusätzlichen Sauerstoffs zu detektieren, wenn der Atmungssensor entfernt wird, oder der Atmungssensor mit der Zuführungsleitung (26a) in Fluidverbindung gesetzt wird.