DE69922511T2

DE69922511T2 - Respiratorisches unterstützungssystem mit detektion der atmung unter aufnahme neuroelektrischer signale

Info

Publication number: DE69922511T2
Application number: DE69922511T
Authority: DE
Inventors: Leif Ward
Original assignee: Maquet Critical Care AB
Current assignee: Maquet Critical Care AB
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: SE9802335D0; DE69922511D1; US6651652B1; AU4939899A; EP1091780A1; JP2002519121A; WO2000000245A1; EP1091780B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Atmungsunterstützungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Krankheiten und Verletzungen können es für einen Patienten erforderlich machen, eine Atmungsunterstützung zu erhalten. Von einer Erleichterung der Spontanatmung eines Patienten bis hin zu einer vollständigen Steuerung der Atmung des Patienten kann diese Atmungsunterstützung im Prinzip alles umfassen. Dabei hängt alles von der Art und dem Umfang der Krankheit/Verletzung sowie dem Behandlungsbedarf des Patienten ab. Auch Patienten, die eine Narkose erhalten (ungeachtet dessen, ob diese aufgrund von Krankheit/Verletzung, für einen kosmetischen Eingriff oder aus anderen Gründen verabreicht wird), können eine Atmungsunterstützung benötigen.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich "Patient" in diesem Zusammenhang sowohl auf Menschen als auch auf Tiere bezieht.
Die gebräuchlichste Art der Bereitstellung einer Atmungsunterstützung erfolgt heutzutage mit Ventilatoren (Respiratoren), die den Lungen ein Druckgas zuführen. Abhängig von der bereitzustellenden Atmungsunterstützung sind eine Vielzahl von Ventilationsmoden bekannt. Vgl. z. B. den Artikel "Mechanical Ventilation", Chest 1993; 104; 1833-1859, der eine Erörterung hinsichtlich der Ziele und Empfehlungen in Bezug auf eine mechanische Ventilation einschließt.
Eine andere Art der Bereitstellung einer Atmungsunterstützung ist die Ausübung eines extrakorporalen Druckes um den gesamten Thorax und das Zwerchfell (z. B. die klassische "Eiserne Lunge", die beispielsweise bei Patienten eingesetzt wird, deren Atemmuskulatur durch Polio geschädigt wurde). Eine Vorrichtung dieser Art ist im US-Patent Nr. 5,222,478 beschrieben.
Eine weitere Art, eine Atmung herbeizuführen, erfolgt durch elektrische Stimulation. Entweder durch direkte Stimulation der Muskeln des Zwerchfells im besonderen oder durch indirekte Stimulation über das Nervensystem, insbesondere den Nervus phrenicus. Ein Zwerchfellschrittmacher ist im US-Patent Nr. 5,056,519 offenbart. Ein Nervenstimulator zur Behandlung von Atemerkrankungen ist in der PCT-Veröffentlichung WO 93/01862 beschrieben.
Eine Stimulation des Atemsystems kann auch magnetisch erfolgen, wie dies im US-Patent Nr. 5,857,957 offenbart ist.
Ein Problem, das allen Atemhilfen gemeinsam ist, liegt darin, eine Information darüber zu erhalten, wann und wie viel der Patient atmen muss. Dies ist insbesondere bei einer vollständig gesteuerten Atemhilfe mit mechanischer Ventilation der Fall.
Bei einer solchen vollständig gesteuerten Atemhilfe trägt der Arzt die Hauptverantwortung für die Programmierung geeigneter Atemparameter, wie z. B. Atemfrequenz, Atemvolumen, Inspirationsdauer etc.
Die Messung physikalischer Parameter hinsichtlich des Metabolismus, wie z. B. die Sauerstoffsättigung des Blutes, der Kohlendioxidgehalt des Blutes etc. kann dem Arzt bei der Programmierung der Atemparameter eine Hilfe sein. Einige der physikalischen Parameter können anhand einer genauen Analyse des Inhalts des ausgeatmeten Gases bestimmt werden. Die Messungen physiologischer Parameter sind zwar zu ungenau, um ausreichende Informationen für eine individuelle Atemzug-zu-Atemzug-Steuerung zu liefern, jedoch können sie wichtige Informationen für die Gesamtregulierung der Atemfrequenz etc. bereitstellen.
Für Patienten, die zumindest teilweise spontan atmen können, können Informationen über die Atmung der Patienten bestimmt werden. Wenn der Druck, der Fluss und/oder Veränderungen der Temperatur innerhalb oder außerhalb der Atemwege des Patienten erfasst werden, können die spontanen Atemversuche des Patienten ermittelt und zum Auslösen der Atemhilfe verwendet werden. Ebenso kann die Höhe jedes Atemversuchs bestimmt und dazu verwendet werden, die Höhe oder die Art der Atemhilfe zu beeinflussen. Diese Option ist hauptsächlich bei der unterstützenden Atemhilfe von Nutzen.
Das Dokument EP 0 811 394 beschreibt einen Ventilator, der die Atemversuche des Patienten erfasst, wobei ein oder mehr Durchflussmesser und/oder ein oder mehr Druckmesser zum Erfassen der für die Inspiration typischen Veränderung des Flusses und/oder des Druckes verwendet werden.
Ein Problem bei der unterstützenden Atemhilfe besteht darin, dass die spontanen Atemversuche des Patienten mit der unterstützenden Atemhilfe in Konflikt kom men. Dies wird üblicherweise als Konkurrenz bezeichnet. Eine Art, diese Konkurrenz zu vermeiden, besteht darin, dem Patienten ein Beruhigungsmittel zu verabreichen und einzig die vollständig gesteuerte Atemhilfe einzusetzen.
Die oben genannten physikalischen Parameter können selbstverständlich auch für spontan atmende Patienten verwendet werden, um zu bestimmen, wann ein Patient atmen muss.
Ferner können die Lungenbewegungen gemessen werden, indem man die Impedanz über die Brust (und Lunge) misst. Bewegungen der Lunge sind ebenso ein Anzeichen für Atemversuche.
Auch die direkte Messung der Muskulatur, die an der Respiration beteiligt ist, kann Informationen bezüglich der Atemversuche liefern.
All diesen Verfahren ist der Umstand gemeinsam, dass keines von ihnen ein exaktes physiologisches Bild des genauen Respirationsbedarfs eines Patienten liefern kann.
Die Atmung ist ein Teil des autonomen Systems des Körpers. Ein wichtiger bekannter Faktor, der dieses autonome System beeinflusst, sind die körpereigenen chemischen Rezeptoren, die den Kohlendioxidgehalt erfassen. Das autonome System wird aber auch durch eine Vielzahl anderer physiologischer Faktoren beeinflusst. Einige dieser Faktoren sind der medizinischen Sachkenntnis wahrscheinlich noch unbekannt.
Die Dokumente US 4 830 008 , EP 0 505 195 und US 5 174 287 beschreiben Atmungsunterstützungssysteme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Atmungsunterstützungssystem vorzusehen, das einen Ventilator umfasst, der dazu ausgebildet ist, eine Inspirationsphase auszulösen, indem er einen Atemgasfluss erzeugt, wobei das System dazu entwickelt wurde, zuverlässiger und wirksamer als in früheren Systemen zu bestimmen, wann ein Patient atmen möchte oder muss.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wenn das Atmungsunterstützungssystem so ausgebildet ist, wie es aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 hervorgeht.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Atmungsunterstützungssystems gehen aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor.
Der genaue Atembedarf eines Patienten kann dadurch festgestellt werden, dass neuroelektrische Signale aufgezeichnet und die mit der Atmung in Zusammenhang stehenden Signalkomponenten extrahiert werden. Anders ausgedrückt werden die Nervenimpulse erfasst und dazu verwendet, Informationen zu extrahieren. Die Nervenimpulse enthalten Informationen über den Atembedarf eines Patienten, wobei diese Informationen automatisch alle physiologischen Funktionen umfassen, die einen Einfluss auf die Atmung haben. Ein genauer Atembedarf kann zur Steuerung eines Ventilators genutzt werden, der eine Atemhilfe bereitstellt. Aus den neurologischen Signalen kann dann insbesondere der Zeitpunkt für jeden einzelnen Atemzug (ausgelöst von dem Patienten) bestimmt werden, wobei diese Signale aber auch alle Informationen enthalten, die für die einzelnen Atemzüge wesentlich sind.
Neuroelektrische Signale (Nervenimpulse), die mit der Atmung in Zusammenhang stehen, haben ihren Ursprung im Atemzentrum der Medulla oblongata, und diese Signale können im Prinzip im Atemzentrum oder entlang der Nerven, die die Signale zur Atemmuskulatur befördern, erfasst werden. Aufgrund seiner Lage hat sich der Nervus phrenicus hierfür als besonders geeignet erwiesen. Die Signale können mit extrakorporalen Sensormitteln, die auf der Haut platziert werden, mit nadelförmigen Sensormitteln, die sich dazu eignen, die Haut zu durchstechen, um nahe an den Nerv zu kommen (oder ihn zu berühren), oder mit Sensormitteln erfasst werden, die so entwickelt sind, dass sie auf einem chirurgisch freigelegten Nerv platziert werden. Ebenso können implantierte Sensormittel in Betracht gezogen werden, insbesondere bei einer Langzeitbehandlung.
Eine Ausführungsform des Atmungsunterstützungssystems nutzt atmungsspezifische Sensorsignale, um eine Inspiration durch den Patienten auszulösen. Dieses Auslösen kann derart angepasst werden, dass die Inspiration in einer Phase eintritt, in der der Patient spontan geatmet hätte. Bei einer vollständig gesteuerten Atemhilfe würde dies eine patientenspezifische Atemfrequenz liefern. Bei der unterstützenden Atmung würde dies verglichen mit dem Stand der Technik auch zu einer viel schnelleren Reaktion auf die Bereitstellung einer Atmungsunterstützung führen. Eine Konkurrenz zwischen dem Patienten und dem Ventilator kann vermieden werden.
In Fällen, in denen der Patient eine sich verändernde Fähigkeit zur Spontanatmung hat, kann ein Atemsensor verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Atemsignal aus dem Atemzentrum wirklich zu einer Spontanatmung oder zu einem Inspirationsversuch führt. Diese Art von Atemsensor kann ferner dazu verwendet werden, die Stärke einer Inspiration/eines Inspirationsversuchs zu bestimmen.
Wenn in der Tat eine Spontanatmung auftritt, ist ein Auslösen nicht immer erforderlich und kann in einigen Fällen vollständig unterbunden werden. Das Atmungsunterstützungssystem könnte statt dessen derart ausgebildet sein, dass es eine zusätzliche Unterstützung (möglicherweise gemäß Informationen, die aus den neurologischen Signalen gewonnen werden) für eine Spontanatmung bietet, wenn diese letztgenannte unzureichend ist. Beispielsweise könnte die Atemmuskulatur eines Patienten zu schwach sein, um die physiologische Inspirationsdauer durchzustehen.
Das erfindungsgemäße Atmungsunterstützungssystem wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben, in denen zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Atmungsunterstützungssystems, und
2 ein Ausführungsbeispiel eines Atmungsdetektors und eines Ventilators gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen Patienten 2 auf einer Liege 4. Der Patient 2 ist über ein Schlauchsystem 8 an einen Ventilator 6 angeschlossen, um aus dem Ventilator 6 eine Atemhilfe zu erhalten. Im Prinzip kann der Ventilator 6 ein bekannter Ventilator sein, wie z. B. der Servo Ventilator 300, Siemens-Elema AB, Schweden, oder ein anderer bekannter Respirator (einschließlich einer Heim-Atemhilfe, CPAP-Maschinen, Wiederbelebungsapparate etc.) oder Narkosegeräte. Eine Atemhilfe kann an sich aus jeder herkömmlichen Atmungsunterstützung bestehen, die Patienten gegeben wird, die das Risiko haben oder tragen, Schwierigkeiten beim Erreichen einer ausreichenden Spontanatmung zu bekommen, oder nicht in der Lage sind, eine ausreichende Spontanatmung zu erreichen.
Ein Respirationsdetektor 10 ist mit dem Ventilator 6 und über eine Signalleitung 12 mit dem Nervus phrenicus des Patienten 2 verbunden. Im vorliegenden Fall kann die Signalleitung 12 transkutan an den Nervus phrenicus angeschlossen werden oder indirekt von der Oberfläche der Haut aus. Neuroelektrische Steuersignale zur Respiration, die im Atemzentrum der Medulla oblongata erzeugt werden, werden entlang des Nervus phrenicus zum Zwerchfell (im besonderen) befördert. Diese Signale werden von der Signalleitung 12 erfasst und an den Respirationsdetektor 10 gesandt.
Der Respirationsdetektor 10 extrahiert die relevanten, mit der Respiration in Zusammenhang stehenden Signale. Eine Identifizierung kann unter Verwendung bekannter Signalverarbeitungsverfahren erfolgen. Signale bezüglich der Respiration oder in diesem Fall der Funktion des Zwerchfells kommen für gewöhnlich als eine Serie von Impulsen an. Der Respirationsdetektor 10 erzeugt dann entsprechend den erfassten Respirationssignalen ein Steuersignal, das an den Ventilator 6 gesandt wird. Eine fortschrittlichere Analyse der Nervenimpulse kann mit moderneren Verfahren durchgeführt werden, u.a. mit Mustererkennungssystemen und künstlichen neuronalen Netzwerken (KNN).
Diese Respirationssignale sind das früheste Anzeichen dafür, dass der Patient 2 atmen möchte. Ferner können diese Signale Informationen über den physiologischen Atmungsbedarf des Patienten 2 liefern. Dieser physiologische Atmungsbedarf ist insbesondere zwingend für Patienten 2, deren Unfähigkeit, ausreichend zu atmen, nicht mit Verletzungen des Atemzentrums oder einer plötzlichen Einwirkung auf das Atemzentrum in Zusammenhang steht.
Das Respirationssignal in einem frühen Stadium zu gewinnen, hat den Vorteil, dass die Atemhilfe (in diesem Fall durch einen Ventilator 6 bereitgestellt) gemäß dem genauen physiologischen Bedarf des Patienten 2 vorgesehen werden kann und nicht gemäß einem geschätzten Bedarf oder einem Bedarf, der auf andere Weise errechnet wurde. Darüber hinaus wird die Respiration für den Patienten 2 den natürlichsten Rhythmus haben. Somit ist das Auslösen von Inspirations phasen zwar ein wesentlicher Teil der Erfindung, aber die neurologischen Signale geben mehr Auskunft als reine Informationen darüber, wann der Patient atmen sollte. Im Prinzip enthalten sie alle Informationen, die für jeden einzelnen Atemzug wesentlich sind, insbesondere Atemtiefe, Inspirationsdauer und jegliche Inspirationspause. Ein Teil der physiologischen Respirationskontrolle betrifft auch die Exspirationen, selbst wenn die Exspiration normalerweise ein passiver Prozess ist, der eintritt, wenn sich die Atemmuskulatur entspannt.
Da eine Inspirationsphase synchron mit der eigenen Inspiration des Patienten 2 gestartet werden kann, kann die Atemanstrengung der Patienten 2, die noch eine geringe Fähigkeit zur Spontanatmung besitzen, stark herabgesetzt werden.
Bei Patienten 2 mit einer höheren Fähigkeit zur Spontanatmung kann ein Respirationssensor parallel verwendet werden, so dass das Kontrollsignal aus dem Respirationsdetektor 10 unterbunden werden kann. Dies ist in 2 dargestellt, in der der Ventilator 6 und der Respirationsdetektor 10 näher gezeigt sind.
Der Respirationsdetektor 10 ist an den Patienten 2 durch eine Elektrode 18 zum Messen der neuroelektrischen Signale angeschlossen. Erfasste Signale werden an eine Signalverarbeitungseinheit 20 gesandt, um auf geeignete Weise gefiltert und verstärkt zu werden. Die verarbeiteten Signale werden dann zur Signalidentifizierung an einen Analysator 22 gesandt. Eine geeignete Signalanalyse kann feststellen, wann der Patient 2 spontan atmen möchte und in welchem Umfang der Patient atmen möchte. Respirationssignale bestehen vorwiegend aus einer Serie von Impulsen an die Atemmuskulatur (im vorliegenden Beispiel insbesondere an das Zwerchfell, da der Nervus phrenicus abgetastet wird).
Informationen über das Vorhandensein von Respirationssignalen werden an einen Signalgenerator 24 gesandt, der abhängig von den identifizierten Respirationssignalen ein Steuersignal erzeugt. Dieses Steuersignal wird über eine Steuerleitung 26 an eine Steuereinheit 28 in dem Ventilator 6 gesandt.
Die Steuereinheit 28 reguliert den Ventilator 6 entsprechend Parametern, die von einem Arzt festgelegt werden, sowie Parametern, die von dem Ventilator 6 gemessen werden.
In einer Ventileinheit 30 wird ein Atemgas auf die richtige Zusammensetzung, den richtigen Druck bzw. Fluss gemischt. Unterschiedliche Gase können auf bekannte Weise über einen ersten Gaskonnektor 32A und einen zweiten Gaskonnektor 32B angeschlossen werden.
Messungen des Druckes und des Flusses können in verschiedenen Teilen des Systems durch einen ersten Durchflussmesser 34, einen ersten Druckmesser 36, einen zweiten Durchflussmesser 38, einen zweiten Druckmesser 40, einen dritten Durchflussmesser 42 und einen dritten Druckmesser 44 durchgeführt werden. Wenn der Druck und/oder der Fluss gemessen wird/werden, kann ein eingeleiteter Atemzug als Druckänderung und/oder Durchflussänderung erfasst werden. Die Steuereinheit 28 und eine oder mehr dieser Messvorrichtungen bilden dabei einen Respirationssensor. Diese Messvorrichtungen sind daher nur gezeigt, um aufzuzeigen, dass die Messung des Druckes und des Flusses an einer oder an einer Vielzahl von Stellen im System erfolgen kann.
Wenn der Patient 2 mit einem Atemzug beginnt, indem er Luft einzieht, wird die Wirkung des Steuersignals auf die Steuervorrichtung 28 herabgesetzt, verzögert oder gehemmt. Eine ausreichend starke Spontanatmung innerhalb eines spezifischen Zeitraumes nach Erfassen eines Respirationssignals durch den Respirationsdetektor 10 bedeutet, dass der Patient 2 während dieses Atemzuges keine andere Atemhilfe als eine Atemgaszufuhr benötigt. Unter diesen Umständen kann der Ventilator 6 als normaler Ventilator 6 funktionieren und den Patienten 2 gemäß einem vorgegebenen Muster oder entsprechend der Intensität der Spontanatmung des Patienten 2 unterstützen.
Im Prinzip kann der Respirationsdetektor 10 auch erfassen, wann der Patient 2 ausatmen möchte und dann ein Signal an den Ventilator 6 senden, um den Beginn einer Ausatmung (Exspiration) zu gestatten. Dies erspart dem Patienten 2 die Unannehmlichkeit eines aktiven Aufbaus von ausreichend Druck in den Lungen, um die Exspirationsphase zu aktivieren. Während der Exspiration kann ein Exspirationsventil 46 reguliert werden, um einen geeigneten positiven endexspiratorischen Druck (PEEP) für den Patienten 2 aufrechtzuerhalten.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Atmungsunterstützungsvorrichtungen bzw. Nervenimpulserfassungsvorrichtungen können an geeigneter Stelle abgeändert werden. Beispielsweise können mehrere Erfassungselektroden verwendet werden, um die Nervenimpulse in dem Ausführungsbeispiel, das einen Ventilator zeigt (1), zu erfassen.

Claims

Atmungsunterstützungssystem (6, 8, 10, 12), umfassend eine Vorrichtung (6), die zur Verbindung mit einem Lebewesen (2) angeordnet ist, um das Atmen des Lebewesens (2) zu erleichtern, zu unterstützen und/oder zu steuern, Sensormittel (18), die so ausgebildet sind, dass sie neuroelektrische Signale (Nervenimpulse) aus dem Lebewesen (2) aufnehmen, einen Analysator (20, 22) zum Identifizieren von atmungsbedingten Signalen aus den aufgezeichneten neuroelektrischen Signalen sowie einen Signalgenerator (24), der mit dem Analysator (20, 22) verbunden ist, um ein Steuersignal, das mit den identifizierten Signalen in Beziehung steht, zu erzeugen und an die Vorrichtung (6) zu senden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) ein Ventilator (6) ist, der so ausgebildet ist, dass er eine Einatmungsphase auslöst, indem er abhängig von dem von dem Signalgenerator (24) übertragenen Steuersignal einen Fluss eines Atemgases erzeugt.
Atmungsunterstützungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (18) so ausgebildet sind, dass sie neuroelektrische Signale aus dem Atemzentrum oder aus einem beliebigen Nerv, der das Atemzentrum mit der Atemmuskulatur verbindet, insbesondere dem Phrenikus, aufnehmen.
Atmungsunterstützungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Atmungssensor (28, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46), der so ausgebildet ist, dass er eine Spontanatmung des Lebewesens erfasst, wobei der Atmungssensor (28, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46) bei Erfassen einer Spontanatmung ein Detektionssignal erzeugt.
Atmungsunterstützungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Atmungssensor (28, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46) so ausgebildet ist, dass er die Stärke der Spontanatmung bestimmt und die Information über die Stärke der Spontanatmung in das Detektionssignal einbezieht und dass der Ventilator (6) so angepasst ist, dass er die Einatmungsphase entsprechend der Stärke der Spontanatmung auslöst.