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Diese
Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Abgabe vom Medikamenten und
insbesondere aber nicht ausschließlich Zerstäuber und dosimetrische Inhalationshilfen.
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Es
sind zahlreiche verschiedene Typen von Zerstäubern zur direkten Abgabe von
Medikamenten in die Lunge eines Patienten bekannt, gewöhnlich zur
Behandlung von Erkrankungen der Atemwege. Zerstäuber geben das Medikament normalerweise
in der Form von Tröpfchen
oder eines trockenen Pulvers ab. In den meisten Zerstäubern erfolgt
die Zerstäubung
des Medikaments in einen Luftstrom kontinuierlich, unabhängig davon,
ob der Patient ein- oder ausatmet. Die kontinuierliche Zerstäubung hat
jedoch zur Folge, daß ein
signifikanter Anteil des Medikaments während des Ausatmens verloren
geht.
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Die
allgemein bekannten Zerstäuber
sind entweder pneumatisch bestätigt,
mit Hilfe einer Druckluftquelle, die an den Zerstäuber angeschlossen
ist, der die Flüssigkeit
zerstäubt,
oder es sind Ultraschallzerstäuber,
die die Flüssigkeit
mit einem piezoelektrischen Kristall zerstäuben. In jüngerer Zeit ist ein siebartiger
Zerstäuber
entwickelt worden, bei dem das Medikament durch ein feines Sieb
gedrückt
wird, um Tröpfchen
des Medikaments zu erzeugen. Ein weiterer Typ eines Zerstäubers oder
Inhalationsgerätes
ist von der Art, die einen piezoelektrischen Vibrator in Verbindung
mit einer elektrostatischen Ladungsplatte verwendet, um ein Trockenpulver
zu fluidisieren und als Aerosol in einem Luftstrom zu dispergieren.
Ein solcher Zerstäuber
wird in
US 5 694 920 beschrieben.
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Der
optimale Durchmesser der Partikel oder Tröpfchen des Medikaments beträgt etwa
1–5 μm. Wenn die
Partikel oder Tröpfchen
größer sind
als dieser Wert, werden sie mit hoher Wahrscheinlichkeit im Luftweg aufprallen,
bevor sie die Lunge erreichen, und wenn sie kleiner sind als 1 μm, haben
sie die Tendenz, beim Ausatmen wieder aus der Lunge ausgetragen
zu werden, ohne daß sie
sich in der Lunge absetzen.
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Zerstäuber und
Inhalationsgeräte
dispergieren die kleinen Partikel des Medikaments in einen Luftstrom
oder einen Strom eines anderen Gases, der zu einem Patienten führt. Soweit
auf die Luft Bezug genommen wird, die als Träger für das darin mitgeführte Medikament
dient, sollen andere Gase eingeschlossen sein, die als Träger für das Medikament
geeignet sind.
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Ein
bekannter Zerstäuber
analysiert die Druckänderungen
innerhalb der Vorrichtung während
der ersten drei Atemzüge,
um eine mittlere Form des Atmungsmusters zu bestimmen. Ein zeitlich
abgestimmter Zerstäubungsimpuls
beginnt, wenn die nachfolgende Einatmungsphase einsetzt, so daß die Zerstäubung während der
ersten 50% der Einatmungsphase stattfindet. Dies ist in 1 illustriert,
wo das Atmungsmuster und der Impuls überlagert dargestellt ist.
Dadurch wird der Verlust an Medikament während der Ausatmung auf etwa
3% reduziert. 1 zeigt die Atemzüge in einer
Graphik, in der der Durchsatz gegen die Zeit aufgetragen ist. Wenn
die Behandlung beginnt, atmet der Patient durch den Zerstäuber dreimal
ein und aus, bevor die Behandlung einsetzt. Die ersten drei Atemzüge werden
gemessen, so daß der
zeitlich abgestimmte Zerstäubungsimpuls
während
50% der mittleren Einatmungszeit auftritt. Die Dauer der Einatmungsphase
ist mit T1, T2 und T3 angegeben. Diese Zeitspannen werden gemittelt
und durch 2 dividiert, um die Impulslänge für den nächsten, vierten Atemzug zu
bestimmen, bei dem die Behandlung beginnt. Für jeden nachfolgenden Atemzug wird
die Dauer des Zerstäubungsimpulses
bestimmt, indem die Dauer der Einatmungsphasen der vorherigen drei
Atemzüge
summiert und durch 3 dividiert wird, um einen Mittelwert zu erhalten,
und indem dann durch 2 dividiert wird. Die an den Patienten abgegebene
Dosis ist direkt proportional zur Dauer des Zerstäubungsimpulses,
und somit wird die Zerstäubungsperiode
summiert, und der Zerstäuber
wird abgeschaltet oder zeigt an, daß der Patient aufhören sollte,
sobald die an den Patienten verabreichte Dosis die für diese
Behandlung vorgeschriebene Menge des Medikaments erreicht.
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Es
sind andere Zerstäuber
bekannt, bei denen der zeitlich abgestimmte Zerstäubungsimpuls
auf einen anderen Wert als 50% der Dauer der Einatmung festgelegt
ist. Bei diesen anderen Zerstäubern
muß jedoch die
Impulslänge
für jeden
Patienten durch das medizinische Personal eingestellt werden. Viele
der Zerstäuber sind
deshalb nur für
den Gebrauch in einer kontrollierten Umgebung, etwa in einem Krankenhaus
geeignet. Die Einstellung der Impulslänge für jeden Patienten bedeutet,
daß die
meisten Zerstäuber
nicht für
den Heimgebrauch durch einen Patienten geeignet sind.
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DE 36 36 669 beschreibt
eine Vorrichtung zur Abgabe eines Aerosols in die Atemwege eines
Patienten, die getrennte Einatmungs- und Ausatmungsleitungen aufweist.
In der Einatmungsleitung ist ein Aerosolerzeuger angeordnet, der
nur während
der Ausatmungsphase des Patienten ein Aerosol erzeugt, so daß das Aerosol
einen Bereich in der Einatmungsleitung füllt. Beim Einatmen des Patienten
wird das Aerosol aus der Eintatmungsleitung in die Lunge des Patienten
eingesogen. Das Volumen des Aerosols ist jedoch festgelegt. Das
Volumen des Aerosols ist festgelegt, damit es für das angenommene Atemvolumen
angemessen ist, wenn ein Patient in einer bestimmten Weise atmet.
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GB 2 077 444 beschreibt
eine Vorrichtung, die geeignet ist für den Gebrauch bei der Bestimmung
von wenigstens zwei Parametern eines menschlichen oder tierischen
Atmungssystems. Die Vorrichtung umfaßt einen Drucksensor, einen
Durchflußsensor,
einen Volumensensor, eine Überwachungseinheit
und eine Berechnungseinheit, wodurch während jedes Atmungszyklus die Überwachungseinheit
wenigstens zwei Sätze
von gemessenen Werten für
den Druck und den Durchfluß und
das Volumen an die Berechnungseinheit liefert und die Berechnungseinheit
die gewünschten
Parameter des Atmungssystems anhand der Sätze der gemessenen Werte berechnet.
Das Volumen wird in herkömmlicher
Weise berechnet, indem der Durchfluß über die Zeit integriert wird.
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Es
wird verwiesen auf unsere parallel anhängige internationale Patentveröffentlichung
Nr. WO 97/48 431. 2 und 3 der vorliegenden
Anmeldung zeigen den Zerstäuber,
der in der oben genannten parallelen Patentanmeldung offenbart ist.
In 2 ist ein Mundstück 1 gezeigt, durch
das ein Patient in Richtung des Pfeiles 2 inhaliert. Unterhalb
des Mundstücks 1 befindet
sich ein entfernbarer Zerstäuberteil 3,
der seinerseits auf einem Sockel 4 ruht.
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Der
Sockel 4 ist in 3 genauer gezeigt. Gemäß 3 weist
der Sockel 4 einen Einlaß 5 auf, durch den
Luft unter Druck von einem Kompressor (nicht gezeigt) zugeführt wird.
Die Druckluft wird über
ein Rohr 6 zu einem Verteiler 7 geleitet, der
die Strömung
der Druckluft zu einem Luftauslaß 8 steuert, der Luft
in den in 2 gezeigten Zerstäuberteil 3 lenkt.
Der Sockel 4 enthält
außerdem
einen Drucksensor 9, der über einen Port 10 den
Druck im Inneren des Zerstäuberteils 3 erfaßt.
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Wie
wieder in 2 gezeigt ist, strömt Luft
unter Druck durch den Luftauslaß 8 des
Sockels 4 und wird durch eine rohrförmige Säule 11 zu einer Zerstäuberdüse 12 geleitet,
aus der die Luft unter Druck austritt. Im Weg der aus der Düse 12 austretenden
Druckluft ist ein Deflektor 13 angeordnet, so daß die Druckluft
seitlich abgelenkt wird und unterhalb eines Schildes 14 durchströmt. Der
Druchtritt der Druckluft durch das obere Ende der rohrförmigen Säule 11 bewirkt,
daß das
Medikament 15 zwischen der äußeren Oberfläche der
rohrförmigen
Säule 11 und
der inneren Oberfläche
einer die rohrförmige
Säule 11 umgebenden
Hülse 16 nach
oben angesaugt wird. Das Medikament 15 wird in den Luftstrom
zerstäubt
und in dem Luftstrom unterhalb des Randes des Schildes 14 und
nach oben durch das Mundstück 1 zu
einem Patienten mitgenommen.
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Der
Drucksensor 9 im Sockel 4 überwacht das Atmungsmuster
eines Patienten, und auf der Grundlage des Atmungsmusters wird der
Verteiler 7 so gesteuert, daß er die Druckluft nur während der
ersten 50% einer Inhalationsphase zum Zerstäuberteil 3 zuführt.
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Während oben
ein spezieller Typ eines Zerstäubers
beschrieben wurde, ist die vorliegende Anmeldung für den Einsatz
in einem beliebigen Typ eines Zerstäubers geeignet.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf andere Vorrichtungen zur Abgabe
von Medikamenten, beispielsweise auf Dosimeter, bei denen eine Dosis
eines Medikaments in Tröpfchen-
oder Pulverform in eine Dosimeterkammer oder Haltekammer freigesetzt
wird, aus der es der Patient inhaliert. Diese Vorrichtungen sind
besonders geeignet für ältere Patienten
oder Kinder, die Schwierigkeiten beim Gebrauch eines Multidosis-
oder Trockenpulver-Inhalationsgerätes haben, z.B. weil es ihnen
schwerfällt,
die Freisetzung des Medikaments mit dem Beginn der Einatmungsphase
zu koordinieren oder weil ihre Atmungsdurchsätze zu klein sind. Dosimeter werden
z.B. in der internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 96/13294
beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Abgabevorrichtung für Medikamente
eine Abgabeeinrichtung zur Abgabe von mit Medikamenten beladener
Luft sowie von Luft, die keinerlei Medikamente trägt, zur
Einatmung durch einen Patienten, eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines
Atmungsmusters des Patienten und eine Steuereinrichtung zur Steuerung
der Abgabeeinrichtung zur selektiven Abgabe der mit Medikamenten
beladenen Luft und der Luft, die keinerlei Medikamente trägt, da durch gekennzeichnet,
daß die
Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Abgabeeinrichtung so
zu steuern, daß sie die
mit Medikamenten beladene Luft in Impulsen abgibt, deren Länge und
deren Verhältnis
zur Einatmungsphase des Atmungsmusters durch die Steuereinrichtung
in Abhängigkeit
von dem durch die Überwachungseinrichtung überwachten
Atmungsmuster variiert wird.
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Ein
Verfahren zur Bestimmung der Dauer eines Impulses, während dessen
mit Medikamenten beladene Luft während
der Einatmung an einen Patienten abgegeben wird, umfaßt:
- (i) Messung des Atemvolumens eines Patienten;
- (ii) Messung der Dauer der Einatmungsphase eines Patienten;
- (iii) Speichern eines Schätzwertes
für das
Volumen der oberen Luftwege eines Patienten und
- (iv) Berechnen der Dauer des Impulses auf der Grundlage des
gemessenen Atemvolumens des Patienten, der gemessenen Dauer der
Einatmungsphase und des gespeicherten Schätzwertes für das Volumen der oberen Luftwege
des Patienten.
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In
diesem Dokument bedeutet "obere
Luftwege eines Patienten" den
Mund und die Luftröhre
und, sofern ein Zerstäuber
verwendet wird, vorzugsweise einschließlich des Volumens der Zerstäuberkammer.
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Die
Bestimmung der Länge
der Impulse ermöglicht
es, den Anteil der Inhalationszeit, während der die Zerstäubung stattfindet, über 50%
hinaus gegen 100% auszudehnen. Dies führt dazu, daß der Patient
seine Behandlung in kürzerer
Zeit erhält,
da es weniger Atemzüge
braucht, die erforderliche Dosis des Medikaments abzugeben. Allerdings
ist es zwecklos, die Abgabe des Medikaments in die Luft fortzusetzen,
die vom Patienten gegen Ende seiner Einatmungsphase eingeatmet wird
(das Endvolumen), da sie in den oberen Luftwegen verbleiben wird.
Das Medikament, das nicht über
die oberen Luftwege hinaus kommt, geht verloren, wenn der Patient
ausatmet.
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Somit
ermöglicht
es die Erfindung, einen Impuls zu erzeugen, der länger ist
als 50% aber endet, bevor das Endvolumen der Einatmung beginnt.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß der Patient die
Behandlungs vorschriften wesentlich besser einhalten wird, wenn die
Länge der
Behandlung reduziert ist.
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Zudem
erlaubt die Erfindung die automatische Optimierung der Impulslänge, ohne
daß sie
durch das medizinische Personal eingestellt werden muß. Das bedeutet,
daß die
Impulslänge
auf der Grundlage des Atmungsmusters des Patienten zu dem Zeitpunkt,
an dem das Medikament verabreicht wird, automatisch an jeden Patienten
angepaßt
wird. Somit kann ein Zerstäuber
oder eine andere Medikamentenabgabevorrichtung von dem Patienten
außerhalb
der kontrollierten Umgebung eines Krankenhauses benutzt werden und
kann insbesondere auch zu Hause benutzt werden. Außerdem ist
es möglich,
daß das
Gerät anzeigt,
wenn eine bestimmte Dosis verabreicht worden ist, so daß der Patient
nicht die Anzahl der Atemzüge
zu zählen
braucht, die er genommen hat.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
umfaßt
die Einrichtung zur Messung des Atemvolumens eines Patienten eine
Einrichtung zur Messung eines Spitzenwertes des Atemstroms des Patienten
und eine Einrichtung zur Vorhersage des Atemvolumens, zur Berechnung
des Atemvolumens auf der Grundlage des Spitzenwertes des Atemstroms,
der von der Einrichtung zur Messung des Spitzenwertes des Atemstromes
gemessen wird, und auf der Grundlage der vom Zeitgeber gemessenen
Dauer der Einatmung.
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Einige
oder sämtliche
Werte, die in den Berechnungen verwendet werden, sind Mittelwerte,
die aus einer Anzahl früherer
Messungen für
jedes Atmungsmuster abgeleitet sind. Zum Beispiel wird der Patient
mit der Einatmung durch das Gerät
beginnen, und das Medikament wird nicht während der ersten drei Atemzüge verabreicht.
Die ersten drei Atemzüge
werden analysiert, indem die Dauer der Einatmungsphase und die Spitzenströme während der
Einatmung aufgezeichnet werden, wie sie benötigt werden, um die Dauer eines
Zerstäubungsimpulses
zu bestimmen. Die Abgabe des Medikaments erfolgt beim vierten und
den nachfolgenden Atemzügen,
wobei jeweils die Werte in den Berechnungen aus einer Anzahl früherer Messungen
der Einatmungsphase eines Patienten abgeleitet sind, in diesem Fall
aus den vorherigen drei Einatmungsphasen.
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Wenn
das Gerät
ein Zerstäuber
ist, erfolgt die Zerstäubung
vorzugsweise mit Hilfe eines Gasstroms unter Druck, der durch den
Zerstäuber
hindurchströmt
und von einer Zufuhreinrichtung für Gas bereitgestellt wird.
Bei diesem Gas handelt es sich normalerweise um Luft, und die Zufuhreinrichtung
ist vorzugsweise ein Kompressor, der mit einem Akkumulator zusammenwirkt.
Bei der Zerstäubung
wird Gas aus dem Akkumulator dazu verwendet, das Medikament zu zerstäuben, und
der Kompressor erzeugt Druckluft zum Füllen des Akkumulators.
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Wenn
ein Patient einatmet, kann der Akkumulator geleert werden, so daß die Zerstäubung unterbrochen
wird. Deshalb enthält
der Zerstäuber
vorzugsweise eine Einrichtung zur Begrenzung der Dauer des Impulses,
so daß der
Akkumulator in einem Zustand gehalten wird, in dem er stets unter
gewissem Druck steht. Außerdem
kann der Akkumulator ein Ventil aufweisen, das, wenn der Akkumulator
voll ist, Gas an die Atmosphäre
abgibt und so verhindert, daß der
Akkumulator gefährlich überfüllt wird.
Häufig
ist es besser, den Kompressor ständig
in Betrieb zu halten und die überschüssige Luft
an die Atmosphäre
abzugeben als den Kompressor ein- und auszuschalten.
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Ein
Verfahren zur Vorhersage des Atemvolumens eines Patienten umfaßt:
- (i) Messung des Spitzenstromes eines Patienten;
- (ii) Messung der Dauer der Einatmungsphase des Patienten;
- (iii) Berechnen des Atemvolumens auf der Grundlage des gemessenen
Spitzenstromes und der gemessenen Dauer der Einatmungsphase des
Patienten.
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Die
Messung des Atemvolumens des Patienten beinhaltete bisher die fortlaufende Überwachung
des Atemstromes des Patienten, typischerweise alle 10 Millisekunden.
Der Strömungsdurchsatz
wird dann über die
Dauer der Einatmung integriert, um das Einatemvolumen zu bestimmen.
Gemäß der Erfindung
kann jedoch das Atemvolumen eines Patienten wesentlich einfacher
bestimmt werden. Diese Erfindung verringert das Ausmaß der erforderlichen
Datenverarbeitung und vermindert damit die Gesamtkosten für den Zerstäuber. Der Sptizenstrom
ist wesentlich einfacher zu messen und kann einfacher in einer Berechnung
zur Bestimmung des Atemvolumens benutzt werden.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend als Beispiel und unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
Graphik, die das Einatmungsmuster eines Patienten im Verlauf der
Zeit angibt und zeigt, wann der Zerstäubungsimpuls in den ersten
50% der Einatmungsphase auftritt, wie es bei einem bekannten Zerstäuber der
Fall ist;
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2 und 3 einen
bekannten Zerstäuber,
der Zerstäubungsimpulse
während
der ersten 50% der Einatmungsphase erzeugt;
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4 ein
Flußdiagramm,
das zeigt, wie der Zerstäubungsimpuls
während
der Einatmung bestimmt wird;
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5 eine
Graphik, in der das vorhergesagte Atemvolumen gegen das gemessene
Atemvolumen aufgetragen ist;
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6 ein
Flußdiagramm,
das die Begrenzung der Impulslänge
in Abhängigkeit
von der Zufuhr von Druckgas zeigt;
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7 den
Zerstäuber
zusammen mit einer Quelle für
Druckgas;
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8 einen
Luftakkumulator im Luft-Zufuhrsystem;
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9 ein
Blockdiagramm, das zeigt, wie der Zerstäuber gesteuert wird; und
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10 eine
Skizze eines Dosimeters gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Diese
Erfindung bezieht sich u.a. auf Zerstäuber von der Art, die Zerstäubungsimpulse
erzeugen, wie bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Zerstäuber.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf den oben beschriebenen speziellen
Zerstäuber
beschränkt,
sondern kann auf andere Zerstäuber
angewandt werden. Der Einfachheit halber wird die nachstehende Beschreibung der
vorliegenden Erfindung auf die Komponenten der herkömmlichen
Vorrichtung Bezug neh men, wie sie in 2 und 3 gezeigt,
ist, und weil viele dieser Komponenten, z.B. der Verteiler, in der
vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Der Zerstäuber kann
ein Strahlzerstäuber,
ein Ultraschallzerstäuber
oder ein Druck-Siebzerstäuber
sein.
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Bei
Strahlzerstäubern
gibt es zwei Arten, nämlich
Luftstrahlzerstäuber
und Flüssigkeitsstrahlzerstäuber. Ein
Beispiel eines Luftstrahlzerstäubers,
der mit einer Druckluftquelle zur Zerstäubung einer Flüssigkeit arbeitet,
wird in
EP 0 627 266 beschrieben
(Medic-Aid Limited). Ein Beispiel eines Flüssigkeitsstrahlzerstäubers, der
eine Flüssigkeit
durch eine oder mehrere Düsenauslässe preßt, um ein
Spray aus feinen Tröpfchen zu
erzeugen, wird in WO 94/07607 beschrieben (Boehringer Ingelheim
International GmbH et al).
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Ultraschallzerstäuber, die
Flüssigkeit
mit Hilfe von Ultraschallwellen zerstäuben, die gewöhnlich von einem
oszillierenden piezoelektrischen Element erzeugt werden, haben viele
Formen, einschließlich
solcher, bei denen Flüssigkeit
mit dem piezoelektrischen Element in direktem Kontakt steht, solcher,
bei denen ein verstärkendes
Zwischenglied, typischerweise ein eingeschlossenes Fluid, zwischen
dem piezoelektrischen Element und der Flüssigkeit vorhanden ist, und
solcher, bei denen das piezoelektrische Element ein Sieb in Schwingungen
versetzt, von dem Aerosol erzeugt wird. Beispiele für Ultraschallzerstäuber werden
beschrieben in
US 4 533 082 (Maehara
et al.) und
US 5 261 601 (Ross
et al.).
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Die
Zerstäuber,
die in diesen Dokumenten beschrieben werden, haben ein Gehäuse, das
ein Reservoir aufweist, das eine Menge der abzugebenden Flüssigkeit
aufnimmt, und das Gehäuse
hat eine perforierte Membran, die mit dem Reservoir in Berührung steht,
und einen Ultraschall-Vibrator, der mit dem Gehäuse verbunden ist, um die perforierte
Membran in Schwingungen zu versetzen.
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Ein
anderes Beispiel eines Ultraschallzerstäubers wird in WO 97/29851 beschrieben
(Fluid Propulsion Technologies, Inc). Ein Beispiel eines Druck-Siebzerstäubers, der
ein piezoelektrisches Element enthalten kann oder nicht, wird in
WO 96/13292 beschrieben (Aradigm Corporation).
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Die
Ausdehung des Anteils der Inhalationsphase des Patienten, in der
die Zerstäubung
stattfindet, auf mehr als 50% führt
dazu, daß die
Patienten ihre Behandlung schneller erhalten, da weniger Atemzüge benötigt werden,
um das geforderte Volumen des Medikaments abzugeben. Um jedoch die
Vergeudung des Medikaments zu vermeiden, das im Endvolumen des Eintatmungsvolumens
des Patienten zerstäubt
wird, muß der Zerstäubungsimpuls
beendet werden, bevor das Endvolumen erreicht wird. Das Endvolumen
ist das Luftvolumen, das von einem Patienten am Ende des Einatmungsvolumens
eingeatmet wird und in den oberen Luftwegen (dem Mund und der Luftröhre) verbleibt
und nicht in die unteren Bereiche der Lunge eintritt. Das Medikament,
das in dieses Endvolumen zerstäubt
wird, geht verloren, wenn der Patient ausatmet, zusammen mit etwa in
Luft zerstäubtem
Medikament, das im Zerstäuber
zurückgeblieben
ist, da es nicht die Lungen erreicht.
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Das
Endvolumen ist das Volumen der oberen Luftwege des Patienten und
ist proportional zur Größte des
Patienten. Natürlich
wird das Endvolumen als ein Prozentsatz des Einatmungsvolumens variieren,
da sich das Atemvolumen signifikant ändert, je nach Art und Ausmaß der Atembeschwerden,
unter denen der Patient leidet. Die optimale Dauer des Zerstäubungsimpulses
wäre deshalb
die Zeit vom Beginn der Einatmung bis zu dem Punkt während der
Einatmungsphase, bei der das noch einzuatmende Volumen gleich dem
Endvolumen ist. Die Zerstäubung
würde dann
beendet, und das verbleibende Endvolumen würde das zerstäubte Medikament
aus der Vorrichtung und den oberen Luftwegen des Patienten entfernen
und in die Lunge bringen. Somit wird der Prozentsatz der Einatmung,
in der zerstäubtes
Medikament abgegeben wird, maximiert, und dadurch wird die Behandlungszeit
minimiert und dennoch eine Vergeudung des Medikaments vermieden.
Die Länge des
Zerstäubungsimpulses
ist vom Einatemvolumen des Patienten abhängig. Der Zerstäuber muß deshalb das
Atemvolumen des Patienten messen, vorzugsweise von Atemzug zu Atemzug,
um, beispielsweise anhand der vorherigen drei Atemzüge, ein
mittleres Einatemvolumen für
den nächsten
Atemzug zu berechnen. Somit wird der Zerstäubungsimpuls wie folgt berechnet:
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In
dem Zerstäuber
ist ein Zeitgeber enthalten, der an den Drucksensor 9 (in 3 gezeigt)
angeschlossen ist, um die Dauer der Einatmung zu messen. Weiterhin
enthält
der Zerstäuber
eine Speichereinrichtung, in der ein Schätzwert für das Endvolumen eines speziellen
Patienten gespeichert ist. Da diese Größe für einen speziellen Patienten
eine Konstante ist, kann sie am Beginn eines Behandlungszyklus eingegeben
werden, und sie wird abgeschätzt
auf der Grundlage der Größe des Patienten.
Der Zerstäuber
enthält
eine Einrichtung zur Messung des Atemvolumens eines Patienten. Gemäß einer
Form der Erfindung wird der Atemstrom des Patienten fortlaufend überwacht,
typischerweise alle 10 Millisekunden, und dieser Atemstrom wird über die
Dauer der Einatmung integriert. Ein anderer, einfacherer Weg zur
Messung des Atemvolumens eines Patienten wird später in dieser Beschreibung
beschrieben werden.
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Der
Zerstäuber
enthält
auch eine Einrichtung zur Berechnung der Zeit des Zerstäubungsimpulses
auf der Grundlage der Dauer der Einatmung, des Atemvolumens und
des Endvolumens. Die Berechnungseinheit führt die oben skizzierte Berechnung
aus.
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In
Anbetracht der Tatsache, daß sich
der Zerstäuber
an das Atmungsmuster eines Patienten anpaßt, wenn der Patient zu atmen
beginnt, erfolgt keine Zerstäubung
während
der ersten drei Atemzüge.
Diese ersten drei Atemzüge
werden dazu verwendet, das Atmungsmuster des Patienten zu analysieren.
Der Strömungsdurchsatz
der ersten drei Atemzüge
wird gemessen, und hieraus wird die Dauer der Einatmungsphase der
ersten drei Atemzüge
berechnet und ein Mittelwert gebildet. Die mittlere Dauer der Einatmungsphase
wird dann in der Berechnung dazu benutzt, die Impulslänge des
Zerstäubungsimpulses
während
des vierten Atemzuges zu bestimmen. Während der Patient weiterhin
ein- und ausatmet, werden außerdem
die vorherigen drei Atmungsmuster gemessen und zur Berechnung der
nächsten
Impulsdauer verwendet. Wenn sich das Atmungsmuster eines Patienten
während
der Behandlung verbessert, wird sich somit der Zerstäuber an
diese Veränderung
anpassen, um die während
jedes Atemzuges verabreichte Dosis zu optimieren.
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Die
von dem Zerstäuber
und dem Patienten ausgeführten
Schritte werden nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Als erste Operation repräsentiert
ein Block 30 den Beginn der Inhalation durch einen Patienten.
Der Zeitgeber zeichnet die Zeit auf, zu der die Inhalation beginnt,
wie in Block 31 gezeigt ist, und während der Inhalation wird eine
Berechnung ausgeführt,
um das Atemvolumen des Patienten vorherzusagen, wie in Block 33 gezeigt
ist. Dieser Schritt wird weiter unten in dieser Beschreibung detaillierter
beschrieben werden, es ist jedoch zu bemerken, daß die Berechnung
Daten erfordert, die in die Berechnung einbezogen werden müssen, nämlich die
Inhalationszeit und den Spitzenstrom als ein Mittelwert aus den
letzten drei Atemzügen, wie
in Block 32 gezeigt ist. Die Impulszeit wird dann durch
die Berechnungseinrichtung berechnet, wie in Block 34 gezeigt
ist, und die Impulszeit wird angepaßt, wie in Block 35 gezeigt
ist, falls die Impulslänge
den Akkumulator leeren würde,
aus dem die Druckluft zum Zerstäuber
zugeführt
wird. Dieser Schritt, in Block 35 gezeigt, wird ebenfalls
weiter unten in dieser Beschreibung näher erläutert werden. Der Zerstäubungsimpuls
erfolgt während
der Inhalation, und nachdem er beendet ist, wird eine Berechnung
ausgeführt,
um zu bestimmen, welche Dosis zerstäubt worden ist. Am Ende des
Atemzuges werden, wie in Block 38 gezeigt ist, Einzelheiten
des Spitzenstromes bei der Einatmung durch den Patienten und die
Dauer der Einatmung aufgezeichnet, so daß Berechnungen zur Bestimmung
der Impulslänge
für die
nachfolgenden Atemzüge
gemacht werden können. Dies
ist in Block 39 gezeigt.
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Weiter
oben wurde eine einfachere Vorhersage des Atemvolumens erwähnt. Es
versteht sich, daß die Messung
des Atemvolumens durch Integration des gemessenen Strömungsdurchsatzes über die
Zeit der Einatmung eine beträchtliche
Rechenleistung erfordert und verhältnismäßig teuer ist. Es wird ein
einfacheres Verfahren zur Bestimmung des Atemvolumens vorgeschlagen,
das wesentlich einfachere Berechnungen und wesentlich einfachere
Messungen für
die Verwendung in einer solchen Berechnung erfordert. Um die Messung auszuführen, enthält der Zerstäuber einen
Spitzenstromdetektor zur Erfassung des Spitzenwertes des Strömungsdurchsatzes
bei der Einatmung.
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Das
berechnete oder vorhergesagte Atemvolumen wird abgeleitet aus dem
Spitzenstrom, der vom Spitzenstromdetektor gemessen wurde, und der
Dauer der Einatmung, die vom Zeitgeber gemessen wurde. Die Berechnungseinheit
für das
Atemvolumen führt
die folgende Berechnung aus:
C ist
eine Konstante, und es zeigt sich, daß C = 0,7.
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5 ist
eine Graphik, in der das vorhergesagte Atemvolumen gegen das gemessene
Atemvolumen aufgetragen ist. Jeder Punkt in der Graphik repräsentiert
einen Patienten, dessen Atemvolumen durch eine komplexe Berechnung
des Atemvolumens gemessen wurde, durch Integration des Einatemstroms
des Patienten über
die Dauer der Einatmung, und das vorhergesagte Atemvolumen nach
dem neuen, einfacheren Berechnungsverfahren. Man erkannt, daß die vorhergesagten
Atemvolumen äußerst präzise sind
und somit das vorhergesagte Atemvolumen in der Berechnung der Zeit
des Zerstäubungsimpulses
verwendet werden kann.
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Die
Verwendung eines Kompressors mit niedrigem Durchsatz in Verbindung
mit einem Akkumulator zur Zufuhr von Druckluft zu dem Zerstäuber wird
in unserer früheren
Patentanmeldung beschrieben, die als WO 97/48431 veröffentlicht
worden ist, auf die weiter oben Bezug genommen wurde. In der Vergangenheit wurde
die Größe des Kompressors
und des Akkumulators so gewählt,
daß der
maximale Impuls, der von der Vorrichtung abgegeben werden kann (gegenwärtig 50%
der Einatmungszeit) für
irgendeinen gegebenen Impuls oder für den mittleren Ausstoß des Kompressors
nicht das Volumen des Akkumulators überschreitet. Da nun die Impulszeit
variabel ist, ist es bevorzugt, die maximale Impulszeit zu berechnen,
die vom Luft-Zufuhrsystem her verfügbar ist. Für Patienten, die einen etwas
höheren
Einatmungsbedarf haben, wird die Impulszeit für die Zerstäubung reduziert, so daß die Zufuhrkapazität des Luft-Zufuhrsystems
nicht überschritten
wird. Die Berechnung wird Atemzug für Atemzug ausgeführt, unter
der Annahme, daß der
Akkumulator mit einem konstanten Durchsatz aus dem Kompressor gefüllt wird.
Das Luftvolumen, das dem Akkumulator vom Ende des vorherigen Impulses
bis zum Beginn des nächsten
Impulses zugeführt
wird, wird berechnet und dann zu dem Volumen addiert, das am Ende
des vorherigen Impulses verblieben ist.
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6 ist
ein Flußdiagramm,
das die Berechnungen zeigt, die ausgeführt werden, um sicherzustellen, daß das Luftvolumen
das Volumen des Akkumu lators nicht überschreitet. Wenn berechnet
wird, daß die
Luft im Akkumulator oberhalb des Maximalvolumens des Akkumulators
ist, wird das Volumen auf den Maximalwert gesetzt V = Vmax).
Der Grund ist, daß ein
automatisches Entlüftungsventil
vorhanden ist, das das im Akkumulator gespeicherte Luftvolumen begrenzt.
Die maximale Impulszeit kann dann berechnet werden auf der Grundlage
der Abflußrate
der Luft aus dem Akkumulator, d.h., des Durchsatzes des Zerstäuberstrahls
minus Durchsatz des Kompressors. Wenn diese das im Akkumulator verfügbare Volumen überschreitet,
so wird die Impulszeit auf das aktuelle Akkumulatorvolumen begrenzt.
Das Volumen des Akkumulators am Ende des Impulses wird dann berechnet,
damit es am Beginn der nächsten
Berechnung zu Beginn der nächsten
Einatmungsphase des Patienten benutzt werden kann. Somit wird die
maximale Impulszeit für
einzelne Atemzüge berechnet,
ohne daß die
Kapazität
des Luft-Zufuhrsystems überschritten
wird. Der Kompressor hat einen konstanten Ausstoß-Durchsatz, typischerweise
1,5 Liter pro Minute, und der Zerstäuberstrahl hat einen Durchsatz von
6 Litern pro Minute während
des Impulses. Der Akkumulator hat ein Volumen von annähernd 150
ml bei Normaldruck und -temperatur.
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7 zeigt
den Zerstäuber 50,
der durch einen flexiblen Schlauch 52 mit der Luftzufuhr 51 verbunden ist.
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In 8 ist
der Akkumulator gezeigt, der ein Entlüftungsventil 63 zur
Begrenzung der maximalen Ausdehnung des Akkumulators hat. Wenn jeder
Impuls an den Zerstäuber
abgegeben wird, wird der Durchmesser des Akkumulators reduziert,
und das Entlüftungsventil 63 wird
geschlossen.
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Der
Kompressor kann durch Netzspannung oder aus einer Batterie versorgt
werden. Die Pumpe, insbesondere eine mit Netzspannung gespeiste
Pumpe, arbeitet während
des Gebrauchs kontinuierlich und bläht den Akkumulator auf. Wenn
der Druck im Akkumulator ein gefordertes Niveau erreicht, wird ein
Druckschalter in einem in der Hand gehaltenen Teil des Zerstäubers aktiviert,
wie in einer oben erwähnten
früheren
Patentanmeldung beschrieben wird. Dadurch wird der Zerstäuber eingeschaltet.
Wenn die Behandlung abgeschlossen ist, wird der Kompressor ausgeschaltet.
Der Akkumulator kollabiert, und der Druckschalter in dem in der Hand
gehaltenen Teil des Zerstäubers
deaktiviert die Einheit.
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Gemäß 8 versorgt
die Pumpe den Akkumulator über
einen Einlaß 64 mit
Luft. Das Aufblähen
der Membran 61 des Akkumulators wird durch eine Anordnung
gesteuert, die einen Arm 62 aufweist, der mit einem Entlüftungsventil 63 verbunden
ist. Wenn die Membran 61 des Akkumulators die maximal gewünschte Ausdehnung
erreicht, berührt
sie den Arm 62, um das Entlüftungsventil 63 zu öffnen. Dieses
gibt den Luftstrom aus dem Kompressor an die Atmosphäre ab und
hält den
Akkumulator auf einer festen Ausdehnung. Während des Gebrauchs wird Luft über einen
Auslaß 65 aus
dem Akkumulator abgelassen, und die Membran 61 schrumpft
und verliert den Kontakt zu dem Ventilarm 62, der das Ventil 63 schließt, so daß der Kompressor den
Akkumulator wieder aufladen kann, bis der Ventilarm 62 wieder
das Entlüftungsventil 63 betätigt.
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Ist
es auch vorteilhaft, den Akkumulator zur Atmosphäre zu entlüften, wenn der Kompressor ausgeschaltet
wird, und dies wird dadurch erreicht, daß der Hauptschalter 66 mit
einem Drehknopf 67 auf der Oberseite des Akkumulators montiert
ist. Die Unterseite des Knopfes 67 weist einen Nocken 68 auf,
der den Ventilarm 62 berührt, um das Ventil 63 zu öffnen und
so den Druck aus dem Akkumulator abzulassen. Gleichzeitig wird der
Kompressor ausgeschaltet. Wenn der Kompressor wieder eingeschaltet
wird, löst
sich der Nocken 68 vom Ventilarm 62, so daß das Entlüftungsventil 63 geschlossen
wird.
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9 illustriert
eine vereinfachte Form der Art und Weise, in der all die Komponenten
des Zerstäubers miteinander
verbunden sind. Der Kompressor und Akkumulator 70 sind
als vom in der Hand gehaltenen Teil des Zerstäubers 71 getrennt
dargestellt, jedoch verbunden durch einen Schlauch 72,
der die Druckluft in den Zerstäuber 71 leitet.
Im Kompressor- und Akkumulatorteil 70 ist die Pumpe gezeigt,
die den Akkumulator mit Druckluft versorgt. Im Zerstäuberteil 71 wird
der Zerstäuber
durch das Vorhandensein von Druckluft im Schlauch 72 am
Druckschalter 73 eingeschaltet. Der Zerstäuberteil 74 des
Zerstäubers
wird durch ein Ventil oder einen Verteiler 75 gesteuert,
der die Druckluftimpulse steuert. Das Atmungsmuster eines Patienten
wird von einem Sensor 76 detektiert, der Information über das
Atmungsmuster an den Mikrocontroller 77 liefert, der seinerseits
den Verteiler 75 steuert. Wenn eine Dosis des Medikaments
abgegeben worden ist, so wird eine Anzeigeeinrichtung wie etwa eine
LED oder ein Summer 78 durch den Mikrocontroller aktiviert
um anzuzeigen, daß die
Behandlung des Patienten abgeschlossen ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 10 gezeigt, wobei es sich um
ein Dosimeter 80 handelt, das eine Haltekammer 81 aufweist,
die an einem Ende einen Auslaß 82 hat,
der mit einem Mundstück 83 verbunden
ist. Ein Drucksensor 84 ist zwischen dem Mundstück 83 und
der Haltekammer 81 angeordnet. Dieser Sensor 84 mißt den Druck
im Mundstück,
woraus der Strömungsdurchsatz
der vom Patienten ein- und ausgeatmeten Luft gemessen werden kann.
Das Mundstück 83 hat
auch ein Entlüftungsventil 85,
das es einem Patienten erlaubt, durch das Mundstück 83 auszuatmen,
ohne die Haltekammer 81 zu füllen. Näheres über das Entlüftungsventil
wird weiter unten beschrieben.
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Innerhalb
der Haltekammer ist ein Kolben 86 gezeigt, der sich in
Längsrichtung
bewegt, um das Volumen an Luft zu variieren, das in der Haltekammer 81 für einen
Patienten beim Einatmen zur Verfügung
steht. Der Kolben hat eine Zahnstange 87, die durch das
Ende der Haltekammer 81 herausragt, so daß die Zähne mit
dem Finger eines Elektromagneten 88 in Eingriff kommen
können.
Ein Lufteinlaß 89 befindet
sich am linken Ende der Haltekammer und erlaubt es, daß Luft in
den Raum hinter dem Kolben eintreten oder daraus austreten kann,
wenn sich der Kolben nach rechts oder links bewegt.
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Im
Gebrauch wird der Kolben 86 zurückgezogen, um die Haltekammer 81 mit
Luft zu füllen.
Die Luft in der Haltekammer 81 wird dann mit einem Medikament
beladen, entweder in der Form von flüssigen Tröpfchen oder in der Form einer
Wolke aus Pulver. Diese wird über
einen Port 82 in die Haltekammer 81 abgegeben,
und dies erfordert normalerweise das Entfernen des Mundstücks 83.
Ein Mundstück 83 kann
dann wieder eingesetzt werden, und ein Patient atmet durch das Mundstück 83 ein
und aus. Während
der Einatmung atmet der Patient die mit Medikamenten beladene Luft
aus der Haltekammer 81 ein, und während der Ausatmung wird die
ausgeatmete Luft durch das Ventil 85 an die Atmosphäre abgegeben.
Während
der Ausatmung verriegelt der Elektromagnet 88 die Zahnstange 87 des
Kolbens 86, so daß dieser
sich nicht bewegt und somit die Haltekammer nicht mit ausgeatmeter
Luft gefüllt
wird. Gemäß der Erfindung
kann sich jedoch der Kolben 86 nur während eines Teils der Einatmungsphase
frei bewegen, und er wird durch den Elektromagneten 88 in seiner
Position verriegelt, während
der Patient das Endvolumen einatmet. Nachdem der Kolben einmal verriegelt
ist, ist das Ventil 85 so ausgebildet, daß der Druckabfall
im Mundstück 83,
der durch das Verriegeln des Kolbens 86 verursacht wird,
das Ventil 85 öffnet,
so daß Umgebungsluft
in das Mundstück
eingesogen werden kann. Natürlich
kann in dem Mundstück
auch ein separates Ventil vorgesehen sein, um diese Funktion geeignet
auszuführen.
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Die
Berechnung der Impulslänge,
während
der der Kolben 86 sich frei bewegen kann, um die Abgabe des
Medikaments an den Patienten zu ermöglichen, wird auf die gleiche
Weise bestimmt, wie oben in Bezug auf den Zerstäuber beschrieben wurde. Die
Atmung des Patienten während
der vorherigen drei Atemzüge
wird von dem Sensor 84 so überwacht, daß die gleichen
Berechnungen angestellt werden können,
wie oben beschrieben wurde. Beim nachfolgenden Atemzug detektiert
der Sensor den Beginn des Atemzuges, und nach der Dauer des Impulses
wird der Kolben verriegelt.
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Eine
solche Anordnung verringert den Verlust des Medikaments, das im
Endvolumen an Luft vorhanden ist, das normalerweise vom Patienten
eingeatmet wird.
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Diese
Erfindung ist auch auf andere Typen von medizinischen Inhalationsgeräten anwendbar.
Wie z.B. im Einleitungsteil dieser Beschreibung beschrieben wurde,
wird in
US 5 649 920 ein
Inhalationsgerät
für Trockenpulver
beschrieben, das einen piezoelektrischen Vibrator und eine elektrostatische
Ladungsplatte benutzt, um ein trockenes Pulver zu fluidisieren und
in den Luftstrom des Patienten zu dispergieren. Die elektrostatische
Ladungsplatte kann in Abhängigkeit
vom Atmungsmuster des Patienten betätigt werden, so daß Impulse
erzeugt werden, in denen das pulverförmige Medikament in den zum
Patienten führenden
Luftstrom abgegeben wird. Die Länge
der Impulse kann genau auf die gleiche Weise wie bei den zuvor beschriebenen
Ausführungsformen
so bestimmt werden, daß das
trockene Pulver nicht in das Endvolumen des zum Patienten führenden
Luftstroms dispergiert wird.
