SE513969C2 - Anordning och förfarande för bestämning av respirationssystemetsmekaniska egenskaper - Google Patents

Description

513 969 andningen. Förfarandet är omfattande och kräver egna sensorer för tryck och volym och används därför endast för vetenskapliga ändamål. Detta för- farande är i princip ej användbart för spontant andande patienter.

Sydow et al. (Intensive Care Med. (1991) l7:108) beskriver ett förfarande i vilket andningen avbryts vid en på förhand bestämd punkt medelst en snabbkopplande ventil (detta förlopp betecknas ocklusion). Efter tryckut- jämning mäts det i lungan föreliggande trycket. Avbrottet genomförs vid flera andningstag efter varandra, varvid en väntetid är inskjuten mellan de enskilda avbrotten, under vilka lungan återigen kan anta ett utgångstill- stånd.

Detta förfarande misslyckas om patienten ej är avslappnad. En bestämning av de mekaniska egenskaperna hos respirationssystemet vid närvaro av spontanandning är därmed ej möjlig.

Vidare är ett förfarande känt för fastställandet av andningsdrivningen, vid vilket inandningsventilen sluts innan en spontan inandning (bruksanvisning EVITA, Drägervverk, Lübeck, t.ex. GA EVITA 4, upplaga juli 1994, sidan 127). Som mått för andningsdrivningen utvärderas tryckfallet för de första 100 ms av inandningen, det så kallade P0.1. Detta förfarande möjliggör dock inte fastställandet av spontanandningen under hela cykeln. Vidare är ett fastställande av de mekaniska egenskaperna hos respirationssystemet därmed ej möjligt.

Kreit et al. (Am J Respir Care Med (1994), 14921085) beskriver ett mate- matiskt förfarande för analys av spontanandning vid assisterande andning, varvid andningsmuskelns kraft representeras genom det så kallade muskel- trycket Pmus. Genom det kända matematiska sambandet mellan andnings- tryck. Paw, muskeltryck Pmus, andningsvolym V och andningsflöde dV/ dt kan med känd följsamhet C och känt motstånd R muskeltrycket Pmus beräknas: (fl __; (N \O O\ \O 3 (1) Pmus + Paw = R* dv/di + v/c (Ia) Pmus = R * dv/di + v/c - Paw Av de 6 faktorerna i denna ekvation är 3 tillgängliga för mätning (Paw, dV/ dt och V). Författarna förutsätter att de mekaniska egenskaperna (följsamhet och motstånd) hos respirationssystemet är kända, genom att de för detta ändamål utnyttjar de värden som uppmättes innan spontanandningen.

Detta gör det möjligt att beräkna Pmus.

En nackdel med detta förfarande är att värdena för R och C måste vara kända för att det skall kunna användas, varvid dessa storheter endast är fastställbara under uteslutande av spontanandning. Förändringar av de mekaniska egenskaperna hos respirationssystemet, vilka som regel inträffar under en andning, leder därmed tvångsmässigt till fel vid fastställandet av Pmus. Vidare fastställs Pmus genom subtraktion av relativt stora värden, vilket framgår av ekvationen (Ia). Små mätfel leder därmed till ett relativt stort fel vid bestämningen av Pmus.

I EP 521 515 beskrivs en anordning för övervakning av andningsmuskula- turens aktivitet hos en patient som andas. Ur de uppmätta värdena för and- ningstrycket Paw och andningsflödet dV/ dt beräknas muskeltrycket Pmus enligt följande formel: (2) Pmus = - Paw + R* dv/dt + fifldv/dfldt med elastíciteten E=l / C.

Också denna anordning har nackdelen att värdena för motståndet och följ- samheten (respektive elasticiteten) måste vara kända. För mätning av dessa värden måste patientens spontanandning undertryckas, genom att and- ningsmuskulaturen förlamas övergående. 513 969 Syftet med uppfinningen är att tillhandahålla ett förfarande och en anord- ning för genomförande av detta förfarande, varigenom det skall vara möjligt att bestämma de mekaniska egenskaperna följsamhet, motstånd och muskeltryck i respirationssystemet hos en patient som andas för alla and- ningsförfaranden. Därvidlag skall den normala andningen bara störas mini- malt, i synnerhet skall en undertryckning av spontanandningen ej krävas.

Användning av ytterligare sensorer eller ventiler skall ej nödvändigtvis krävas.

Syftet löses genom att den tidsbestämda ändringen av andningsvägstrycket fastställs under en mättid som ligger inom ocklusionstiden, ocklusionen hos flera andningstag inleds vid respektive olika tidpunkter inom andnings- cykeln, att de tidsbestämda ändringarna av muskeltrycket hos patienten fastställs ur de uppmätta värdena av det tidsbestämda förloppet och att det tidsbestämda förloppet för muskeltxycket beräknas genom integration av detta förlopp över tiden.

Fördelen med uppfinningen är att det är möjligt med en kontinuerlig mätning av muskeltrycket hos patienten och därmed en övervakning av styrkan hos patientens spontanandning utan att innan detta bestämma följ- samheten och motståndet och utan undertryckning av patientens spontan- andning såsom i känd teknik. Ändringarna av följsamhet och motstånd i patientens lunga fastställs därmed löpande.

Genom styrning av andningsapparaten framkallas en ocklusion under kort tid vid bestämbara punkter under en andningscykel, medan patientens respektive spontanandning avbryts genom slutandet av en inandningsventil och en utandningsventil av andningsapparaten eller genom slutandet av en särskild ocklusionsventil vid en patientanslutning. Ocklusionen kan därvidlag utlösas vid uppnåendet av en angiven tid innan inandningsbörjan, uppnàendet av en angiven andningsvolym eller uppnåendet av ett angivet andningsflöde. xoi 69 515 Efter ocklusionsbörjan läggs en väntetid på omkring 20 till 200 ms in, inom vilken svängningarna i andningssystemet avklingar. Vid användning av en ocklusionsventil vid patientanslutningen krävs endast en kort väntetid, eftersom svängningssystemets längd är mycket ringa. Efter denna väntetid mäts trycket och den tidsbestämda ändringen av trycket under en mättid på omkring 50 till 200 ms längd. Vidare fastställs den in- respektive utandade andningsvolymen vid början av ocklusionen och andningsflödet vid början av ocklusionen. Slutpunkten för mättiden måste väljas så att patienten 'inte redan har reagerat pà ocklusionen med en förändring av sin muskelspänning.

Efter början av ocklusionen är andningsflödet lika med noll. Därmed gäller (3) Pmus + Paw = V/C (4) dPmus/dt= -dPaw /dt.

Genom mätning av tryckförändringens stigning under mättiden erhåller man därmed ett värde för den tidsbestämda ändringen av muskelspänningen dPmuS/ dt för en särskild tidspunkt inom andningscykeln (värdet kan t.ex. tillordnas mitten av mättiden). Genomförs ocklusionen och bestämningen av dPmuS/ dt vid flera andningstag vid respektive olika tidpunkter inom and- ningscykeln, så erhåller man det tidsbestämda förloppet av dPmus/ dt över en andningscykel.

Integrationen av tidsförloppet av dPmuS/dt med ett av de matematiskt kända förfarandena ger då - förutom en villkorligt adderad konstant K - det tidsbestämda förloppet för muskelspänningen Pmusfty Adderar man det uppmätta andningsvägstrycket Paw och det beräknade muskeltrycket Pmus till ett totaltryck Ptot, så erhåller man: 513 969 (6) Ptot: Paw+Pmus=V/ C+K, Ritar man upp Ptot och andningsvolymen V erhåller man en rak linje vars stigning utgör elasticiteten E=1/ C hos respiratíonssystemet.

Värdet för lungans motstånd R hos patienten beräknas ur skillnaden mellan andningsvägtrycket omedelbart före (Pawo) och omedelbart efter (Fawr) ocklusionen delat med andningsflödet omedelbart före ocklusionen som sker vid tiden to: (7) R=(PaWO"PaWT)/ (dv/ dt) Värdet Fawr erhålles genom en rät linje Paw som är anpassad till mät- värdena för ändringen av Paw under mättíden, som är extrapolerad till tid- punkten to.

Mäts andningsvolymen med en anordningsintern sensor så är det ända- målsenligt att korrigera den uppmätta andningsvolymen med avseende pä inflytandet av följ samheten hos andningssystemet för att förhöja förfarandets noggrannhet.

Då gäller: (8) ppatienfv' csysiAp där: AP = tryckskíllnaden mellan början av inandningen och tidpunkten för mätningen och Csys=följsamheten hos andningssystemet.

De ovan visade uträkningarna genomförs dä med det korrigerade värdet Vpatíent istället för värdet V. Vid mätning av andningsvolymen med en sensor som är anordnad vid patientanslutningen, d.v.s. i omedelbar anslut- ning till patientens mun är denna korrigering ej nödvändig. 513 969.

Bestämningen av värdena C, R och Pmus kan också ske med modifierade ekvationer i vilka termerna inte behandlas som tidsvariabler utan som and- ningsvolymvariabler.

Förutsättningen för en exakt bestämning av värdena C, R och Pmus är att alla andningstag, som används för integrationen av dPmuS/dt är längt- gående identiska. Detta säkerställs genom att tidsförloppet för trycket, and- ningsflödet och andningsvolymen innan början av ocklusionen kontrolleras med avseende på överensstämmelse för alla andningstag. Därför upptas förloppen hos ett referensandningstag och motsvarande värden för det aktuella andningstaget jämförs med detta referensandetag. Ligger avvikelserna under ett gränsvärde så används andningstaget för utvärdering.

Som gränsvärde väljs, beroende på kraven för noggrannheten ett värde pä % till 25% av respektive mätvärde.

Det är också möjligt att ta upp flera referensandningstag och behandla de värden som är tillordnade respektive referensandningstag åtskilt vid ut- värderingen och bilda medelvärde av slutresultatet. Därigenom görs flera andningstag användbara för utvärderingen.

Sensorerna för mätning av andningsvolymen och andningsvägtrycket kan anbringas direkt vid patientanslutningen eller så kan de sensorer som i van- liga fall finns i en normal andningsapparat användas.

Uppñnningen kommer att beskrivas med hjälp av utföringsexempel och ritningar.

Ritningarna visar: Figur 1 är en andningsapparat med en därtill ansluten patient, Figur 2 är tidsförloppet för andningsvägtrycket vid en ocklusion, Figur 3 är tidsförloppet för andningsvägtrycket för flera andningstag, Figur 4 är tidsförloppet för ändringen hos andningsvägtrycket, Figur 5 är tidsförloppet för muskeltrycket, Figur 6 är totaltrycket i förhållande till andningsvolymen och U I ...à (N xO (LN \O oo Figur 7 är ett blockschema av styrningen och utvärderingsanordningen.

Den i figur 1 visade andningsapparaten 1 är förbunden med en patient 3 (endast symboliskt visad med andningsorganen) via en patientanslutning 2. I andningsapparaten 1 är en ej närmare beskriven andningsstyrning 4 anordnad, som är förbunden med patientanslutningen 2 via en inandnings- ventil 5 och en utandningsventil 6. I patientanslutningen 2 är en ström- ningssensor 7 och en trycksensor 8 anordnad. Sensorerna är förbundna med en utvärderingsanordning 11 via mätledningarna 9 och 10, varvid ut- värderingsanordningen i sin tur är förbunden med en styrning 13 via en led- ning 12. Via styrledningarna 14 och 15 är styrningen 13 förbunden med manövreringsorgan 16 och 17 för att manövrera inandningsventilen 5 och utandningsventilen 6. Utvärderingsanordningen 11 är förbunden med en ut- matningsapparat 19 via en utrnatningsledning 18.

Medan patienten 3 får hjälp med andningen genom andningsapparaten 1 utvärderas, medelst utvärderingsanordningen 11, de med sensorerna 7 och 8 uppmätta värdena. Motsvarar förloppet ett andningstag inom fastställda gränser av förloppet för ett tidigare lagrat referensandetag, så inleder styr- ningen 13 en ocklusion vid en på förhand bestämd tidpunkt inom andnings- taget. För detta ändamål sluts inandningsventilen och utandningsventilen 6 genom att manövrera manövreringsorganen 14 och 15. Ocklusionen inleds vid flera andningstag vid olika tider inom respektive andningstag. Ur de upp- mätta värdena bestämmer utvärderingsanordningen 11 storheterna för följ- samhet och motstånd i patientens lunga samt förloppet för muskeltrycket och avger dessa storheter till utmatningsapparaten 19 via utmatningsled- ningen 18. Utrnatningsapparaten 19 kan t.ex. vara en bildskärm, på vilka storheterna visas grafiskt.

I figur 2 visas andningsvägtrycket Paw över tiden t för en inandningsfas. Vid tidpunkten to inleds en ocklusion vid andningsvägtrycket PaWO. Därefter faller andningsvägtrycket snabbt och det uppstår små svängningar i and- ningssystemet som har avklingat vid tidpunkten tl. Under en mättid mellan tidpunkterna tl och t2 mäts andningsvägstrycket Paw flera gånger. I utvär- 513 969 deringsenheten 11 bestäms ett värde för dPaW/ dt genom linjeanpassning till mätvärdena och tillordnas tidpunkten tM. Vid tidpunkten tM föreligger and- ningsvägtrycket Pawm. Genom extrapolation av den anpassade linjen till tid- punkten to erhålles ett värde Pam, som representerar andningsvägtrycket omedelbart efter början av ocklusionen. Ur värdena Pawo och Fawr samt andningsflödet vid tidpunkten to kan enligt formeln (7) värdet för motståndet R bestämmas.

Såsom figur 3 visar upprepas ocklusionen med fastställandet och ut- värderandet av mätvärdena vid flera andningstag vid olika tidpunkter ta, tb, tc inom respektive andningstag.

Figur 4 visar de uppmätta värdena för dPmus / dt i förhållande till mättiden tM, varvid tM avser en andníngscykel. Mätvärdena är förbundna genom en kurva. I de områden där kurvan förlöper nästintill linjärt kan mätpunkterna ligga relativt långt från varandra och förbindas med en linje utan att det uppstår några nämnvärda fel i utvärderingen. I områden där kurvan är starkt böjd måste mätpunkterna ligga närmare varandra.

Figur 5 visar integralen av kurvan i figur 4, som förutom en adderad konstant K visar tidsförloppet för muskeltrycket Pmus.

I figur 6 visas värdet Ptøt, som erhålles genom att addera respektive till- hörande värden för Pawm (se figur 2) och Pmus, i förhållande till andnings- volymen V. Andningsvolymen V är den volym som in- respektive utandats från början av respektive inandnings- eller utandningsfas till början av ocklusionen. Stigningen hos en rät linje som är anpassad till mätvärdena ger följsamheten C för patientens lunga (stigningen för linjen =1 / C).

Figur 7 visar ett schematiskt blockschema för utvärderingsanordningen 11 och styrningen 13. Den i figur 1 visade ledningen 12 mellan utvärderings- anordningen l 1 och styrningen 13 är i figur 7 mer detaljerad och visas som ledningarna 9, 10, 25 och 36. Funktionen kommer att beskrivas nedan: Innan den egentliga mätningen börjar lagras mätvärden för ett referensandetag i ett rninne 20, vilka mätvärden kommer från strömnings- sensorn 7 och trycksensom 8 via ledningarna 9 och 10. Under mätningen jämförs mätvärdena löpande med referensandetaget medelst en komparator 21. Ligger avvikelsen mellan mätvärdena och referensandetaget under ett på förhand bestämt gränsvärde, så används andningstaget för utvärdering.

Komparatorn 21 avger då en signal till en ocklusionsstyming 23 via en led- ning 22, vilken sluter inandningsventilen 5 och utandningsventilen medelst manövreringsorganen 16 och 17 via ledningarna 14 och 15.

Tidpunkten för mätningen relativt början av respektive andningstag lagras i ett minne 24. Lagringen triggas av ocklusionsstyrningen 23 via en ledning .

Mätvärdena för strömningssensorn 7 integreras över tiden medelst en inte- grator 26 till värdet för andningsvolymen V. Värdet för den in- respektive ut- andade andningsvolymen vid början av en ocklusion lagras i ett minne 27.

Lagringen triggas av ocklusionsstyrningen 23 via ledningen 25.

Det av trycksensorn 8 levererade värdet Pawo för andningsvägtrycket vid början av ocklusionen lagras i ett minne 28. En linjeanpassning 29 bestämmer den tidsbestämda ändringen av andningsvägtrycket, som lagras i ett minne 30. Linjeanpassningen 29 levererar värdet Pawr för andningsväg- trycket som är tillbakaextrapolerat till tidpunkten to via en ledning 31.

Andningsflödet som föreligger vid början av ocklusionen vid tidpunkten to lagras i ett minne 32. I en subtraktionsenhet 33 bildas skillnaden mellan Pawo och Fawr. I en dividerare 34 delas denna differens med det i minnet 32 lagrade värdet för andningsflödet. Resultatet är motståndet R, som leds till visningsenheten via en utmatningsledning 18a. l minnet 30 är de tídsbestämda ändringarna för andningsvägtrycket under mättiden från tl till tg (se figur 2) lagrat. I en integrator 35 integreras värdena för flera andningstag ur minnet 30 över mättiden, vilken kommer 515 7,69 ll via en ledning 36 ur minnet 24. Resultatet är muskeltrycket Pmus, som leds till visningsenheten 19 via en utmatningsledning 18b.

Muskeltrycket Pmus adderas i en adderare 37 med värdet för Pawm, som kommer via en ledning 38 ur linjeanpassningen 29, till totaltrycket Ptot. Via en utmatningsledningen 18e leds värdet för Ptot till visningsenheten 19.

I en andra linjeanpassning 38 anpassas en linje för värdena av andnings- volymen V, som kommer via en ledning 39 ur minnet 27 till de skissade värdena för Ptot, som kommer via en ledning 40 ur adderaren 37. Resultatet är följsamheten C, som leds till visningsenheten 19 via en utmatningsledning 18d.

Via en utmatningsledning 18e leds värdena för andningsvolymen V ur minnet 27 och via ledningen 36 värdena för mättiden ur minnet 24 till visningsenheten 19. Därmed står alla nödvändiga värden för en visning till förfogande.

Den i figur 7 visade kopplingen kan realiseras mjukvarumässigt som ett dataprogram eller byggas upp hårdvarumässigt som analoga datakopplingar.

Claims (12)

513 969 12 PATENTKRAV

1. Förfarande för bestämning av de mekaniska egenskaperna i respira- tionssystemet hos en patient som är ansluten till en andningsapparat, varvid en kort ocklusion av andníngsvägen hos patienten sker under en inandnings- och/ eller en utandningsfas, andningsflödet och den in- respektive utandade andningsvolymen av patienten bestäms vid början av denna ocklusion och andningsvägtrycket mäts under denna ocklusion, k ä n n e t e c k n a t av att förändringarna hos andningsvägtrycket över tiden fastställs under en mättid som ligger inom ocklusionstiden, ocklusionen inleds vid flera andningstag vid respektive olika tidpunkter inom andningscykeln, att förändringen av muskeltrycket hos patienten över tiden bestäms ur de uppmätta värdena för tidsförloppet och att tidsförloppet för muskeltrycket beräknas genom integration av detta förlopp över tiden.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att de beräknade muskeltrycken summeras med de uppmätta andningsvägtrycken till ett totaltryck och att en följsamhet för patientens lunga beräknas ur derivatan av de beräknade värdena för totaltrycket enligt de uppmätta värdena för andningsvolymen.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att ocklusionen bara triggas när respektive andetag är långtgående identiskt med ett referensandetag.

4. Förfarande enligt något av patentkraven 1 till 3, k ä n n e t e c k n a t av att utvärderingen av mätresultaten endast sker när respektive andnings- tag år långtgående identiskt med ett referensandetag.

5. Förfarande enligt något av patentkraven 1 till 4, k ä n n e t e c k n a t av att den uppmätta andningsvolymen korrigeras för inflytandet av följ- samhet och/ eller motstånd hos andningssystemet. 513 9:59 13

6. Anordning för att bestämma de mekaniska egenskaperna i respira- tionssystemet hos en patient som är ansluten till en andningsapparat med en styrning för framkallandet av en kort ocklusion av andningsvägen hos patienten under en inandnings- och/ eller en utandningsfas, sensorer för att mäta andningsflödet, in- respektive utandad andningsvolym och andnings- vägtryck för patienten samt en utvärderingsanordning, k ä n n e t e c k n a d av att styrningen (13) har till uppgift att inleda ocklusionen vid flera and- ningstag vid respektive olika tidpunkter inom andningscykehi och att ut- värderingsanordningen (11) har till uppgift att fastställa tidsförändringarna hos andningsvägtrycket under en mättid som ligger inom respektive ocklusionstid, att bestämma muskeltryckets tidsförändringar hos patienten ur mätvärdena för tidsförloppet och beräkna muskeltryckets tidsförlopp genom integration av detta förlopp över tiden.

7. Anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d av att utvärderingsanordningen (11) har till uppgift att summera de beräknade muskeltrycken med de uppmätta andningsvägtrycken till respektive ett totaltryck och ur derivatan av de beräknade värdena för totaltrycket beräkna en följsamhet för patientens lunga enligt de uppmätta värdena för andnings- volymen.

8. Anordning enligt patentkrav 6 eller 7, k ä n n e t e c k n a t av att styrningen ( 13) har till uppgift att endast inleda ocklusion när respektive andningstag långtgående är identiska med föregående andningstag.

9. Anordning enligt något av patentkraven 6 till 8, k ä n n e t e c k n a t av att utvärderingsanordningen (11) har till uppgift att endast utvärdera mâtvärdena när respektive andningstag är långtgående identiskt med före- gående andningstag.

10. lO. Anordning enligt något av patentkraven 6 till 9, k ä n n e t e c k n a t av att utvärderingsanordningen (11) har till uppgift att korrigera den uppmätta andningsvolymen med inflytandet av följsamheten och/ eller mot- ståndet hos andningssystemet. sis 96914

11. Anordning enligt något av patentkraven 6 till 10, kân n e- t e c k n a t av att sensorema (7 , 8) är anordnade vid en patientanslutning (2) av andningsappraten (l).

12. Anordning enligt något av patentkraven 6 till 10, k å n n e- t e c k n a t av att de använda sensorerna (7, 8) är beståndsdelar av and- ningsapparaten (1).