WO2002076544A1

WO2002076544A1 - Beatmungsgerät

Info

Publication number: WO2002076544A1
Application number: PCT/DE2002/001000
Authority: WO
Inventors: Andreas Schober; Wilhelm Breitenfelder
Original assignee: Salvia Lifetec Geräte Für Medizintechnik Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2002-10-03
Also published as: DE10114628A1

Abstract

Beatmungsgerät mit einem Atemgasleitungssystem, das einen Inspirationszweig, einen Exspirationszweig und einen Patientenzweig umfasst, und einer elektronischen Steuerungseinheit. Der Inspirationszweig weist eine Gasflusssteuerung auf, mit der die Menge des zu der Abzweigung strömenden Frischgases steuerbar ist. Der Exspirationszweig weist ein Exspirationsventil (33) auf, durch das Atemgas aus dem Exspirationszweig abströmen kann und dessen Öffnungsquerschnitt im Betrieb des Beatmungsgerätes verstellt wird, um den Atemgasdruckverlauf an einen vorgegebenen Solldruckverlauf anzunähern, wobei das Exspirationsventil (33) ein Ventilelement (49) aufweist, dessen eine Schliessfläche (50) umschliessender Dichtrand (51) in der Schliessstellung des Ventils abdichtend gegen einen ringförmigen Ventilsitz (47) gedrückt wird, das Ventilelement (49) mittels einer Bewegungseinrichtung in einem Betriebsbewegungsbereich (43) bewegbar und in dem gesamten Betriebsbewegungsbereich (43) mit einer mittels der Steuerungseinheit elektrisch einstellbaren Schliesskraft in Richtung auf den Ventilsitz belastbar ist.

Description

Beatmungsgerät

Beatmungsgeräte dienen zur Förderung, Unterstützung oder zum Ersatz einer durch Erkrankung geschädigten selbständigen Atemtätigkeit oder auch zur Vorbeugung einer Atem- Störung. Sie enthalten ein Atemgasleitungssystem, das aus einem Inspirationszweig zur Versorgung des Patienten mit Frischgas, einem Exspirationszweig zur Ableitung des von dem Patienten ausgeatmeten verbrauchten Atemgases und einem Patientenzweig besteht, der - üblicherweise mittels einer Y-Verzweigung - zwischen dem Inspirationszweig und dem Exspirationszweig angeschlossen ist.

Die heute üblichen Beatmungsgeräte sind elektronisch gesteuert. Die erforderlichen Ist-Werte, wie beispielsweise der in den einzelnen Zweigen strömende Gasfluß und der Atemgasdruck werden über Sensoren erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt, die an eine elektronische Steuerungseinheit übermittelt werden. Die Steuerungseinheit steuert mittels entsprechender Ventile den Gasstrom in dem Leitungssystem so, daß der zeitliche Verlauf der gemessenen Ist-Werte möglichst genau einem aus medizinischer Sicht gewünschten Sollwerte-Verlauf entspricht. Dabei sind unterschiedliche Betriebsmodi möglich, wobei als grundlegende Typen die druckkontrollierte Beatmung und die volumenkontrollierte Beatmung unterschieden werden.

Derartige Geräte sind beispielsweise in folgenden Publikationen beschrieben:

1) EP 0343542 Bl

2) DE 19516536 C2

3.) DE 19931807 Cl

4) DE 19961253 Cl

Die Menge des pro Zeiteinheit über den Inspirationszweig zu der Abzweigung und somit zu dem Patienten strömenden Frischgases ist (aufgrund entsprechender Befehle der Steuerungseinheit) mittels einer Gasflußsteuerung steuerbar. Der Exspirationszweig enthält üblicherweise ein Ex- spirationsventil dessen Öffnungsquerschnitt im Betrieb des Beatmungsgerätes entsprechend den jeweiligen Anforderungen verstellt wird. Wenn in der Inspirationsphase des Beatmungsvorganges die Lunge des Patienten mit Atemgas gefüllt wird, ist es in der Regel weitgehend oder voll- ständig geschlossen, um jeden unnötigen Verlust an Atemgas zu vermeiden. Beim Ausatmen des Patienten, also in der Exspirationsphase des Gerätes, wird das Exspirationsventil kontrolliert geöffnet . Aus medizinischen Gründen wird in vielen Anwendungsfällen die Einhaltung eines de- finierten Solldruckverlaufes während der Exspirationsphase angestrebt . Um eine möglichst vollständige Annäherung an diesen Solldruckverlauf zu gewährleisten, ist bei den . bekannten Geräten ein Regelkreis vorgesehen, der einen Drucksensor zur Erfassung des Atemgasdruckes, ein hin- sichtlich seines Öffnungsquerschnittes einstellbares Ex- spirationsventil und eine in die elektronische Steuerungseinheit integrierte Regelungselektronik umfaßt . Da die Zuverlässigkeit dieser Regelung von großer Bedeutung für die Betriebssicherheit des Beatmungsgerätes ist, sind häufig zwei unabhängige Drucksensoren vorhanden, wobei der zweite Sensor dazu dient, die korrekte Funktion des Regelkreises zu überwachen und erforderlichenfalls einen Alarm auszulösen und/oder über ein zusätzliches Sicherheitsventil den. temgasdruck in sicheren Grenzen zu hal- ten. Trotz dieses hohen Aufwandes ist das Verhalten bekannter Beatmungsgeräte insbesondere in der Exspirati- onsphase aus medizinischer Sicht nicht immer befriedigend.

Der Erfindung liegt auf dieser Grundlage die Aufgabe zugrunde, mit geringem konstruktivem Aufwand und unter vollständiger Wahrung der Sicherheitsanforderungen ein Beatmungsgerät zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine verbesserte Kontrolle des Atemgasdruckes auszeich- net .

Die Aufgabe wird bei einem Beatmungsgerät der vorstehend beschriebenen allgemeinen Bauweise durch die Kombination folgender Merkmale gelöst : - Das Exspirationsventil weist ein Ventilelement mit einer von einem Dichtrand umschlossenen Schließfläche auf. Der Dichtrand wird abdichtend gegen einen entsprechenden ringförmigen Ventilsitz gedrückt.

Das Ventilelement ist mittels einer Bewegungseinrich- tung in einem Betriebsbewegungsbereich bewegbar. In dem gesamten Betriebsbewegungsbereich ist es mit einer Schließkraft in Richtung auf den Ventilsitz belastbar, die mittels der Steuerungseinheit elektrisch einstellbar ist. Als Betriebsbewegungsbereich in diesem Sinne ist der Bewegungsweg des Ventilelementes, der im normalen Betrieb des Beatmungsgerätes zur Steuerung des Beatmungsdruckes benutzt wird, zu verstehen. Es ist möglich, wenn auch we- niger bevorzugt, daß der Bewegungsweg des Ventilelementes andere Teilbereiche (z.B. eine Parkposition für Transportzwecke) einschließt, in denen die Schließkraft nicht elektrisch einstellbar ist.

Vorzugsweise ist das Ventilelement eine horizontal verlaufende Dichtplatte, die auf einer Seite, vorzugsweise der in Einbaurichtung unteren Seite, von dem Dichtrand umgeben ist. Der ringförmige Ventilsitz, gegen den der Dichtrand in der Schließstellung des Ventils gedrückt wird, wird vorzugsweise von einer dem Ventilelement zugewandten Kante von Begrenzungswänden gebildet, die eine Ventilkammer umschließen, in welche der von der Patientenabzweigung kommende Teil des Inspirationszweigs mündet . Bei einer solchen Ausführungsform liegt der Dichtrand des Ventilelementes deckelartig auf dem Ventilsitz auf und ist sehr leicht beweglich. Das Atemgas kann durch den Ringspalt, der sich beim Öffnen des Ventils zwischen dem Dichtrand und der Dichtkante bildet, frei abströmen. Der Ringspalt steht somit uneingeschränkt als Öffnungsquerschnitt des Ventils zur Verfügung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Antrieb, durch den die elektrisch einstellbare Schließ-^" kraft erzeugt wird, elektromagnetisch, wobei die Schließ- kraft durch Wechselwirkung einer von einem Strom durch- flossenen Spule und eines Magneten erzeugt wird. Die Steuerungseinheit steuert dabei den durch die Spule fließenden Strom zur Einstellung der Schließkraft. Die Einstellung der Schließkraft sollte möglichst weitgehend verzδgerungsfrei erfolgen. Demzufolge sollten insbesondere keinerlei elektrische Dämpfungsglieder, die zu einem verzögerten Ansprechen führen würden, vorhanden sein. Auch die Bewegungseinrichtung zur Verstellung des Schließelementes sollte möglichst dämpfungsfrei arbeiten. Bevorzugt wird zur Verbindung des (vorzugsweise elektromagnetischen) Antriebs mit dem Ventilelement eine Betätigungsstange eingesetzt, die nachfolgend als Plunger be- zeichnet wird. Um die Reibung zu minimieren ist der Plunger vorzugsweise senkrecht eingebaut . Eine pneumatische Kraftübertragung ist wegen der damit verbundenen Dämpfung der Kopplung zwischen Antrieb und Schließelement nicht geeignet .

Die praktische Erprobung der Erfindung hat gezeigt, daß sie eine sehr gute Anpassung des Atemgasdruckverlaufes an einen vorgegebenen Solldruckverlauf ermöglicht . Insbesondere können auch relativ steil abfallende Flanken der Solldruckkurve kontrolliert und präzise realisiert werden. Überraschenderweise führt der Verzicht auf die bisher übliche Regelung der Ventilstellung mittels eines als Istwert-Geber verwendeten Drucksensors nicht zu einer Verschlechterung, sondern zu einer Verbesserung der Atem- gasdrucksteuerung.

Außerdem wird die erforderliche Sicherheitsfunktion in Verbindung mit nur einem- elektrischen Drucksensor auf einfache und kostengünstige Weise realisiert . Das im Rah- men der Erfindung eingesetzte Exspirationsventil bildet gleichzeitig ein Rückschlagventil, so daß auch diesbezüglich ein zusätzliches Bauteil eingespart werden kann. Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine einfache und kompakte Konstruktion. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltun- gen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Gasflußdiagramm eines erfindungsgemäßen Beatmungsgerätes ,

Fig. 2 ein Kurvendiagramm eines typischen Solldruck- Verlaufes während der Inspirationsphase und der

Exspirationsphase sowie des daraus typischerweise resultierenden Verlaufes des Atemgas- flußes,

Fig. 3 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausfüh- rungsform des Exspirationsventils,

Fig. 4 eine perspektivische Prinzipskizze zur Erläuterung des Zusammenwirkens einiger in Fig. 3 dargestellter Bauteile,

Fig. 5 ein Schaltungsschema einer zur Steuerung des Sromflußes in der Spule des Exspirationsventils geeigneten Schaltung.

Das in Figur 1 dargestellte Atemgasleitungssystem 1 besteht im wesentlichen aus einem Inspirationszweig 2, ei- nem Exspirationszweig 3 und einem Patientenzweig 4, der an einer zwischen dem Inspirationszweig 2 und dem Exspirationszweig 3 liegenden Abzweigung 5 angeschlossen ist. Die Lunge des Patienten ist durch den Kreis 6 symbolisiert.

Der Inspirationszweig 2 enthält eine Gasflußsteuerung 10, die im dargestellten Fall als Mischeinheit 11 (deren Elemente von einer strichpunktierten Linie umrahmt sind) ausgebildet ist. Die Mischeinheit 11 enthält eine Luftzu- fuhrleitung 12 und eine Sauerstoffzufuhrleitung 13, an denen jeweils ein Sicherheitsdruckschalter 14, 15, ein Paar parallel geschalteter Proportionalventile 16a, 16b; 17a, 17b und ein Sauerstoffflußsensor 18 bzw. ein Luftflußsensor 19 angeordnet sind. Die Parallelschaltung von jeweils zwei Proportionalventilen ermöglicht eine besonders feine Einstellung des Gasflußes. Der Sauerstoffflußsensor 18 und der Luftflußsensor 19 bestehen jeweils aus einem Strömungswiderstand 20 bzw. 21 und einem Differentialdrucksensor 22 bzw. 23, sind also als Differen- tialdruck-Flußsensoren ausgebildet.

Der dargestellte Aufbau einer Atemgasmischeinheit 11 ist aus der EP 0343542 Bl bekannt und muß deshalb nicht näher erläutert werden. Ihre Verwendung in Verbindung mit den nachfolgend erläuterten Besonderheiten der vorliegenden Erfindung führt zu besonders vorteilhaften Ergebnissen.

Die Luftleitung 12 und die Sauerstoffleitung 13 werden an einer Mischstelle 25 zusammengeführt. An dem nachfolgen- den Leitungsabschnitt bis zu der Abzweigung 5 sind folgende Elemente angeordnet, die in erster Linie dazu dienen, unter allen Bedingungen die erforderliche Betriebssicherheit zu gewährleisten:

Mittels eines Atemgasdrucksensors 26 wird die korrekte Funktion der nachfolgend beschriebenen Atemgasdrucksteuerung überwacht .

Mittels eines Sauerstoffkonzentrationssensors 27 wird die korrekte Funktion der Mischeinheit 11 überprüft.

Ein Spontanatmungs-Rückschlagventil 28 ermöglicht die spontane Atmung auch bei einem vollständigen Geräteausfall .

Ein elektrisches Überdruckventil 29, das in Abhängigkeit von dem Signal des Atemgasdrucksensors 26 geöffnet werden kann, dient dazu, einen Überdruck, der ei- nen festgelegten Grenzwert übersteigt, in Störungsfällen (beispielsweise wenn einer der nachfolgenden Leitungsschläuche abgeknickt oder verstopft ist) rasch abzubauen_..

Ein mechanisches Überdruckventil 30 erfüllt im wesentlichen die gleiche Funktion wie das elektrische Überdruckventil 29. Diese Funktion ist aus Sicherheitsgründen doppelt realisiert, wobei das mechanische Ventil 30 auch bei Stromausfall funktioniert.

In dem Patientenzweig 4 ist in üblicher Weise ein Atem- gasbefeuchter 30 angeordnet. Ein gesonderter Atemgasflußsensor ist bei der dargestellten bevorzugten Konstruktion nicht erforderlich. Er kann jedoch fakultativ in dem Pa- tientenzweig 4 angeordnet sein.

In dem Exspirationszweig 3 befindet sich ein Exspirationsventil 33, dessen Konstruktion und Funktion nachfolgend näher erläutert wird. In Strömungsrichtung dahinter ist ein Exspirationsflußsensor 34 vorgesehen, der ebenso wie die Sensoren 17 und 18 als Differentialdruck- Flußsensor mit einem Strömungswiderstand 35 und einem Differentialdrucksensor 36 ausgebildet ist.

Sämtliche elektrische Bauelemente (Sensoren, Druckschalter, Ventile) sind über gestrichelt dargestellte elektrische Leitungen mit einer zentralen Steuerungseinheit 38 verbunden. Abgesehen von den hier beschriebenen Besonderheiten arbeitet sie in üblicher Weise mittels eines Mi- kroprozessors und eines Programms. Eine nähere Beschreibung ihrer Funktion ist deshalb nicht erforderlich.-

Die obere Hälfte von Figur 2 zeigt beispielhaft einen typischen Solldruckverlauf, also die je nach der medizini- sehen. Indikation bei einem bestimmten Krankheitsbild ge-

ten Fläche bewegt werden. Die Bewegungseinrichtung 52 besteht im dargestellten bevorzugten Fall aus einem Plunger 53 und einem elektromagnetischen Antrieb 54. Der elektromagnetische Antrieb 54 wird von einem Permanentmagneten 55 und einer im Betrieb von einem elektrischen Strom durchflossenen Spule 56 gebildet, die als Tauchspule in einem Luftspalt 55a des Magneten 55 positioniert ist. Sie ist über ein Joch 57 starr mit dem Plunger 53 und damit mit dem Ventilelement 49 verbunden. Dadurch, daß der Plunger 53 senkrecht eingebaut ist, kann er auf einfache Weise nahezu reibungsfrei durch zwei Lager 58 und 59 geführt werden. Die Zuführung des elektrischen Stroms zu der Tauchspule 56 erfolgt mechanisch spannungsfrei mit Hilfe nicht dargestellter Leitungen durch den Deckel 60.

Wenn das Ventil durch eine Bewegung des Ventilelementes 49 von dem Ventilsitz 47 weg geöffnet wird, entsteht zwischen dem Dichtrand 51 und dem Ventilsitz 47 ein Ringspalt 61, dessen Höhe dem nachfolgend als Stellweg D be- zeichneten Abstand zwischen dem Ventilsitz 47 und dem

Dichtrand 51 entspricht und dessen Länge von dem Umfang der Schließfläche 50 (im bevorzugten Fall einer kreisrunden Schließfläche also von deren Durchmesser d) bestimmt wird. Durch den Ringspalt 61 kann das Atemgas aus der Kammer 45 in einen die Ventilkämmer 45 ringförmig umgebenden Abluftkanal 62 strömen. Der Abluftkanal 62 ist zu dem elektromagnetischen Antrieb 54 hin mit einer elastischen Membran 63 verschlossen, die vorzugsweise in der Nähe des Plungers 53 mit dem Ventilelement 49 fest ver- bunden (z.B. verschweißt) ist.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist gemeinsam mit dem Exspirationsventil 33 ein Strömüngswider- stand 35 des Exspirationsflußsensors 34 in das gleiche Bauteil integriert. Konkret wird der Strömungswiderstand ω ω t t μ μ in o o o in tr ϊ PJ: -. tQ tj φ Cß D tr CQ <l ? P. < μ- α d rt ii P. rt CQ Pi H α f 01 P. PJ ω

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Claims

Ansprüche

1. Beatmungsgerät mit einem Atemgasleitungssystem (1) , das einen Inspirati- onszweig (2) zur Versorgung des Patienten (6) mit

Frischgas, einen Exspirationszweig (3) zur Ableitung des von dem Patienten (6) ausgeatmeten verbrauchten Atemgases und einen Patientenzweig (4) umfaßt, der an einer zwischen dem Inspirationszweig (2) und dem Ex- spirationszweig (3) liegenden Abzweigung (5) angeschlossen ist, und einer elektronischen Steuerungseinheit (38) , wobei der Inspirationszweig (2) eine Gasflußsteuerung (10) aufweist, mit der die Menge des zu der Abzweigung (5) strömenden Frischgases steuerbar ist, der Exspirationszweig (3) ein Exspirationsventil (33) aufweist, durch das Atemgas aus dem Exspirationszweig abströmen kann und dessen Öffnungsquerschnitt im Be- trieb des Beatmungsgerätes verstellt wird, um den

Atemgasdruckverlauf an einen vorgegebenen Solldruckverlauf anzunähern, das Exspirationsventil (33) ein Ventilelement (49) aufweist, dessen eine Schließfläche (50) umschließen- der Dichtrand (51) in der Schließstellung des Ventils abdichtend gegen einen ringförmigen Ventilsitz (47) gedrückt wird, das Ventilelement (49) mittels einer Bewegungseinrichtung in einem Betriebsbewegungsbereich (43) bewegbar und in dem gesamten Betriebsbewegungsbereich (43) mit einer mittels der Steuerungseinheit (38) elektrisch einstellbaren Schließkraft (F) in Richtung auf den Ventilsitz belastbar ist.

2. Beatmungsgerät nach Anspruch 1, bei welchem die Schließkraft (F) des Ventilelementes (49) praktisch verzögerungsfrei einstellbar ist.

3. Beatmungsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Schließkraft (F) mindestens in dem ersten sich an die Schließstellung anschließenden Viertel, vorzugsweise mindestens in der ersten sich an die

Schlißestellung anschließenden Hälfte des Betriebsbewegungsbereiches (43) im wesentlichen unabhängig von der Stellung des Ventilelementes (49) ist.

4. Beatmungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Schließfläche (50) größer als 1 cm², bevorzugt größer als 3 cm², besonders bevorzugt größer als 5 cm² ist.

5. Beatmungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Betriebsbewegungsbereich (43) größer als 0,5 mm, bevorzugt größer als 1 mm ist.

6. Beatmungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei welchem die Schließkraft (F) durch einen elektromagnetischen Antrieb (54) mit einer von einem Strom durchflossenen Spule (56) und einem Magneten (55) erzeugt wird und der durch die Spule (56) fließende Strom von der elektronischen Steuerungseinheit^' (38) gesteuert wird.

7. Beatmungsgerät nach Anspruch 6, bei welchem der elektromagnetische Antrieb (54) eine in einem Luftspalt (55a) des Magneten (55) bewegliche Tauchspule auf- weist.

8. Beatmungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ventilelement (49) mittels einer senkrecht eingebauten Betätigungsstange (53) bewegt wird.

9-. Beatmungsgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem- die Stromstärke in der Spule (56) digital gesteuert wird. ■

10. Beatmungsgerät nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei welchem die Stromrichtung in der Spule (56) zur Kompensation des Eigengewichtes des Ventilelementes und der Betätigungsstange umkehrbar ist.

11. Beatmungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in dem Exspirationszweig (3) in Strömungsrichtung hinter dem Exspirationsventil (33) ein Exspirationsflußsensor (34) zur Erzeugung eines dem Gasfluß in dem Exspirationszweig (3) entsprechenden elektrischen Exspirationsflußsignals angeordnet und an die Steuerungseinheit (38) angeschlossen ist.

12. Beatmungsgerät nach Anspruch 11, bei welchem der Ex- spiratioήsflußsensor (34) ein Differentialdruck- Flußsensor ist .

13. Beatmungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Gasflußsteuerung (10) des Inspi- rationszweiges (2) als Mischeinheit (11) zur Mischung von Sauerstoff und Luft ausgebildet ist, wobei die Mischeinheit (11) eine Luftleitung (12) und eine Sauerstoffleitung (13) einschließt, die an einer Mischstelle (25) zusammengeführt sind, an der Luftleitung (12) ein Luf flußsensor (19) zur Erzeugung eines dem Luftfluß entsprechenden elektrischen Luftflußsignals und ein elektrisch steuerbares Luftventil (17a, 17b) zur Einstellung des Luftflußes und an der Sauer-' Stoffleitung (13) ein Sauerstoffflußsensor (18) zur Erzeugung eines dem Sauerstofffluß entsprechenden elektrischen Sauerstoffflußsignals und ein Sauer- stoffventil (16a, 16b) zur Einstellung des Sauerstoff- flußes angeordnet sind und der Luftflußsensor (19) , der Sauerstoffflußsensor (18) , das Luftventil (17a, 17b) und das Sauerstoffventil (16a, 16b) an die elektronische Steuerungseinheit (38) angeschlossen sind.