Verdampfer für Beatmungsgeräte sowie Verfahren zum Verdampfen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdampfer für Beatmungsgeräte, insbesondere CPAP-Geräte sowie ein Verfahren zum Verdampfen von Flüssigkeiten.
Verdampfer für Beatmungsgeräte werden vorzugsweise zur Befeuchtung von Luft eingesetzt.
Ein Verdampfer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 sind aus der DE 198 08 590 A1 bekannt. Der aus dieser Schrift bekannte Beatmungsanfeuchter weist eine Schlauchpumpe als Dosiereinrichtung und einen elektrisch beheizten Verdampfer auf. Die Schlauchpumpe fördert Wasser aus einem handelsüblichen Wasserbeutel in der erforderlichen Menge, damit eine vorgegebene relative Atemgasfeuchtigkeit bei einer vorgegebenen Atemgastemperatur erreicht wird. Der Verdampfer stellt Wasser mit einer Temperatur oberhalb von 134°C bereit, das bei Mischung mit dem anzufeuchtenden Atemgas das Atemgas auf die vorgegebene Atemgastemperatur erwärmt. Vorzugsweise ist zwischen der Ausgangsseite des Verdampfers und einem Atemgaskanal eine thermische Isolierung vorgesehen, um eine Erwärmung des Atemgaskanals durch den Beatmungsanfeuchter auch ohne Zufuhr und Verdampfung von Wasser möglichst zu vermeiden. Die Austrittsöffnung des Verdampfers ragt vorzugsweise in den Atemgaskanal hinein. Die hohe Heizungstemperatur resultiert aus dem Wunsch, im Wasser möglicherweise vorhandene Keime abzutöten. Die Hygienevorschriften für Dampfsterilisation besagen nämlich, dass eine ausreichende Keimreduzierung erreicht wird, wenn die Keime einer Temperatur von 134°C für drei Minuten ausgesetzt sind.
Zu den Beatmungsgeräten gehören auch sogenannte CPAP-Geräte, die zur Behandlung von Apnoen (Atemstillstände) während des Schlafs dienen. Hierzu wurde die CPAP (continuous positive airway pressure)-Therapie entwickelt, die in Chest. Volume No. 110, Seiten 1077-1088, Oktober 1996 und Sleep, Volume No. 19, Seiten 184-188 beschrieben wird. Ein CPAP-Gerät erzeugt mittels eines Kompressors oder einer Turbine einen positiven Überdruck bis zu etwa 30 mbar und appliziert diesen vorzugsweise über einen Luftbefeuchter, über einen Schlauch und eine Nasenmaske in den Atemwegen des Patienten. Dieser Überdruck soll
gewährleisten, dass die oberen Atemwege während der gesamten Nacht vollständig geöffnet bleiben und somit keine Apnoen auftreten (DE 198 49 571 A1 ). Ein in Verbindung mit dem CPAP-Gerät eingesetzter Luftbefeuchter verhindert das Austrocknen der Schleimhäute des Patienten.
Aus der DE 199 36 499 A1 ist eine Vorrichtung zur Atemgasbefeuchtung für CPAP- Geräte beschrieben. Die Befeuchtungsvorrichtung umfasst eine aus einem Wannenelement und einem damit gekoppelten Topfteil gebildete Nachfülleinheit, die aus einem Aufstellgehäuse entnommen werden kann. Das Wannenelement und das Topfteil sind miteinander dicht verbunden. In dem Topfteil ist in Verbindung mit einer Trennwand ein Flüssigkeitsvorratsraum gebildet, welcher den überwiegenden Teil des zur Befeuchtung des Atemgases vorgesehenen Wasservorrats enthält. In dem unterhalb des Topfteils angeordneten Wannenelement ist ein separater Befeuchtungsbereich gebildet, in dem lediglich ein kleiner Teil des Wasservorrats enthalten ist. Die Höhe des Wassers im Wannenelement wird über eine Dosiereinrichtung auf einem vorbestimmten Niveau gehalten. Im Zuge der allmählichen Verdunstung des in dem Wannenelement befindlichen Wassers wird sukzessive oder kontinuierlich aus dem Flüssigkeitsvorratsraum Wasser nachgefüllt. Das Atemgas wird über eine Atemgaszutrittsöffnung durch den oberen Bereich des Wannenelements zu einer Atemgasaustrittsöffnung geblasen. Der Bodenbereich des Wannenelements wird durch eine Heizeinrichtung beheizt. Zur Steigerung der Wärmeübertragung ist der Bodenbereich des Wannenelements aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Metall, ausgebildet.
Die DE 299 09 611 U1 und die DE 200 10 553 U1 beschreiben ebenfalls Luftbefeuchter für Beatmungsgeräte, bei denen die Luft über die Oberfläche eines beheizbaren Wasserreservoirs geführt wird.
Die DE 298 19 950 U1 beschreibt im Zusammenhang mit einem beheizbaren Atemluftbefeuchter eine Phasenanschnittsteuerung und eine Regelungsschaltung zur Regelung der einem Heizelement zugeführten Leistung. Das Heizelement heizt ein Wasserbad. Die Regelung kann entweder so erfolgen, dass dem Heizelement eine konstante Leistung zugeführt oder dass das Wasserbad auf konstanter Temperatur gehalten wird.
Die G-94 09 231.1 sowie die DE 298 17 685 U1 beschäftigen sich mit Deckeln für Vorratsgefäße für den Wasservorrat von Luftbefeuchtern für CPAP-Geräte. Während des Betriebs schließen die Deckel den Vorratsbehalter druckdicht ab, so dass durch den oberen, nicht mit Wasser ausgefüllten Bereich des Vorratsgefäßes Atemluft geblasen und der Deckel zum Nachfüllen von Wasser leicht geöffnet werden kann.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung einen einfachen Verdampfer für Beatmungsgeräte und ein einfaches Verfahren anzugeben, wobei Verdampfer und Verfahren einen geringen Energieverbrauch aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass gemäß der Erfindung keine Schlauchpumpe erforderlich ist. Ferner wird durch die Führung des mit der Flüssigkeit angereicherten Gases durch den oberen Teil des Vorratsbehalters dafür gesorgt, dass ein zu hoher Anteil der Flüssigkeit im Gas zum Flüssigkeitsvorrat herabsinkt und dadurch ein Kondensieren der Flüssigkeit ohne komplizierte Regelung nach dem Verdampfer z.B. in Beatmungsschläuchen weitgehend vermieden wird.
Beim erfindungsgemäßen Verdampfer wird jeweils nur eine äußerst geringe Wassermenge erwärmt. Dadurch ist eine sehr schnelle Betriebsbereitschaft gegeben. Die erwartete Aufheizzeit liegt um eine Minute. Herkömmliche CPAP- Geräte benötigen zwischen 10 und 30 min.
Vorteilhaft an der Verwendung einer Dampfdüse ist, dass sich der eingeblasene Dampf im Gasstrom fein verteilt. Somit wird das Gas effektiver mit der Flüssigkeit durchsetzt, als wenn das Gas über eine Flüssigkeitsoberfläche streicht.
Die Befeuchtung von Luft stellt den häufigsten Anwendungsfall dar.
Vorteilhaft an der Verwendung eines Regulierreservoirs ist, dass die Arbeitsweise des Verdampfers unabhängig vom Füllstand der Flüssigkeit im Vorratsbehalter ist. Durch das Regulierventil ähnelt die Handhabung und Arbeitsweise des Verdampfers
einer Kaffeemaschine, was zu einer hohen Akzeptanz und schnellen Vertrautheit beim Patienten führt.
Der Vorteil einer Widerstandsheizung liegt in ihrem geringen Preis, der universellen Verfügbarkeit von Elektrizität zumindest in den Industrieländern sowie der leichten Steuerung der Heizleistung beispielsweise durch eine Phasenanschnittsteuerung.
Es ist eine optimale Ausnutzung der verfügbaren Heizleistung gegeben, da die Flächen für eine Wärmeabgabe an die Umgebung durch die Verwendung eines Heizkanals und einer Wärmebrücke klein gehalten werden. Deshalb kann die Heizung sehr sparsam im Energieverbrauch ausgelegt werden, wodurch sich das Verfahren grundsätzlich für Anwendungen in mobilen Geräten mit zeitweilig netzunabhängigem Betrieb eignet.
Vorteilhaft an einem druckdichten Verschließen des Vorratsbehalters durch einen Deckel ist, dass das Gas definiert zu- und abgeführt wird, wobei nur der Eintrittsstutzen oder der Austrittsstutzen mit einer Pumpeinrichtung, also beispielsweise einer Turbine, verbunden werden muss.
Im Folgenden werden bevorzugt Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdampfers.
Die wesentlichen Bestandteile des Verdampfers sind: Vorratsbehalter 1 mit Eintrittsstutzen 2, Austrittsstutzen 3, Regulierreservoir 5 mit im Regulierreservoir schwimmendem Regulierventil 4, Heizkanal 6, Heizzone 7, Dampfkanal 8, Dampfdüse 9, Deckel 10 sowie Fuß 11 mit Kontakt 12.
Im Vorratsbehalter 1 ist eine größere Menge Flüssigkeit 14 - vorzugsweise Wasser - enthalten. Durch die Öffnung 15 im Boden des Vorratsbehalters 1 fließt ein Teil der Flüssigkeit 14 in das Regulierreservoir 5 und den damit kommunizierenden Heizkanal 6. Das Regulierventil 4 arbeitet vorzugsweise als Schwimmer und verschließt bei hinreichend hohem Flüssigkeitsstand im Regulierreservoir 5 die Öffnung 15. Im Heizkanal 6 ist die Heizzone 7 vorgesehen. Eine vorzugsweise metallische Wärmebrücke 16 überträgt die von einer elektrischen Widerstandsheizung 17 erzeugte Wärme auf die Flüssigkeit in der Heizzone 7.
Dabei ist die Wärmebrücke bei einer bevorzugten Ausführungsform elektrisch von der Widerstandsheizung 17 isoliert. Die Heizzone wird bevorzugt von der Flüssigkeit durch eine Antihaftschicht getrennt, um die Ablagerung von Verunreinigungen der Flüssigkeit zu vermeiden. Beim Einsatz von Wasser wird durch die Antihaftschicht insbesondere die Neigung des Verkalkens der Heizzone 7 gemindert. In einer anderen Ausführungsform kann der die Widerstandsheizung bildende Heizdraht direkt um den gegenüber dem Heizdraht elektrisch isolierten Heizkanal gewickelt sein, so dass eine metallische Wärmebrücke entfallen kann.
Durch die Anordnung der Heizzone wird nur die oberste im Heizkanal 6 stehende Flüssigkeitsschicht bis zur Verdampfung erwärmt. Der Dampf steigt durch den
Dampfkanal 8 nach oben und wird durch die Dampfdüse 9 fein im Lufteintrittstutzen
2 verteilt. Vorzugsweise aus einem Beatmungsgerät 13 kommt direkt oder mittels eines nicht dargestellten Schlauches der Frischluftstrom durch den Eintrittsstutzen 2 in den Gasraum 18 des Vorratsbehalters 1. Dabei reißt der Gasstrom den fein verteilten Dampf im Eintrittsstutzen 2 mit. Aus dem so reichlich mit der Flüssigkeit angereicherten Gasstrom fällt überschüssiger Dampf als Nebeltröpfchen aus. Diese sinken infolge der relativ kühleren Umgebung und deutlich geringeren
Strömungsgeschwindigkeit im Luftraum 18 nach unten in Flüssigkeit 14 und stehen für eine spätere Verdampfung wieder zur Verfügung. Über den Luftaustrittstutzen 3 verlasst der optimal mit der Flüssigkeit angereicherte Gasstrom den Vorratsbehalter
1. An den Austrittsstutzen 3 wird in der Regel ein Beatmungsschlauch angeschlossen, der die angefeuchtete Luft zum Patienten leitet. Der Vorratsbehalter
I ist mit einem Deckel 10 weitgehend gasdicht verschlossen. Unter dem Ausdruck "weitgehend gasdicht" ist zu verstehen, dass Leckflüsse, die vorzugsweise aus Lecks zwischen Deckel 10 und Vorratsbehalter 1 resultieren, klein gegenüber dem Gasfluss durch den Austrittsstutzen 3 sind. Dabei kann der Gasfluss durch Lecks bis zu ca. 20% des Gasflusses durch den Austrittsstutzen 3 erreichen.
Zum Befüllen des Vorratsbehalters 1 mit Flüssigkeit wird der Deckel 10 geöffnet und der Vorratsbehalter 1 aus dem Fuß 11 gehoben. Bei einem stand-alone-Verdampfer oder -Atemluftbefeuchter ist der Fuß 11 ein separates Bauteil, welches die Spannungsversorgung für die Widerstandsheizung 17 über die Kontakte 12 bereitstellt. Bei einem integrierten Verdampfer oder Atemluftbefeuchter ist der Fuß
I I Bestandteil des Beatmungsgerätes 13.
Die Reinigung kann mit Kalklösern erfolgen. Gegebenenfalls kann der Boden des Regulierreservoirs abnehmbar ausgestaltet sein. Dann ist eine Reinigung im Geschirrspüler sinnvoll. Der Vorratsbehalter 1 wird aus durchsichtigem Kunststoff gefertigt und erlaubt eine visuelle Füllstandskontrolle bis zum nahezu völligen Verbrauch des Wassers.
Wie oben erwähnt, erfolgt die Leistungssteuerung für die in der Widerstandsheizung 17 in thermische Energie umgewandelte elektrische Leistung vorzugsweise durch eine Phasenanschnittssteuerung. Die Leistung kann vorzugsweise an einem Potentiometer eingestellt werden. Die Skala für das Potentiometer kann beliebige Einheiten, Prozent der Maximalleistung oder die Leistung in Watt angeben.
Ferner kann im Austrittsstutzen 3 ein Sensor für den Anteil der Flüssigkeit im Gas, also in der bevorzugten Ausführungsform ein Feuchtesensor, vorgesehen sein. Ist ein solcher Sensor vorgesehen, so wird die Heizleistung vorzugsweise so geregelt, dass der Flüssigkeitsanteil im Gas konstant ist, also beispielsweise die relative Luftfeuchtigkeit konstant bleibt. Auch in der Ausführungsform mit einem solchen Sensor kann der gewünschte Anteil der Flüssigkeit im Gas, also beispielsweise die relative Luftfeuchte, durch ein Potentiometer vorgegeben werden. Die Skala des Potentiometers kann bei dieser Ausführungsform entweder beliebige Einheiten oder beispielsweise die Luftfeuchtigkeit in Prozent angeben.
Vorzugsweise dann, wenn der Luftbefeuchter einen Teil eines mikrokontrollergesteuerten Beatmungsgeräts bildet, kann das Potentiometer durch einen mit dem Mikrokontroller verbundenen Digital-Analog-Wandler ersetzt werden. Die Eingabe des durch den Digital-Analog-Wandler ausgegebenen Spannungswerts erfolgt vorzugsweise durch für die Steuerung des Mikrokontrollers vorgesehene Tasten.
In einer einfachen Ausführungsform kann die Widerstandsheizung 17 aus einem Kaltleiter ohne Steuerungsmöglichkeit mit einer weitgehend konstanten Spannung, beispielsweise der Netzspannung von 110 oder 220 V Wechselspannung, verbunden werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Anreicherung des Gases mit der Flüssigkeit wesentlich durch die Temperatur des Wasservorrats mitbestimmt, die nur geringfügig von der Umgebungstemperatur abweicht. Diese
Ausführungsform ist vor allem deshalb sinnvoll, weil die Schlafzimmertemperatur meist in einem engen Bereich um 17°C liegt.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Leistungssteuerung in Abhängigkeit von einem von einem Beatmungsgerät gelieferten Flusssignal erfolgen. Bei einem hohen Fluss wird die Heizleistung erhöht, da aufgrund des höheren Flusses auch eine größere Luftmenge befeuchtet werden muss.
Im Zusammenhang mit einer von einem Flusssignal abhängigen Leistungssteuerung ist es besonders vorteilhaft, einen Heizer mit geringer Masse und damit einer geringen thermischen Trägheit zu verwenden. So ist es möglich, ausschließlich während des Einatmens des Patienten zu heizen. Auf diese Art und Weise wird Heizleistung gespart, weil im optimalen Fall lediglich die vom Patienten eingeatmete Luft befeuchtet wird. Außerdem kann durch einen massearmen und damit schnellen Heizer die Betriebsbereitschaft des Verdampfers innerhalb eines Atemzyklusses und damit innerhalb von Sekundenbruchteilen hergestellt werden.
Die vom Patienten ausgeatmete Luft braucht nicht angefeuchtet zu werden. Während des Atmens wird die Luft in der Lunge des Patienten weiter mit Feuchtigkeit angereichert und etwa auf Körpertemperatur erwärmt. Somit weist die ausgeatmete Luft im allgemeinen eine höhere absolute Feuchte als die eingeatmete Luft auf. Insbesondere bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Verdampfers für ein CPAP-Gerät kann es beim Ausatmen vorkommen, dass Luft vom Austrittsstutzen 3 über den Luftraum 18 zum Eintrittsstutzen 2 und weiter in das Beatmungsgerät 13 oder einen Schlauch zwischen Beatmungsgerät 13 und Verdampfer gedrückt wird.
Das Beatmungsgerät 13 oder ein Schlauch zwischen diesem und dem Verdampfer weist Zimmertemperatur zwischen 16 und 20° auf, die deutlich unterhalb der Körpertemperatur von 36°C liegt. Somit besteht die Gefahr, dass Feuchte der ausgeatmeten Luft im Beatmungsgerät 13 oder dem Schlauch kondensiert. Die Tendenz zur Kondensation wird verstärkt, wenn sowohl eingeatmete als auch ausgeatmete Luft über die Dampfdüse 9 befeuchtet werden. Feuchtigkeit im Beatmungsgerät oder im Schlauch bietet einen Nährboden für Mikroorganismen, wie z.B. Pilze. Auch unter diesem mikrobiologischen Aspekt ist es vorteilhaft, lediglich die eingeatmete Luft zu befeuchten.
Durch das ausschließliche Befeuchten der eingeatmeten Luft wird das Auskondensieren von überflüssigem Dampf im Luftraum 18 und damit ein Rückführen des überschüssigen Dampfes in die Flüssigkeit 14 begünstigt.
Die Erfindung wurde zuvor anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Für einen Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Abwandlungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Deshalb wird der Schutzbereich durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Äquivalente festgelegt.
Bezugszeichenliste:
1 Vorratsbehalter
2 Eintrittsstutzen
3 Austrittsstutzen 4 Regulierventil
5 Regulierreservoir
6 Heizkanal
7 Heizzone
8 Dampfkanal 9 Dampfdüse
10 Deckel
11 Fuß
12 Kontakt
13 Beatmungsgerät 14 Flüssigkeit
15 Öffnung
16 Wärmebrücke
17 Widerstandsheizung
18 Luftraum