WO2004040202A2 - Vorrichtung und verfahren zur temperierung und befeuchtung von gas, insbesondere von atemluft - Google Patents

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    • A61M2205/7563—General characteristics of the apparatus with filters with means preventing clogging of filters

Definitions

  • the invention relates to a device for tempering and humidifying gas, in particular breathing air, the device having a liquid reservoir, and a humidification chamber having an inflow and an outflow for the gas, and a movement device to move the liquid through the gas to move.
  • the invention also relates to a corresponding method.
  • ventilation is also understood to mean any type of respiratory therapy and “patients” is to be understood to mean both humans and animals.
  • Such ventilation of a patient is usually carried out with the aid of an apparatus which has a ventilation hose, a respiratory flow generator and a humidifier for the respiratory gas.
  • the respiratory gas is supplied to the respiratory flow generating device from a reservoir and it also has a connection for the breathing tube.
  • a respiratory flow generating device is essentially to be understood as a functional unit that regulates the respiratory gas to be administered to a patient in terms of pressure and / or volume flow, for example with valves or a bellows.
  • This functional unit can also be part of a larger apparatus.
  • the breathing gas will usually be air / oxygen mixtures, but special other gas mixtures can also be administered.
  • the liquid that is present in the liquid reservoir and that is used to humidify the gas or air is usually water. In the context of the present invention, however, other liquids or mixtures of liquids are also conceivable, as well as those to which drugs have been added.
  • Patients who are ventilated by devices are usually inserted into the trachea through which ventilation takes place. This tube is located at the end of a ventilation hose through which a respiratory flow generator delivers breathing gas to the patient. Additional ventilation tubes can also end at the tube.
  • the delivery of breathing gas via the breathing flow generating device usually takes place as a function of different parameters that can be set on the breathing current generating device as required and then can be automatically held by this device or can be varied as required.
  • the respiratory flow varies considerably over the course of the ventilation phase. With previously known ventilation systems, this leads to considerable problems:
  • the tube in the trachea bypasses the natural function of the nose, mouth and throat, which heats and humidifies the breathing gas during normal breathing.
  • respiratory therapy such as B. the continuous positive pressure breathing therapy with face mask (CPAP)
  • CPAP continuous positive pressure breathing therapy with face mask
  • the nasopharynx remains through the breathing gas, but due to the significantly higher and often continuous gas flow compared to the natural breathing of a patient, but especially when using dry cold gases, undesirable side effects often occur , This includes irritation and inflammation, as well as dehydration and obstruction of the upper airways.
  • the related gas which comes from a reservoir such as a gas bottle or a compressed gas line or is also taken from the environment as a reservoir by a blower, a bellows or the like, and which is usually relatively dry, is used in ventilation. artificially moistened and warmed.
  • a similar problem can also be found in other medical areas in which a device according to the invention can be used, such as, for. B. in laparoscopy.
  • This uses gas (often carbon dioxide) for the purpose of expanding body cavities into the body, e.g. B. introduced into the abdomen.
  • gas often carbon dioxide
  • temperature control and humidification can preferably lead to extensive a related irritation of mucous membranes and their drying and cooling can be prevented.
  • a gas to be tempered and humidified is passed over the surface of a heated water bath and is tempered and humidified at the same time.
  • the liquid surface cools as a result of water evaporation and is only slowly replaced by warmer, rising water.
  • Hollow fiber humidifier e.g. DE 197 27 884
  • Partially permeable hollow fibers are arranged in bundles in such a way that a gas to be tempered and humidified e.g. B. flows through the lumens of the hollow fibers, on the outside of which the liquid required for moistening is present.
  • a gas to be tempered and humidified e.g. B. flows through the lumens of the hollow fibers, on the outside of which the liquid required for moistening is present.
  • a disadvantage of these humidifiers is both the often limited durability and the limited mechanical and thermal resistance of the hollow fibers.
  • the wall of the hollow fibers does not provide sufficient thermal conductivity, so that the heat replenishment is not sufficient to compensate for the evaporation cold. Thus, especially in the case of higher gas flows, a desired heating of the gas cannot be guaranteed, which is accompanied by inadequate humidification of the gas.
  • heating can also be carried out here, but the forced heating of the fibers does not lead to constant humidification in the event of a strongly fluctuating gas flow, since for technical reasons the energy output of the heating elements can scarcely be adjusted in the rate at which the gas flow changes.
  • High temperature evaporator e.g. DE 43 12 793
  • Bubble humidifier (e.g. DE 37 30 551)
  • Pressure atomizer e.g. DE 28 34 622
  • the gas is conducted over a very large, moistened surface, which essentially achieves moisture saturation in the gas flow.
  • heat and moisture are supplied via a patient's exhaled air.
  • filter mats e.g. B. from air conditioning, heat and moisture supply z. B. over a water bath. The gas is simultaneously filtered through these filter mats.
  • a disadvantage of these known devices is in particular that the evaporative cooling leads to a cooling dependent on the gas flow, so that humidification and temperature control performance cannot be constant with a variable gas flow.
  • a further disadvantage of these devices is that the substances retained during the filtration increase the flow resistance of the filter mats for the gas over the course of the use, which is particularly undesirable in the medical report.
  • the principle-based arrangement of the HMEs in the patient's inhalation and exhalation areas also disadvantageously increases the dead space. This can cause a patient to breathe in much of the air they just breathed out in one breath.
  • Booster systems (e.g. DE 44 32 907)
  • the gas is first overheated and humidified and then cooled to the target temperature in a subsequent second stage by means of constant temperature metal fins or the like. Excess moisture in the gas is dripped as condensate from the tempered metal fins and returned to the humidifier.
  • the main disadvantage of this method is that more energy in the form of moisture and temperature is first added to the gas than is necessary for ventilation.
  • plate stacks rotate in such a way that the plates are immersed in water during part of their circulation and are thereby wetted.
  • the gas flows past these plate stacks by means of a fan and is thus to be cleaned of particles and moistened.
  • a non-volatile agent should be added to the liquid to reduce the surface tension in order to actually achieve adequate plate wetting.
  • These and similar devices are intended in particular for air conditioning in the living room and have no possibility of tempering the gas.
  • the dimensions and the circulating speed of the plates are in no way suitable for constantly moistening a variable gas flow or even saturating it with a liquid.
  • a device for temperature control and humidification of gas with a liquid reservoir and a humidification chamber, which has an inflow and an outflow for the gas, as well as with a movement device to move the liquid through the gas, a regulated Has heating for the liquid.
  • such a device can be designed to be robust and reliable and can therefore also be used reliably in continuous operation. No aerosols are generated, but the gas is saturated with vaporous liquid. It is also essential that the regulation of the temperature control and humidification is easy to readjust via the movement device and the regulated heating.
  • the humidification chamber is advantageously designed as a sprinkling chamber.
  • the liquid is moved through the gas in a sprinkling chamber.
  • the temperature of the gas flowing through can easily approximate the temperature of the water, which results in a saturation of the gas flowing through with evaporating liquid.
  • the gas emerging from the sprinkler chamber is saturated with moisture, i.e. H. that it has a relative humidity of approx. 95 - 100% and has a temperature close to the specified water temperature.
  • a filling with a large surface is also provided in the sprinkling chamber.
  • the filling is brought to the same temperature as the liquid by the liquid running continuously over it.
  • the filling can thus serve as a buffer in order to be able to make energy available again in the short term for an increased need for evaporation energy in the case of strongly fluctuating gas flows and thus rapidly changing requirements for evaporation energy.
  • the filling is selected such that the volume flow of the breathing gas is not significantly impeded in terms of flow technology and thus, even with a maximum volume flow, there is hardly any noticeable pressure difference between the inflow and outflow of the gas.
  • such a filling can also simply be removed from the sprinkling chamber for the purpose of replacement or for sterilization.
  • the movement device in order to move the liquid through the gas, which is preferably a pump, guides the liquid, the temperature of which is regulated, in an amount through the gas and thus possibly over a filling in the sprinkling chamber, which is so large that it can provide the energy both to raise the temperature of the gas flowing through and to essentially provide the required evaporation energy.
  • the gas flowing through it is heated to almost liquid temperature and flows out saturated with a relative humidity of almost 100%.
  • a significantly larger amount of gas can be humidified and also stored by the humidification under excess pressure in the device than in the case of a humidifier which is arranged in the region of lower pressure between the respiratory flow generating device and the patient. This causes a positive buffering of heated and humidified gas and can therefore compensate for short-term fluctuating volume flows.
  • the respiratory hose itself with a corresponding heating element, which is placed, for example, inside the hose.
  • the heating element in particular into the wall of the breathing tube.
  • the integration of the heating element in the breathing tube has the advantage that the heating element provided is in direct contact with the breathing gas and can be set directly to the desired end temperature, which makes it easier to always maintain a constant temperature of the gas on the patient in the case of strongly fluctuating volume flows to have.
  • the liquid and thus also the humidification process is set to a temperature which is selected such that even after the subsequent expansion of the gas enriched and heated with moisture to ventilation or ambient pressure and a defined air humidity is reached at a desired temperature (ventilation temperature). In ventilation cases, this is preferably also close to the saturation limit.
  • the temperature in the humidification chamber under excess pressure is dependent both on the pressure prevailing in the humidifier and on the temperature desired on the patient side and the desired relative humidity of a breathing gas on the patient side. Depending on the application, lower relative humidities than 100% may also be desired on the patient.
  • the liquid which is not required for moistening the breathing gas itself, but only serves to heat it and which thus loses temperature in the sprinkler element, it is provided in a preferred embodiment to return it to the liquid reservoir. From there it can be returned to the sprinkler element after it has been heated again via the regulated heating.
  • a filter is preferably integrated into a circuit formed in this way, by means of which it is ensured that both the circulating liquid and the breathing gas are essentially kept germ-free.
  • the liquid reservoir which also has the regulated heating for the liquid, is depressurized and is connected to the sprinkler element via a pump (as a movement device for the liquid).
  • a pump as a movement device for the liquid.
  • the sprinkler humidifier described can also be used in the low pressure range.
  • the advantages outlined remain the same. However, when integrated into a breathing apparatus, this may result in undesired dead spaces.
  • An alternative embodiment does not have a pump as the movement device for the liquid, but rather a rotating body which is partially immersed in the liquid in the liquid reservoir.
  • This is preferably a stack of spaced plates which rotate about a horizontal axis and thereby drag liquid from the liquid reservoir into the gas stream, where the liquid then evaporates and leads to a humidification of the gas.
  • Such a device can be made particularly compact be formed and the rotation of the plate stack is particularly easy to control by means of an electric motor, so that even with fluctuating gas flows it is possible to react quickly to different requirements for liquid for gas humidification.
  • the device is essentially characterized in that compliance with the target parameters can be achieved by simple monitoring of the liquid level in the liquid reservoir and the temperature and pressure in the humidification chamber, together with a measurement of the temperature and, if appropriate, the relative humidity of a patient breathing gas.
  • Figure 1 shows the schematic diagram of a device for tempering and humidifying gas for ventilating a patient with humidification under excess pressure
  • Figure 2 shows an alternative embodiment of a device for tempering and humidifying gas without a high pressure area
  • Figure 3 shows another alternative embodiment with a moving device in the form of a plate stack.
  • Figure 1 shows an embodiment of a humidification device according to the invention, in this case with positioning in front of the respiratory flow generating device.
  • breathing gas is taken from a reservoir 1, for example a compressed gas bottle or a compressed gas line.
  • This usually very dry compressed gas is fed to a respiratory flow generating device 3 via a humidifier 2.
  • the supplied breathing gas is expanded to a pressure (breathing gas level) that is required for ventilation or breathing therapy and that can be slightly above the ambient pressure.
  • the respiratory gas is then guided to a patient 5 in a temperature-controlled manner via a heatable breathing tube 4 connected to the respiratory flow generating device.
  • the supply from the respiratory flow generating device 3 to the patient 5 takes place with a very small compressible volume of the breathing system.
  • the breathing gas supplied to the patient has a target humidity and exactly and constantly
  • heated liquid is supplied to the humidifier 2 via a line 6, which in this exemplary embodiment is water of approximately 72 ° C., which reaches an annular chamber 7 in the humidifier 2.
  • a line 6 which in this exemplary embodiment is water of approximately 72 ° C., which reaches an annular chamber 7 in the humidifier 2.
  • the tempered water runs out of the annular chamber 7 through a sieve tray 8 into a sprinkling chamber 9 which contains a filling 10.
  • this filling consists of solid structural elements with a large surface area and large cutouts.
  • volume flow of heated water supplied to the humidifier is considerably higher than the volume flow that would be needed in the humidifier only for the saturation of the respiratory gas flow with moisture. This ensures that the gas and liquid do not cool significantly in the contact area, which ensures the required temperature increase of the respiratory gas flow.
  • the process described above takes place under pressure, i.e. the water and thus the breathing gas have a pressure of approx. 4.5 bar at a temperature of approx. 72 ° C.
  • the breathing gas By relaxing the breathing gas from approx. 4.5 bar at approx. 72 ° C to slightly above ambient pressure and cooling to a temperature of approx. 37 ° C, the breathing gas maintains its relative humidity of almost 100%.
  • Other temperature / pressure combinations are also possible in the humidifier, as long as it is ensured that even after relaxation at the level of the respiratory pressure, the respiratory gas at the set target temperature has the target moisture according to the predefined parameters.
  • the liquid which has trickled over the filling 10 is collected in the bottom chamber 11 in the humidifier 2. From here, it flows, controlled by a valve 13, through a return line 14 into a storage container 15.
  • a pressure reducer 16 is provided in the return flow line 14, so that the storage container 15 as such is depressurized.
  • the pressure reducer is designed as a throttle.
  • the water temperature in the present example is kept at 72 ° C. by means of a regulated heater 17, such a temperature control being relatively easy to solve in terms of design.
  • the water heated in this way is pumped via an optional filter 18 by a pump 19 through line 6 back into the annular chamber 7 of the humidifier 2.
  • the optional filter 18 ensures that the circulated water is free of particles and microorganisms and thus the respiratory gas supplied to the respiratory flow generating device 3 can essentially be regarded as aseptic.
  • the reservoir 15 can be designed to be depressurized and can be refilled at any time.
  • FIG. 2 An alternative exemplary embodiment is shown in FIG. 2.
  • the humidifier 2 is connected between the respiratory flow generating device 3 and the patient 5, as in the described methods according to the prior art.
  • the device In order to keep the compressible volume and size small, the device is designed for gas flows customary in ventilation technology (0 to approx. 180 l / min) and for humidification capacities conforming to standards.
  • Temperature-controlled liquid is supplied to the humidifier 2 via a line 6, which in this exemplary embodiment is in turn water of approximately 37 ° C., which reaches a distribution chamber 7 in the humidifier 2.
  • the tempered water runs from the distribution chamber 7 through a sieve tray 8 into a sprinkling chamber 9 which contains a filling 10.
  • this filling consists of solid structural elements with a large surface area and large cutouts.
  • a technologically known, regulated heated ventilation hose 4 is preferably used. It is important here that no point of the wall in the area of the gas flow is colder than the saturation temperature of the gases in order to prevent condensation. Usually the gas in this ventilation tube 4 is heated a little further, e.g. to 40 ° C to prevent condensation even on the last route to the patient, especially the unheated tube.
  • the liquid that has trickled over the filling 10 is collected in the bottom chamber 11, which functions as a liquid reservoir.
  • the liquid is kept at a water temperature in the present example of 37 ° C. by means of a regulated heater 17, such a temperature control being relatively easy to solve in terms of design.
  • the water heated in this way is pumped back via an optional filter 18 by a pump 19 through line 6 into the distribution chamber 7 of the humidifier 2.
  • the optional filter 18 ensures that the circulated water is free of particles and microorganisms and thus the breathing gas supplied to the patient 5 can essentially be regarded as aseptic.
  • the device can be equipped with an antimicrobial surface.
  • the liquid level in the bottom chamber 11 can be regulated at a constant level by means of a valve 21.
  • this valve can in particular also be designed as a float valve. It is important here that the hydrostatic differential pressure between the liquid storage container 20 and the bottom chamber 11 is always greater than the highest occurring ventilation pressure. In practice, it is recommended to position the storage container at least 1 m above the floor chamber.
  • Another valve 22 serves as a bypass valve between the gas inlet and gas outlet of the humidifier 2. This ensures that if the differential pressure is too high, e.g. due to a defect in the humidifier, ventilation is not hindered and thus serves patient safety.
  • control and monitoring device 29 is connected to the humidifier 2 and the patient 5 via various sensors, control and regulating lines.
  • the temperature sensor 24 which e.g. The patient temperature is determined as a commercially available temperature probe. This can be used as a target in the humidification process. Alternatively, this target temperature can also be achieved by communicating with another device, e.g. a monitoring monitor.
  • the liquid temperature is detected via a further temperature sensor 26 and then regulated with the heating element 17.
  • the third temperature sensor 25 detects the temperature of the entering gas. If the liquid level in the bottom chamber 11 rises too high due to a failure of the valve 21 or a failure of the pump 19, a control and monitoring device 29 can detect the excessively high liquid level via the temperature change at this sensor 25. In the event of a fault, a bypass valve 22 opens, whereupon a significant temperature decrease is to be measured on a temperature sensor 27, which detects the temperature at the gas outlet. This safety mechanism can be checked by specifically switching off the pump 19 and the consequent increase in the liquid level.
  • the control and monitoring device 29 is connected to the humidifier 2 via a transponder 28 which is permanently connected to the humidifier 2 in order to identify the humidifier 2 and to monitor its lifespan.
  • the power consumption of the pump 19 can also be monitored in the control and monitoring device 29. Since the power consumption is related to the level of the liquid in the bottom chamber 11, a too low liquid level, e.g. due to an empty storage container 20 or a defective valve 21, or an inadequate liquid circulation, e.g. by a blockage in the sieve plate 8.
  • the humidifier 2 is located between the respiratory flow generating device 3 and the patient 5.
  • the liquid is in a floor chamber 11 and is regulated to a constant temperature by the heater 17.
  • the liquid level in the bottom chamber 11 is kept at a constant level according to FIG. 2 by means of the storage container 20 and valve 21.
  • Fixed structural elements of the exchange element 30 are at least partially immersed cyclically, in particular by means of rotation, in such a way that the water in the contact area is exchanged sufficiently frequently.
  • the amount of the liquid carried during immersion can be significantly influenced by the geometric design of the structural elements, e.g. by radial ribs or the like
  • the energy transport can be increased by a high rotational speed.
  • a strongly fluctuating and interrupted gas flow can be brought essentially to a constant temperature and saturation without e.g. the risk of the gas overheating after an interruption or insufficient moisture in the event of a suddenly high gas flow.
  • the contact area of liquid and gas it is necessary to dimension the contact area of liquid and gas and to provide it with such a geometric structure that the target material and energy exchange take place almost completely even with the maximum peak gas flow provided in the application can.
  • This dimensioning can be checked by the maximum intended peak gas flow through the device according to the invention is passed.
  • the gas temperature after flowing through the humidification chamber almost corresponds to the liquid temperature before it enters the humidification chamber.
  • a relative humidity of less than 100% is desired, this can be achieved by connecting a suitable heating element for the humidified gas:
  • the gas is brought to the temperature and saturation whose absolute moisture content meets the requirements.
  • the gas leaving the humidifier is then brought to the actual target temperature and relative target humidity by means of a downstream gas heater or by mixing with dry gas. This means that different gas temperatures and humidity can be generated.
  • the device according to the invention is not only suitable for ventilation technology, but for all applications in which a variable gas flow has to be cleaned of particles and / or brought to a constant temperature and humidity.
  • Examples include the insufflation of gases in body cavities (e.g. C0 2 in laparoscopy), the provision of breathing gases for respiratory protection applications (e.g. painting), inhalation applications of all kinds, the air conditioning of rooms (e.g. buildings, vehicles, airplanes, .. .) either alone or in combination with air conditioning systems, etc.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperierung und Befeuchtung von Gas, insbesondere von Atemgas. Dabei wird Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsreservoir (11, 15, 20) einer Berieselungskammer (9) zugeführt, wo sie durch das zu befeuchtende Gas geleitet wird. Wesentlich ist dabei, dass die Flüssigkeit über eine geregelte Heizung (17) auf eine Wunschtemperatur gebracht wird. Ausser der Vorrichtung wird ein mit dieser durchgeführtes Verfahren beschrieben.

Description

20 056 (Pe/be)
Vorrichtung und Verfahren zur Temperierung und Befeuchtung von Gas, insbesondere von Atemluft
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung und Befeuchtung von Gas, insbesondere von Atemluft, wobei die Vorrichtung ein Flüssigkeitsreservoir aufweist, sowie eine Befeuchtungskammer, die einen Zufluss und einen Abfluss für das Gas aufweist, und eine Bewegungs- Vorrichtung, um die Flüssigkeit durch das Gas zu bewegen. Außerdem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.
Eine solche Vorrichtung und Verfahren sollen insbesondere benutzt werden für die Beatmung eines Patienten. Dabei wird im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung unter dem Begriff „Beatmen" auch jegliche Art von Atemtherapie verstanden und unter „Patienten" sind sowohl Menschen als auch Tiere zu verstehen.
Ein derartiges Beatmen eines Patienten wird üblicherweise mit Hilfe eines Apparates durchgeführt, der einen Beatmungsschlauch aufweist, ein Atemstromerzeugungsgerät und einen Be- feuchter für das Atemgas. Dem Atemstromerzeugungsgerät wird das Atemgas aus einem Reservoir zugeführt und es weist auch einen Anschluss für den Beatmungsschlauch auf.
Unter einem Atemstromerzeugungsgerät ist dabei im Wesentlichen eine Funktionseinheit zu verstehen, die das einem Patienten zu applizierende Atemgas druck- und/oder volumenstrom- mäßig reguliert, beispielsweise mit Ventilen oder einem Blasebalg. Diese Funktionseinheit kann aber auch Teil einer größeren Apparatur sein.
Bei dem Atemgas wird es sich üblicherweise um Luft/Sauerstoff-Mischungen handeln, es können aber auch spezielle andere Gasmischungen verabreicht werden.
Bei der Flüssigkeit, die im Flüssigkeitsreservoir vorhanden ist und mit der die Befeuchtung des Gases bzw. der Luft erfolgt, handelt es sich üblicherweise um Wasser. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind hierbei aber auch andere Flüssigkeiten oder Mischungen aus Flüssigkeiten denkbar, sowie auch solche, denen Medikamente zugesetzt worden sind. Patienten, die durch Geräte beatmet werden, wird zumeist ein Tubus in die Luftröhre eingeführt, über den die Beatmung erfolgt. Dieser Tubus sitzt dabei an dem Ende eines Beatmungsschlauches, durch den hindurch ein Atemstromerzeugungsgerät Atemgas an den Patienten abgibt. Dabei können am Tubus auch weitere Beatmungsschläuche enden.
Die Abgabe von Atemgas über das Atemstromerzeugungsgerät erfolgt üblicherweise in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern, die an dem Atemstromerzeugungsgerät bedarfsgerecht eingestellt werden können und dann durch dieses Gerät automatisch gehalten oder aber bedarfsgerecht variiert werden können. Je nach Gerät bzw. eingestellten Parametern ist der Atemstrom im zeitlichen Verlauf der Beatmungsphase sehr unterschiedlich. Bei bisher bekannten Beatmungssystemen führt dies zu erheblichen Problemen:
Durch den Tubus in der Luftröhre wird nämlich die natürliche Funktion des Nasen-, Mund- und Rachenraumes umgangen, die bei normaler Atmung das Atemgas erwärmt und befeuchtet. Auch bei der Atemtherapie, wie z. B. der kontinuierlichen Überdruckatemtherapie mit Gesichtsmaske (CPAP), bleibt zwar der Nasen-Rachenraum vom Atemgas durchströmt, durch den im Vergleich zur natürlichen Eigenatmung eines Patienten aber wesentlich höheren und häufig auch kontinuierlichen Gasfluss treten aber insbesondere bei Anwendung trockener kalter Gase häufig unerwünschte Nebenwirkungen auf. Hierzu gehören Irritationen und Entzündungen so- wie Austrocknungen und Verborkungen der oberen Luftwege.
Um dieses Problem zu überwinden, wird bei der Beatmung das verwandte Gas, das aus einem Reservoir wie einer Gasflasche oder einer Druckgasleitung stammt oder aber auch durch ein Gebläse, einen Blasebalg oder ähnliches aus der Umgebung als Reservoir entnommen wird und das üblicherweise relativ trocken ist, künstlich befeuchtet und erwärmt.
Man versucht dabei, soweit wie möglich die natürlichen Verhältnisse zu erreichen, also das Atemgas auf eine Temperatur entsprechend der Körpertemperatur zu temperieren und es zu befeuchten, so dass es weitgehend gesättigt ist. Angestrebt wird dabei insbesondere eine rela- tive Feuchte von ca. 95 - 100 %.
Dies ist besonders schwierig bei den oben beschriebenen stark schwankenden Gasströmen, wie sie bei der Spontanatmung bzw. der künstlichen Beatmung auftreten.
Eine ähnliche Problematik findet sich auch in anderen medizinischen Bereichen, in denen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommen kann, wie z. B. in der Laparoskopie. Bei dieser wird Gas (häufig Kohlendioxid) zum Zwecke der Aufdehnung von Körperhöhlen in den Körper, z. B. in den Bauchraum, eingebracht. Auch bei dieser und ähnlichen Anwendungen kann durch eine Temperierung und Befeuchtung vorzugsweise bis zu einer weitgehenden Sät- tigung des verwandten Gases eine bisher häufig auftretende Irritation von Schleimhäuten sowie deren Austrocknen und Auskühlen verhindert werden.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass auch bei dieser Anwendung stark schwankende Gasströme festzustellen sind, da das Einbringen oder Entfernen von Instrumenten in oder aus Körperöffnungen eine schnelle Nachregelung des Gasstromes erforderlich macht, um den Druck in einer Körperhöhle konstant zu halten.
Grundsätzlich sind verschiedene Techniken und Verfahren bekannt, um Gas in oben genannten Anwendungen auf einen Vorgabewert zu temperieren und zu befeuchten. Im Folgenden sollen einige Verfahren und Vorrichtungen hierfür beschrieben werden:
Pass-over-Verdampfer (z. B. DE 38 30 314)
Bei dieser vorbekannten Vorrichtung wird ein zu temperierendes und zu befeuchtendes Gas über die Oberfläche eines beheizten Wasserbades geleitet und dabei temperiert und gleichzeitig befeuchtet. Die Flüssigkeitsoberfläche kühlt dabei in Folge der Wasserverdunstung ab und wird erst langsam durch wärmeres, nach oben steigendes Wasser ausgetauscht.
Aufgrund der durch die Anwendung in einem Beatmungssystem beschränkten Baugröße ist die Austauschfläche zwischen Flüssigkeit und darüber hinwegströmendem Gas sehr klein. Auch die beschriebene Abkühlung der Oberfläche und der daraus resultierende nur langsame Energietransport durch wärmeres Wasser an die Oberfläche führt bei einem derartigen Befeuchter dazu, dass ein austretendes Gas je nach Gasstrommenge kleinere oder größere Temperaturdiffe- renzen zur Flüssigkeit aufweist. Deshalb wird bei einer Vorrichtung dieser Art die Temperatur der Flüssigkeit auch nur auf eine durchschnittliche Gasstrommenge eingeregelt und bewegt sich bei herkömmlichen Geräten zwischen ca. 40 °C und ca. 80 °C. Stark schwankende Gasströme, wie sie gemäß den obigen Ausführungen in der Beatmung normal sind, haben somit in der Momentanwertbetrachtung entweder eine zu hohe oder aber eine zu niedrige Temperatur und auch eine zu hohe oder eine zu niedrige Feuchte. Dies ließe sich nur durch eine nur theoretisch mögliche schlagartige Änderung der Wassertemperatur nachregeln.
Membran-Verdampfer (z. B. DE 43 03 645)
Bei einer derartigen Vorrichtung wird Gas über die Oberfläche eines aus temperierter Flüssigkeit herausragenden Strukturkörpers geleitet. Der Strukturkörper saugt dabei die benötigte Flüssigkeit z. B. mittels Kapillarkräften an. Dabei wird nur die jeweils verdunstete Flüssigkeit durch neue ersetzt. Nachteilig ist hier insbesondere, dass durch die entstehende Verdunstungskälte und den nur geringen Energienachschub durch wärmeres Wasser ein ähnliches Problem wie bei den zuvor diskutierten Pass-over-Verdampfern entsteht, so dass letztlich ein variabler Gasfluss weder konstant befeuchtet noch konstant temperiert werden kann. Nur am Rande sei erwähnt, dass die angesprochenen Strukturkörper häufig nur bedingt haltbar sind und auch ihre für den medizinischen Einsatz wünschenswerte Autoklavierbarkeit meist eingeschränkt ist.
Hohlfaser-Befeuchter (z. B. DE 197 27 884)
Teildurchlässige Hohlfasern (z. B. aus PTFE) werden bündelweise so angeordnet, dass ein zu temperierendes und zu befeuchtendes Gas z. B. durch die Lumen der Hohlfasern strömt, auf deren Außenseiten die für die Befeuchtung benötigte Flüssigkeit vorhanden ist. Nachteilig an diesen Befeuchtern ist sowohl die häufig nur eingeschränkte Haltbarkeit als auch die eingeschränkte mechanische und thermische Belastbarkeit der Hohlfasern. Außerdem ist durch die Wand der Hohlfasem keine ausreichende Wärmeleitfähigkeit gegeben, so dass der Wärmenachschub zum Ausgleich der Verdunstungskälte nicht ausreicht. Somit ist insbesondere bei höheren Gasströmen eine erwünschte Erwärmung des Gases nicht zu gewährleisten, was gleichzeitig mit einer mangelhaften Befeuchtung des Gases einhergeht. Auch hier kann theoretisch durch eine Erwärmung des Wassers nachgeregelt werden, allerdings führt auch die zwangsweise Erwärmung der Fasern bei stark schwankendem Gasstrom nicht zu einer konstanten Befeuchtung, da die Energieabgabe der Erwärmungselemente aus technischen Grün- den kaum in der Geschwindigkeit der Gasstromänderung nachregelbar ist.
Hochtemperaturverdampfer (z. B. DE 43 12 793)
Bei derartigen Vorrichtungen werden bei Temperaturen von ca. 80 °C bis ca. 130 °C kleine Flüssigkeitsmengen verdampft und mit dem strömenden Gas vermischt. Hierdurch wird sowohl die benötigte Energie zur Temperierung des Gases als auch die benötigte Feuchte bereitgestellt. Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist insbesondere der hohe technische Aufwand, der außerdem noch mit einem erhöhten technischen Risiko verbunden ist, insbesondere im Hinblick auf Gefahren durch Druck und Hitze. Des weiteren haben die Vorrichtungen den Nachteil, dass die Regelung der benötigten Verdampfungsmenge nur mit zeitlicher Verzögerung erfolgen kann. Damit ist auch mit einer derartigen Vorrichtung bei stark schwankendem Gasstrom keine konstante Temperierung und Befeuchtung zu erreichen.
Durchsprudel-Befeuchter (z. B. DE 37 30 551)
Bei Vorrichtungen dieser Art wird durch eine temperierte Flüssigkeit Gas (hindurch) gesprudelt, wodurch es befeuchtet und temperiert wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist insbesondere der verfahrensbedingte hohe Gasströmungswiderstand, da stets mindestens ein Differenzdruck zu überwinden ist, der der Eintrittstiefe des Gases in der Flüssigkeit entspricht. Dies ist vor al- lern bei spontan atmenden Patienten ausgesprochen nachteilig. Ultraschallvemebler (z. B. DE 197 26 1 10)
Bei derartigen Vorrichtungen wird Flüssigkeit zu Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt, was dazu führt, dass sich kleinste Tröpfchen von der Flüssigkeit lösen und mit dem Gasstrom mitgerissen werden können. Hierbei ist insbesondere nachteilig, dass es sich keinesfalls um in molekularer Form vorliegende Flüssigkeit handelt sondern um wesentlich größere Einheiten (Aerosole). Hierdurch können verschiedenste Krankheitserreger in unerwünschter Weise transportiert werden. Des weiteren besteht bei diesem Verfahren auch die Gefahr, dass zu viel oder zu wenig Feuchte abgegeben wird, insbesondere bei intermittierenden oder schwankenden Gasströmen.
Druckzerstäuber (z. B. DE 28 34 622)
Bei Vorrichtungen dieser Art wird eine Flüssigkeit verdüst, was dazu führt, dass sich ebenfalls kleinste Tröpfchen bilden und nicht z. B. molekularer Wasserdampf entsteht. Die Nachteile dieser Druckzerstäuber entsprechen somit den zuvor diskutierten Ultraschallverneblern.
Künstliche Nasen („heat and moisture exchanger"; HME, z. B. DE 94 17 169), Filtermatten, etc.
Bei künstlichen Nasen wird das Gas über eine sehr große angefeuchtete Oberfläche geleitet, wodurch im Wesentlichen eine Feuchtigkeitssättigung des Gasstromes erreicht wird. Bei den künstlichen Nasen erfolgt die Wärme- und Feuchtigkeitszufuhr über die Ausatemluft eines Patienten. Bei Filtermatten, z. B. aus der Klimatechnik, erfolgen Wärme- und Feuchtezufuhr z. B. über ein Wasserbad. Über diese Filtermatten wird gleichzeitig eine Filtration des Gases durchgeführt.
Nachteilig ist bei diesen bekannten Vorrichtungen insbesondere, dass die Verdunstungskälte zu einer gasstromabhängigen Abkühlung führt, so dass Befeuchtung und Temperierungsleistung bei variablem Gasstrom nicht konstant sein können. Des weiteren ist bei diesen Vorrichtungen nachteilig, dass die bei der Filtration zurückgehaltenen Stoffe im Laufe der Einsatzdauer den Durchflusswiderstand der Filtermatten für das Gas erhöhen, was speziell im medizinischen Bericht unerwünscht ist. Auch wird durch die prinzipbedingte Anordnung der HMEs im Ein- und Ausatembereich der Patienten der Totraum nachteilig vergrößert. Dies kann dazu führen, dass ein Patient bei einem Atemzug einen Großteil der Luft einatmet, die er zuvor gerade ausgeatmet hat.
Booster-Systeme (z. B. DE 44 32 907)
Bei diesen Systemen wird versucht, den unzureichenden Wirkungsgrad von künstlichen Nasen (HME) mittels Zufuhr von Flüssigkeit und Wärme auszugleichen. Dies erfordert eine technisch recht aufwändige Regelung. Außerdem können systembedingt auch hier bei stark schwankendem Gasstrom Temperatur und Feuchte nicht konstant gehalten werden, da auch eine sehr gute Regelung die entstehenden Verdunstungskälte kaum ohne Zeitverzögerung ausgleichen kann. Der oben beschriebene nachteilige Totraum, sowie die nachteilige Baugröße und das nachteilige Gewicht werden bei diesen Systemen durch weitere, hier nicht näher erläuterte E- lemente weiter vergrößert.
Kombination von bisher diskutierten Verfahren (DE 296 12 115).
Bei diesem kombinierten Verfahren wird das Gas zunächst überhitzt und befeuchtet und in einer nachfolgenden zweiten Stufe dann mittels konstant temperierter Metallrippen o. ä. auf die Zieltemperatur gekühlt. Überschüssige Feuchte im Gas wird hierbei als Kondensat von den temperierten Metallrippen tropfen und wieder dem Befeuchter zugeführt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist vor allem, dass dem Gas zuerst mehr Energie in Form von Feuchte und Temperatur zugeführt wird, als für die Beatmung notwendig ist.
Abgesehen davon, dass dies energetisch ungünstig ist, besteht auch die Gefahr, dass bei einer Fehlfunktion in der Abkühlstufe ein Patient dann nachhaltig geschädigt werden kann.
Raumluft-Befeuchter mit rotierendem Plattenstapel (z. B. DE 37 35 219)
Bei derartigen Systemen rotieren Plattenstapel derart, dass die Platten bei einem Teil ihres Umlaufes in Wasser eintauchen und dadurch benetzt werden. Das Gas strömt mittels eines Ventilators an diesen Plattenstapeln vorbei und soll somit von Partikeln gereinigt und befeuchtet werden. Bei diesen Vorrichtungen soll der Flüssigkeit ein nicht flüchtiges Mittel zugesetzt werden zur Reduktion der Oberflächenspannung, um tatsächlich eine ausreichende Plattenbenet- zung zu erreichen. Diese und ähnliche Vorrichtungen werden insbesondere für die Wohnraum- Klimatisierung vorgesehen und weisen keine Möglichkeit zur Temperierung des Gases auf. Außerdem ist die Dimensionierung und die Umlaufgeschwindigkeit der Platten in keinster Weise geeignet, um eine variable Gasströmung konstant zu befeuchten oder gar mit einer Flüssigkeit zu sättigen.
Es muss zusammenfassend also festgestellt werden, dass im Stand der Technik keine Verfahren und Systeme für die Temperierung und Befeuchtung von Gasen vorhanden sind, die für die Anwendung bei stark schwankender oder intermittierender Gasströmung geeignet wären. Bei den bisher bekannten Vorrichtungen kommt es dabei zu erheblichen Schwankungen von Temperatur und Feuchte des abgegebenen Gases.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Geräte besteht darin, dass sie die Präzision von Mess- und Regelvorgängen, welche für eine Beatmung gewünscht werden, teilweise erheblich verschlech- tern oder sogar ganz verhindern: Beispielsweise gibt es Methoden und Sensoriken zur Beatmung, die eine möglichst unmittelbare Ankopplung eines Atemstromerzeugungsgerätes bzw. eines Sensors an einen Patienten benötigen, um diesem das benötigte Atemgas in einer vorgegebenen konstanten Qualität und Quantität und insbesondere auch mit präzisen Volumenströ- men zu verabreichen.
Die heute bekannten Befeuchter, die zwischen einem Atemstromerzeugungsgerät und dem
Patienten angeordnet sind, sind insofern nachteilig als mit ihnen ein zusätzliches kompressibles
Volumen von teilweise erheblicher Größe in den Atemkreislauf eingebracht wird.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Befeuchter ist auch der Druckgradient, der bei manchen herkömmlichen Befeuchtern zwischen deren Eingang und Ausgang herrscht: Da der Druck des dem Patienten zugeführten Atemgases (Atemgasniveau) nur gering höher ist als der Umgebungsdruck (üblicherweise maximal ca. 0,1 bar) führt dieser Druckgradient dazu, dass am Atemstromerzeugungsgerät selbst nicht exakt der am Patienten herrschende Druck anliegt. Dies hat die Gefahr von Fehlfunktionen und Ungenauigkeiten in der Regelung als Konsequenz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Vorrichtungen wie oben angegeben derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile beseitigt werden und insbesondere Gas unab- hängig von Gasstromschwankungen konstant auf einen Vorgabewert zu temperieren ist und es insbesondere bei dieser Temperatur mit einer Flüssigkeit weitgehend zu sättigen ist, das heißt bis zu einer relativen Feuchte von ca. 95 - 100 %.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur Temperierung und Befeuchtung von Gas mit einem Flüssigkeitsreservoir sowie einer Befeuchtungskammer, die einen Zufluss und einen Abfluss für das Gas aufweist, sowie mit einer Bewegungsvorrichtung, um die Flüssigkeit durch das Gas zu bewegen, eine geregelte Heizung für die Flüssigkeit aufweist.
Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile:
Zum einen besteht die Möglichkeit, durch die Bewegungsvorrichtung und die geregelte Heizung zwei Elemente zu haben, über die eine Regelung der Temperierung und Befeuchtung zu erreichen ist.
Zum anderen kann über diese zwei Elemente, die unabhängig voneinander zu regeln sind, eine recht intensive Temperierung und Befeuchtung erreicht werden, so dass die Vorrichtung relativ kompakt ausgebildet werden kann.
Des weiteren ist eine derartige Vorrichtung robust und betriebssicher ausführbar und ist damit auch im Dauerbetrieb zuverlässig einzusetzen. Es werden auch keine Aerosole erzeugt sondern das Gas wird mit dampfförmiger Flüssigkeit gesättigt. Wesentlich ist auch, dass die Regelung der Temperierung und Befeuchtung über die Bewegungsvorrichtung und die geregelte Heizung einfach nachzuregeln ist.
Vorteilhafterweise wird dabei die Befeuchtungskammer als Berieselungskammer ausgebildet. In einer Berieselungskammer wird die Flüssigkeit durch das Gas hindurchbewegt. Die Temperatur des durchströmenden Gases kann sich dabei leicht an die Temperatur des Wassers annähern, wobei sich gleichzeitig eine Sättigung des durchströmenden Gases mit verdunstender Flüssig- keit ergibt. Das aus der Berieselungskammer austretende Gas ist feuchtigkeitsgesättigt, d. h. dass es eine relative Feuchte von ca. 95 - 100 % aufweist und hat eine Temperatur nahe der vorgegebenen Wassertemperatur.
Vorteilhafterweise ist in der Berieselungskammer auch eine Füllung vorgesehen mit einer gro- ßen Oberfläche. Die Füllung wird durch die ständig über sie hinweglaufende Flüssigkeit auf die gleiche Temperatur gebracht, die die Flüssigkeit hat. Die Füllung kann somit als Puffer dienen, um bei stark schwankenden Gasströmen und sich damit stark ändernden Bedürfnissen an Verdunstungsenergie kurzfristig Energie wieder für einen erhöhten Bedarf an Verdunstungsenergie zur Verfügung stellen zu können.
Als besonders geeignet hat sich für diese Füllung daher z. B. ein Aluminiumgestricke oder aber Edelstahlwolle gezeigt, als auch eine Packung aus Metall-, insbesondere Stahlkugeln. Diese Materialien haben eine hohe Energiespeicherkapazität kombiniert mit der Eigenschaft, Energie auch schnell wieder abgeben zu können.
Es sind aber auch andere offenporige Strukturen für das Füllungsmaterial denkbar.
Wesentlich ist, dass die Füllung so gewählt wird, dass der Volumenstrom des Atemgases strömungstechnisch nicht wesentlich behindert wird und somit auch bei einem maximalen Volu- menstrom kaum eine merkliche Druckdifferenz zwischen Zufluss und Abfluss des Gases festzustellen ist.
Eine solche Füllung ist bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform auch einfach aus der Berieselungskammer zu entnehmen zum Zwecke des Auswechseins oder zur Sterilisierung.
Weiterhin ist wesentlich, dass die Bewegungsvorrichtung, um die Flüssigkeit durch das Gas zu bewegen, bei der es sich vorzugsweise um eine Pumpe handelt, die in ihrer Temperatur geregelte Flüssigkeit in einer Menge durch das Gas und damit gegebenenfalls über eine Füllung in der Berieselungskammer führt, die so groß ist, dass sie die Energie bereitstellen kann, sowohl um die Temperatur des durchströmenden Gases anzuheben, als auch um die benötigte Verdunstungsenergie im Wesentlichen bereitzustellen. So ist zu erreichen, dass bei maximalem Volumenstrom über das Berieselungselement das durchströmende Gas auf nahezu Flüssigkeitstemperatur erwärmt wird und mit einer relativen Feuchte von nahezu 100 % gesättigt abfließt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Befeuchtungskammer in bestimmten Anwendungen unter Überdruck zu stellen.
Damit hat man die Möglichkeit, einem nachgeschalteten Atemstromerzeugungsgerät bereits angefeuchtete Luft zuführen zu können und eine Befeuchtung muss nicht erst zwischen dem Atemstromerzeugungsgerät und dem Patienten erfolgen. Hierdurch wird nicht nur Totraum (komprimierbares Volumen) im Bereich zwischen Atemstromerzeugungsgerät und Patient vermieden, sondern auch ein Einbau der Vorrichtung im Beatmungsschlauch, der zwischen Atemstromerzeugungsgerät und Patient verläuft, was dort einen zusätzlichen unerwünschten Druckgradienten bewirken könnte.
Außerdem kann durch die Befeuchtung unter Überdruck in der Vorrichtung eine wesentlich größere Gasmenge befeuchtet und auch bevorratet werden, als bei einem Befeuchter, der im Bereich niedrigeren Drucks zwischen Atemstrom-Erzeugungsgerät und Patient angeordnet ist. Dies bewirkt eine als positiv anzusehende Pufferung von erwärmtem und befeuchtetem Gas und somit kann ein Ausgleich bei kurzfristig schwankenden Volumenströmen erfolgen.
Eine aufwändige Regelung ist nicht erforderlich. Dies bedeutet auch eine erhebliche konstruktive Vereinfachung, die zu Kosteneinsparungen führt.
Um dabei vom Atemstromerzeugungsgerät zum Patienten strömendes Gas präzise in der Temperatur auf den benötigten Wert einzustellen, wird weiterhin vorgeschlagen, den Beatmungsschlauch selbst mit einem entsprechenden Heizelement zu versehen, das zum Beispiel im Schlauchinneren platziert ist. Es ist aber auch möglich, das Heizelement insbesondere in die Wandung des Beatmungsschlauches einzuarbeiten. Die Integrierung des Heizelementes in den Beatmungsschlauch hat den Vorteil, dass das vorgesehene Heizelement im direkten Kontakt mit dem Atemgas ist und direkt auf die gewünschte Endtemperatur eingestellt werden kann, womit es erleichtert wird, bei stark schwankenden Volumenströmen immer eine gleichmäßige Temperatur des Gases am Patienten zu haben.
Es sei noch erwähnt, dass bei einer mit Überdruck beaufschlagten Befeuchtungskammer die Flüssigkeit und damit auch der Befeuchtungsprozess auf eine Temperatur eingestellt wird, die so gewählt ist, dass auch nach der nachfolgenden Entspannung des mit Feuchtigkeit angereicherten und erwärmten Gases auf Beatmungs- bzw. Umgebungsdruck und bei einer gewünschten Temperatur (Beatmungstemperatur) eine definierte Luftfeuchtigkeit erreicht wird. Diese liegt in Beatmungsfällen vorzugsweise ebenfalls nahe der Sättigungsgrenze. Grundsätzlich ist die Temperatur in der unter Überdruck stehenden Befeuchtungskammer dabei sowohl abhängig von dem im Befeuchter herrschenden Druck als auch von der patientenseitig gewünschten Temperatur und der patientenseitig gewünschten relativen Feuchte eines Atem- gases. Je nach Anwendungsfall können dabei am Patienten auch geringere relative Feuchten gewünscht sein als 100 %.
Es liegt dabei auch im Rahmen der Erfindung, bei schwankenden Gasströmen den Überdruck den Schwankungen entsprechend zu variieren, um damit auf der Patientenseite ein nach der Entspannung konstant temperiertes und befeuchtetes Atemgas anzubieten.
Für die Flüssigkeit, die nicht für die Befeuchtung des Atemgases selbst benötigt wird, sondern lediglich zu dessen Erwärmung dient und die somit in dem Berieselungselement an Temperatur verliert, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, sie zum Flüssigkeitsreservoir zurückzuführen. Von dort kann sie nach einer erneuten Erwärmung über die geregelte Heizung wieder dem Berieselungselement zugeführt werden.
In einen derart gebildeten Kreislauf wird dabei vorzugsweise ein Filter integriert, durch den gewährleistet wird, dass sowohl die umlaufende Flüssigkeit als auch das Atemgas im Wesentli- chen keimfrei gehalten werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Flüssigkeitsreservoir, das auch die geregelte Heizung für die Flüssigkeit aufweist, drucklos und ist über eine Pumpe (als Bewegungsvorrichtung für die Flüssigkeit) mit dem Berieselungselement verschaltet. Indem diese Pumpe geregelt wird, kann die Menge der umgewälzte Flüssigkeit an den entsprechenden Bedarf angepasst werden. Indem im Umwälzkreislauf gegebenenfalls noch ein Druckminderer vorgesehen ist, kann auch bei einer unter Überdruck stehenden Befeuchtungskammer ein unterbrechungsfreier Betrieb der Temperierungs- und Befeuchtungsvorrichtung möglich sein, während eines notwendigen Nachfüllens von Flüssigkeit in das Flüssigkeitsreservoir.
Natürlich kann der beschriebene Berieselungsbefeuchter auch im Niederdruckbereich eingesetzt werden. Die skizzierten Vorteile bleiben dabei erhalten. Es kann allerdings sein, dass sich bei Integrierung in ein Atemgerät dadurch unerwünschte Toträume ergeben.
Eine alternative Ausführungsform weist als Bewegungsvorrichtung für die Flüssigkeit keine Pumpe auf, sondern einen in die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsreservoir teilweise eintauchenden rotierenden Körper. Bei diesem handelt es sich vorzugsweise um einen Stapel zueinander beabstandeter Platten, die um eine horizontale Achse rotieren und dabei aus dem Flüssigkeitsreservoir Flüssigkeit in den Gasstrom schleppen, wo die Flüssigkeit dann verdunstet und zu einer Befeuchtung des Gases führt. Eine solche Vorrichtung kann besonders kompakt ausge- bildet werden und die Rotation des Plattenstapels ist über einen Elektromotor besonders leicht zu regeln, womit auch bei schwankenden Gasströmen schnell auf unterschiedlichen Bedarf an Flüssigkeit für.die Gasbefeuchtung reagiert werden kann.
Ansonsten zeichnet die Vorrichtung sich im wesentlichen dadurch aus, dass die Einhaltung der Zielparameter durch eine einfach realisierbare Überwachung des Flüssigkeitspegels im Flüssigkeitsreservoir sowie der Temperatur und dem Druck in der Befeuchtungskammer erreicht werden kann zusammen mit einer Messung der Temperatur und gegebenenfalls relativen Feuchte eines einem Patienten zugeführten Atemgases.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt
Figur 1 die Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Temperierung und Befeuchtung von Gas zum Beatmen eines Patienten mit einer Befeuchtung unter Überdruck;
Figur 2 eine alternative Ausführung einer Vorrichtung zur Temperierung und Befeuchtung von Gas ohne einen Hochdruckbereich; Figur 3 eine weitere alternative Ausführungsform mit einer Bewegungsvorrichtung in Form von einem Plattenstapel.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Befeuchtύngsvorrichtung, in diesem Fall mit Positionierung vor dem Atemstromerzeugungsgerät.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird Atemgas einem Reservoir 1 entnommen, bei- spielsweise einer Druckgasflasche oder einer Druckgasleitung. Dieses üblicherweise sehr trockene Druckgas wird über einen Befeuchter 2 einem Atemstromerzeugungsgerät 3 zugeleitet. Hier wird das zugeführte Atemgas auf einen Druck entspannt (Atemgasniveau), der für eine Beatmung oder eine Atemtherapie benötigt wird und der etwas über dem Umgebungsdruck liegen kann. Das Atemgas wird dann temperaturgeregelt über einen an dem Atemstromerzeugungsgerät angeschlossenen, beheizbaren Beatmungsschlauch 4 zu einem Patienten 5 geleitet.
Die Zuleitung vom Atemstromerzeugungsgerät 3 zum Patienten 5 erfolgt dabei bei sehr geringem kompressiblen Volumen des Atemsystems.
Wichtig ist, dass das dem Patienten zugeführte Atemgas exakt und konstant eine Sollfeuchte und
-temperatur aufweist, typischerweise nahe der Sättigungsgrenze, also fast 100% bei einer Temperatur von ca. 37 °C. Außerdem muss die Beatmung des Patienten unterbrechungsfrei durchzuführen sein.
Hierzu wird dem Befeuchter 2 über eine Leitung 6 beheizte Flüssigkeit zugeführt, die in diesem Ausführungsbeispiel Wasser von etwa 72 °C ist, die in dem Befeuchter 2 in eine Ringkammer 7 gelangt. Wenn im übrigen hier von Wasser die Rede ist, so sei noch einmal darauf hingewiesen, dass auch die Verwendung anderer geeigneter Flüssigkeiten möglich ist, die der Fachmann aufgrund seines Wissens auswählen kann. Auch können der Flüssigkeit bzw. im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel dem Wasser Medikamente o.a. zugesetzt werden, ohne dass dies im folgenden jeweils separat erwähnt würde.
Aus der Ringkammer 7 läuft das temperierte Wasser über einen Siebboden 8 in eine Berieselungskammer 9, die eine Füllung 10 enthält. Diese Füllung besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus festen Strukturelementen mit großer Oberfläche und großen Aussparungen.
Während das Wasser aus der Ringkammer 7 über die große Oberfläche nach unten rieselt in die Bodenkammer 11 des Befeuchters 2, erwärmt und benetzt es die Füllung 10. Gleichzeitig strömt aus dem Reservoir 1 kommendes Atemgas in der Gegenrichtung durch die Füllung 10. Dabei erwärmt sich dieses Atemgas und nimmt gleichzeitig Feuchtigkeit auf, so dass es nahezu gesättigt über eine Sammelkammer 12 zum Atemstromerzeugungsgerät 3 geleitet werden kann.
Es sei an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass der dem Befeuchter zugeführte Volumenstrom an beheiztem Wasser erheblich höher ist als der Volumenstrom, der in dem Befeuch- ter nur für die Sättigung des Atemgasstromes mit Feuchtigkeit benötigt würde. Damit wird erreicht, dass im Kontaktbereich von Gas und Flüssigkeit diese nicht signifikant auskühlt, wodurch die erforderliche Temperaturerhöhung des Atemgasstromes sichergestellt ist.
Im hier dargestellten Beispiel erfolgt der oben beschriebene Vorgang unter Druck, d.h. das Wasser und damit das Atemgas haben einen Druck von ca. 4,5 bar bei einer Temperatur von ca. 72 °C.
Durch die Entspannung des Atemgases von ca. 4,5 bar bei ca. 72 °C auf etwas über Umgebungsdruck und die Abkühlung auf eine Temperatur von ca. 37 °C behält das Atemgas seine relative Feuchte von nahezu 100 %. Es sind im Befeuchter auch andere Temperatur-/Druckkombinationen möglich, solange gewährleistet ist, dass auch nach der Entspannung auf Atemdruckniveau das Atemgas bei der eingestellten Zieltemperatur die Zielfeuchte entsprechend den vordefinierten Parametern aufweist.
Wie bereits erklärt, wird im Befeuchter 2 die Flüssigkeit, die über die Füllung 10 gerieselt ist, in der Bodenkammer 11 gesammelt. Von hier fließt sie, gesteuert über ein Ventil 13, durch eine Rückflussleitung 14 in einen Vorratsbehälter 15. In der Rückflussleitung 14 ist dabei ein Druckminderer 16 vorgesehen, so dass der Vorratsbehälter 15 als solcher drucklos ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Druckminderer als Drossel ausgebildet.
Im Vorratsbehälter 15 wird über eine geregelte Heizung 17 die Wassertemperatur im hier vorliegenden Beispiel auf 72 °C gehalten, wobei eine derartige Temperaturregelung relativ einfach konstruktiv zu lösen ist. Das derart erwärmte Wasser wird über einen optionalen Filter 18 von einer Pumpe 19 durch die Leitung 6 wieder in die Ringkammer 7 des Befeuchters 2 gepumpt.
Der optionale Filter 18 gewährleistet hierbei, dass das umgewälzte Wasser frei von Partikeln und Mikroorganismen ist und somit auch das dem Atemstromerzeugungsgerät 3 zugeführte Atemgas im wesentlichen als keimfrei angesehen werden kann.
Durch die Pumpe 19 und das Ventil 13 bzw. den Druckminderer 16 kann der Vorratsbehälter 15 drucklos ausgebildet sein und kann jederzeit nachgefüllt werden.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel zeigt Figur 2. Hierbei ist der Befeuchter 2 wie bei den beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik zwischen das Atemstromerzeugungsgerät 3 und den Patienten 5 geschaltet.
Um das komprimierbare Volumen und die Baugröße gering zu halten, ist die Vorrichtung für in der Beatmungstechnik übliche Gasströme (0 bis ca. 180 l/min) und auf normkonforme Befeuchtungsleistungen ausgelegt.
Dem Befeuchter 2 wird über eine Leitung 6 temperierte Flüssigkeit zugeführt, die in diesem Ausführungsbeispiel wiederum Wasser von etwa 37 °C ist, die in dem Befeuchter 2 in eine Verteilkammer 7 gelangt.
Aus der Verteilkammer 7 läuft das temperierte Wasser über einen Siebboden 8 in eine Berieselungskammer 9, die eine Füllung 10 enthält. Diese Füllung besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus festen Strukturelementen mit großer Oberfläche und großen Aussparungen. Im Sinne einer Vereinfachung der Vorrichtung ist denkbar, auf die Füllung 10 zu verzichten und die aus dem Siebboden 8 austretenden Flüssigkeitströpfchen einfach durch die Berieselungskammer 9 fallen zu lassen. Dies kann u.U. als vorteilhaft für die Reinigung und Aufbereitung angesehen werden, es ist aber zu berücksichtigen, dass bei gleichen Anforderungen an die Befeuchtungsleistung unter Umständen das Volumen der Berieselungskammer sowie die umgewälzte Flüssigkeitsmenge pro Zeit wesentlich zu vergrößern sind.
Während das Wasser aus der Verteilkammer 7 über die große Oberfläche nach unten rieselt in die Bodenkammer 11 des Befeuchters 2, erwärmt und benetzt es die Füllung 10. Gleichzeitig strömt aus dem Atemstromerzeugungsgerät 3 kommendes Atemgas in Gegenrichtung durch die Füllung 10. Dabei erwärmt sich dieses Atemgas und nimmt gleichzeitig Feuchtigkeit auf, so dass es nahezu gesättigt mit einer relativen Feuchte von etwa 95 - 100 % über die Sammelkammer 12 zum Patienten 5 geleitet werden kann.
Um Kondensatbildung zu vermeiden, wird vorzugsweise ein technologisch bekannter, geregelt beheizter Beatmungsschlauch 4 eingesetzt. Wichtig hierbei ist, dass keine Stelle der Wandung im Bereich des Gasstroms kälter als die Sättigungstemperatur der Gase ist, um Kondensation zu verhindern. Üblicherweise wird das Gas in diesem Beatmungsschlauch 4 noch etwas weiter erwärmt, z.B. auf 40 °C, um auch auf der letzten Strecke zum Patienten, insbesondere dem ungeheizten Tubus, eine Kondensation zu verhindern.
Es sei noch erwähnt, dass je nach Funktionsprinzip des jeweiligen Atemstromerzeugungsgerätes 3 nur ein einziger Beatmungsschlauch 4, oder mehrere eingesetzt werden, wobei hierbei ggf. auch die Ausatemluft des Patienten dem Atemstromerzeugungsgerät zugeführt werden kann. In diesen Fällen beziehen sich die o.g. Ausführungen zur Notwendigkeit bzw. zu den
Möglichkeiten der Schlauchheizung auch auf alle weiteren Schläuche und Schlauchabschnitte, in denen die Kondensationsproblematik bestehen kann.
Wie bereits erklärt, wird im Befeuchter 2 die Flüssigkeit, die über die Füllung 10 gerieselt ist, in der Bodenkammer 11 gesammelt, die als Flüssigkeitsreservoir fungiert.
Hier wird die Flüssigkeit über eine geregelte Heizung 17 auf einer Wassertemperatur im hier vorliegenden Beispiel von 37 °C gehalten, wobei eine derartige Temperaturregelung relativ einfach konstruktiv zu lösen ist. Das derart erwärmte Wasser wird über einen optionalen Filter 18 von einer Pumpe 19 durch die Leitung 6 wieder in die Verteilkammer 7 des Befeuchters 2 gepumpt. Der optionale Filter 18 gewährleistet hierbei, dass das umgewälzte Wasser frei von Partikeln und Mikroorganismen ist und somit auch das dem Patienten 5 zugeführte Atemgas im Wesentlichen als keimfrei angesehen werden kann. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung mit einer antimikrobiellen Oberfläche ausgestattet sein.
Über einen Flüssigkeits-Vorratsbehälter 20, z.B. eine Infusionsflasche, kann mittels eines Ventils 21 der Flüssigkeitspegel in der Bodenkammer 11 auf konstantem Niveau reguliert werden. Hierfür kann dieses Ventil insbesondere auch als Schwimmerventil ausgeführt sein. Wichtig ist hierbei, dass der hydrostatische Differenzdruck zwischen dem Flüssigkeits-Vorratsbehälter 20 und der Bodenkammer 11 stets größer ist als der höchstvorkommende Beatmungsdruck. Für die Praxis empfiehlt sich hieraus die Positionierung des Vorratsbehälters in mind. 1 m Höhe über der Bodenkammer.
Ein weiteres Ventil 22 dient als Bypassventil zwischen Gaseinlass und Gasauslass des Be- feuchters 2. Dieses stellt sicher, dass bei einem zu hohen Differenzdruck, z.B. durch einen Defekt im Befeuchter, die Beatmung nicht behindert wird, und dient somit der Patientensicherheit.
Über eine in den Sammelbereich 12 integrierte Wasserfalle 23 wird überschüssiges und in der Luft mitgeführtes Wasser abgeschieden und in die Bodenkammer 11 zurückgeführt.
Zur Regelung des Befeuchtungsprozesses und zur Überwachung der Funktion steht das Regel- und Überwachungsgerät 29 mit dem Befeuchter 2 und dem Patienten 5 über verschiedene Sensoren, Steuer- und Regelleitungen in Verbindung. Über den Temperatursensor 24, welcher z.B. als handelsübliche Temperatursonde ausgeführt sein kann, wird die Patiententemperatur ermittelt. Diese kann in den Befeuchtungsprozess als Zielgröße eingehen. Alternativ kann diese Zieltemperatur auch durch die Kommunikation mit einem anderen Gerät, z.B. einem Überwachungsmonitor, vorgegeben werden. Über einen weiteren Temperatursensor 26 wird die Flüssigkeitstemperatur erfasst und dann mit dem Heizelement 17 geregelt.
Der dritte Temperatursensor 25 erfasst die Temperatur des eintretenden Gases. Bei einem zu hohen Anstieg des Flüssigkeitspegels in der Bodenkammer 11 infolge eines Versagens des Ventils 21 oder eines Ausfalls der Pumpe 19 kann ein Regel- und Überwachungsgerät 29 über die Temperaturänderung an diesem Sensor 25 den zu hohen Flüssigkeitspegel erkennen. In diesem Fehlerfall öffnet ein Bypassventil 22, woraufhin an einem Temperatursensor 27, der die Temperatur am Gasauslass erfasst, eine deutliche Temperaturabnahme zu messen ist. Dieser Sicherheitsmechanismus ist durch ein gezieltes Abschalten der Pumpe 19 und dem daraus folgenden Anstieg des Flüssigkeitspegels und überprüfbar. Über einen fest mit dem Befeuchter 2 verbundenen Transponder 28 steht das Regel- und Überwachungsgerät 29 mit dem Befeuchter 2 in Verbindung, um ihn zu identifizieren und hinsichtlich seiner Lebensdauer zu überwachen.
In dem Regel- und Überwachungsgerät 29 kann auch die Leistungsaufnahme der Pumpe 19 überwacht werden. Da die Leistungsaufnahme in Zusammenhang mit der Höhe des Flüssigkeitspegels in der Bodenkammer 11 steht, kann damit auch ein zu niedriger Flüssigkeitspegel, z.B. bedingt durch einen leeren Vorratsbehälter 20 oder ein defektes Ventil 21 , oder eine mangelhafte Flüssigkeitsumwälzung, z.B. durch eine Verstopfung des Siebbodens 8, erkannt wer- den.
Alternativ wäre auch eine Anordnung gemäß Figur 3 denkbar:
Hierbei befindet sich der Befeuchter 2 entsprechend Figur 2 zwischen Atemstromerzeugungs- gerät 3 und Patient 5. Die Flüssigkeit befindet sich in einer Bodenkammer 11 und wird über die Heizung 17 auf konstante Temperatur geregelt.
Der Flüssigkeitspegel in der Bodenkammer 11 wird entsprechend Figur 2 mittels Vorratsbehälter 20 und Ventil 21 auf konstantem Niveau gehalten.
Feste Strukturelemente des Austauschelementes 30 tauchen zyklisch, insbesondere mittels Rotation, zumindest teilweise so in die Flüssigkeit ein, dass dadurch ein ausreichend häufiger Austausch des Wassers im Kontaktbereich erfolgt. Hierbei lässt sich die Menge der beim Eintauchen mitgenommenen Flüssigkeit durch die geometrische Gestaltung der Strukturelemente wesentlich beeinflussen, z.B. durch radiale Rippen o.a. Weiterhin kann durch eine hohe Rotationsgeschwindigkeit der Energietransport vergrößert werden.
Bei den beschriebenen Ausführungen z.B. gemäß den Figuren 1 , 2 und 3 sowie korrekter Dimensionierung kann ein stark schwankender und unterbrochener Gasstrom im Wesentlichen auf konstante Temperatur und Sättigung gebracht werden, ohne z.B. die Gefahr der Überhitzung des Gases nach Unterbrechung oder einer zu geringer Feuchte bei plötzlichem hohem Gasstrom.
Für die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist es hierzu erforderlich, den Kontaktbereich von Flüssigkeit und Gas so zu dimensionieren und mit einer derartigen geometrischen Struktur zu versehen, dass auch beim maximal in der Anwendung vorgesehenen Spitzen-Gasstrom der Soll-Stoff- und Energieaustausch nahezu vollständig stattfinden kann. Diese Dimensionierung kann geprüft werden, indem der maximal vorgesehene Spitzen-Gasstrom konstant durch die erfindungsgemäße Vorrichtung geleitet wird. Bei korrekter Dimensionierung entspricht die Gastemperatur nach Durchströmen der Befeuchtungskammer nahezu der Flüssigkeitstemperatur vor deren Eintritt in die Befeuchtungskammer.
Das Mitreißen von Wassertröpfchen im Gasstrom wird durch geeignete Maßnahmen verhindert (z.B. Vergrößerung des Strömungs-Querschnitts).
Durch den Anschluss von beheizten Schläuchen für den weiteren Transport des Gases kann die Kondensatbildung im Schlauch wirkungsvoll verhindert werden.
Sofern eine relative Feuchte von weniger als 100 % gewünscht ist, so lässt sich dies über die Nachschaltung eines geeigneten Heizelementes für das befeuchtete Gas realisieren: Das Gas wird im erfindungsgemäßen Befeuchter auf diejenige Temperatur und Sättigung gebracht, deren Absolutgehalt an Feuchte den Anforderungen entspricht. Über eine nachgeschaltete Gas- heizung oder durch Mischung mit trockenem Gas wird das den Befeuchter verlassende Gas nun auf die eigentliche Zieltemperatur und relative Zielfeuchte gebracht. Dadurch ist die Erzeugung verschiedener Gastemperaturen und -feuchten realisierbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur für die Beatmungstechnik geeignet, sondern für alle Anwendungen, in denen ein variabler Gasstrom von Partikeln zu reinigen und/oder auf konstante Temperatur und Feuchte zu bringen ist. Beispiele hierfür sind z.B. die Insufflation von Gasen in Körperhöhlen (z.B. C02 bei der Laparoskopie), die Bereitstellung von Atemgasen für Atemschutz-Anwendungen (z.B. Lackierung), Inhalationsanwendungen aller Art, die Klimatisierung von Räumen (z.B. Gebäude, Fahrzeuge, Flugzeuge, ...) entweder alleine oder in Kombina- tion mit Klima-Anlagen, etc.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Temperierung und Befeuchtung von Gas, mit - einem Flüssigkeitsreservoir (1 1 , 1 5, 20), einer Befeuchtungskammer (9), die einen Zufluss und einen Abfluss für das Gas aufweist, einer Bewegungsvorrichtung (19, 30), um die Flüssigkeit durch das Gas zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine geregelte Heizung (17) für die Flüssigkeit aufweist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungskammer (9) als Berieselungskammer ausgebildet ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Berieselungskammer (9) eine Füllung (10) vorgesehen ist, die eine große Oberfläche aufweist.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungskammer (9) unter Überdruck steht.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung eine Pumpe (19) ist, die der Berieselungskammer (9) die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir (1 1 , 15) zuführt, wobei Berieselungskammer (9) und Flüssigkeits-reservoir (1 1 ,
15) in einem Kreislauf verbunden sind.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung ein in die Flüssigkeit in dem
Flüssigkeitsreservoir (1 1 ) teilweise eintauchender rotierender Körper (30) ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (30) ein Stapel zu einander beabstandeter Platten ist.
8. Verfahren zur Befeuchtung eines Gases enthaltend die Schritte: Zuführen eines Gases aus einem Reservoir, geregelte Erzeugung eines Gasstromes, Erwärmung und Befeuchtung eines Gases und Zuleiten des Gases zu einem Patienten, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtung mittels Berieselung erfolgt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtung vor der Erzeugung des Gasstromes erfolgt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtung bei einem Überdruck erfolgt, vorzugsweise bei einem
Druck von ca. 4,5 bar, und bei einer Temperatur die gegenüber einer Zuführungstemperatur zu dem Patienten erhöht ist, vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 72 °C, wobei das Atemgas auf Atemgasniveau entspannt wird, vorzugsweise maximal 0, 1 bar über Umgebungsdruck, bei einer Temperatur von vorzugsweise ca. 37 °C und einen vorgewählten relativen
Feuchte von vorzugsweise ca. 100 %
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