WO2005068004A1 - Beatmungsgerät zur therapie der schlafapnoe sowie verfahren zu dessen steuerung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a respirator for therapy of sleep apnea according to the preamble of claim 1, in particular an auto-CPAP (CPAP with auto-adjust function), which is suitable for measuring the flow resistance of the respiratory tract of a person or changes in this flow resistance with sufficient accuracy.
  • the invention further relates to a method for controlling such a ventilator.
  • CPAP Continuous Positive Airway Pressure
  • the patient breathes in an artificial atmosphere, which is generated by a CPAP and whose pressure is continuously increased compared to the natural atmosphere.
  • the increased pressure prevents a patient's soft upper airways from collapsing when muscle tone fades after falling asleep.
  • the airways and especially the airway through the pharynx remain pneumatically, so to speak, which enables the patient to breathe naturally for the patient
  • Respiration process can start unhindered. Without using a CPAP, a patient with obstructive sleep apnea can experience numerous (up to several hundred) respiratory arrests in one night. As a result, sleep is no longer relaxing; on the contrary, it becomes an extraordinary burden. The immediate consequences are permanent daytime sleepiness. If the disease remains untherapiert, the life expectancy of the person concerned can be ⁇ siderably shortened. With CPAP therapy it is important to set the therapy pressure as high as necessary and as small as possible. However, since the physical condition is subject to constant changes, a constant therapy pressure is not optimal. Even within one night, in which different sleep phases are experienced, different pressures that are adapted to the different parameters can be advantageous compared to a rigidly preset therapy pressure. Too little pressure causes the symptoms of obstructive sleep apnea to return. Excessive pressure leads to negative side effects, for example the heartbeat volume decreases as a result of the pressure acting on the pericardium from the outside.
  • a respiratory arrest can also occur in completely open airways if the breathing regulation center in the brain interrupts spontaneous breathing.
  • Such a respiratory arrest triggered by the central nervous system is called central apnea.
  • the frequency of central apneas increases with increasing CPAP pressure.
  • central apneas are lengthened by increasing the pressure. Only in the case of obstructive apnea does an increase in pressure bring about a return to spontaneous breathing.
  • the distinction between an obstructive apnea and a central apnea is therefore of particular importance in an algorithm for controlling an auto-CPAP.
  • Obstruction or obstruction of the airway means that the flow resistance on the way from the natural respiratory openings of the mouth or nose into the lungs is great. With central apnea, the airways between the natural airways and the lungs are clear. This also results in a small airway resistance, and only the patient's breathing efforts are missing. The airway resistance is therefore a helpful parameter for distinguishing obstructive apneas from central apneas and important for automatic pressure control in an auto CPAP.
  • a method and a device are known from OS 25 08 319, in which the patient breathes in the free atmosphere via a mouthpiece through a reference tube.
  • a valveless pump generates a reference flow at a constant frequency, which is fed into the mouthpiece via an inlet hose, the frequency being approximately 10 Hz and the stroke volume being approximately 1.5 cm 3 .
  • the alternating pressure generated in the mouthpiece is measured and displayed with a pressure measuring device.
  • the length and diameter of the reference pipe are dimensioned so that there is a small impedance for the low-frequency spontaneous breathing and a large impedance for the higher-frequency reference flow.
  • the reference flow cannot simply escape into the free atmosphere through the reference tube, which acts as a pneumatic throttle.
  • the patient's airways also open into the mouthpiece and can have either a large or a small flow resistance.
  • the reference flow in the mouthpiece causes a high alternating pressure.
  • the reference flow fed into the mouthpiece escapes through the airways into the lungs and is absorbed there by the body tissue.
  • the reference flow in the mouthpiece can only cause a slight alternating pressure.
  • the alternating pressure measured with this device correlates quite well with the actual airway resistance, which can be measured with the aid of a body plethysmograph.
  • the measured value obtained is generally identified with the index “os” and thus the measured airway resistance as R os (oscillatory measured or oscillatory airway resistance).
  • auto-CPAP devices are also known in which the oscillatory breathing resistance is measured with the device described in OS 25 08 319, which is integrated in the breathing therapy device for this purpose.
  • These devices use the breathing tube as a reference tube and the breathing mask as a mouthpiece.
  • the alternating pressure measured in the respiratory mask is a signal that represents the magnitude of the airway resistance and is evaluated to influence the CPAP pressure.
  • Such a device is described in the aforementioned EP 0 705 615 AI.
  • the device requires a valve-less pump with which an oscillating reference flow is generated and this pump is an effort which causes additional costs.
  • Another disadvantage is that an additional inlet hose is necessary to feed the reference flow into the mouthpiece.
  • the object of the invention is to provide a respirator for the therapy of sleep apnea, in which a measurement of the oscillatory airway resistance R os of the human is possible by evaluating the alternating pressure generated in the respiratory mask, in particular during respiratory therapy. Neither an additional valveless pump to generate the reference flow nor an additional one Inlet hose for feeding the reference flow into the breathing mask are used. Furthermore, a method for controlling a ventilator for therapy of sleep apnea is to be specified.
  • the elements available in every CPAP without auto-adjust function such as a blower, respiratory mask, breathing tube, pressure measuring tube and pressure sensor, are used by adding additional functions to these elements in a new arrangement.
  • necessary elements have been added to the control as electronic function levels or as software solutions.
  • the ventilator allows measurement of the
  • Airway resistance R os of a patient in particular during therapy with the aid of an auto-CPAP, which contains an electrically operated blower, the speed of which can be changed by, for example, using either the level of a DC supply voltage or the level of the frequency of a three-phase supply voltage for the blower a control signal supplied by a control device or a computer is changed, and which generates a speed-dependent pressure, which is passed via a breathing tube into a patient's breathing mask, the pressure prevailing in the breathing mask being fed to a pressure sensor with the aid of a measuring tube, so that it can be extracted therefrom generates an electrical signal.
  • a feature of the invention is that a periodically variable control signal is used to change the level or frequency of the supply voltage, which depends on the type of supply voltage used in each case.
  • the control signal is also designed in such a way that the speed of the fan and thus the pressure generated fluctuate with a small amplitude and constant frequency, the fluctuation frequency preferably being in a sound range which is inaudible to humans.
  • the electrical signal that the pressure sensor then delivers consists of a DC voltage component, which is proportional to the level of the created artificial atmosphere, an AC voltage component, which is due to the periodic pressure fluctuations, and a possibly existing voltage component, which is caused by very low-frequency or very high-frequency pressure changes can be, for example, the sound of a snoring sound. It is therefore expedient to use a selective amplifier to filter out the AC voltage component that is solely due to the periodic pressure fluctuations. This is a measure of the patient's oscillatory airway resistance R os .
  • a smoothed signal voltage can be generated, which can be processed more conveniently by a control device or computer for pressure control purposes and can also be displayed with minimal means.
  • a computer can preferably automatically decide with the aid of the program it has entered whether the current therapeutic pressure for treating an obstructive one Sleep apnea should be increased, decreased, or unaffected.
  • the advantage here is that the arrangement according to the invention does not require any additional cost-intensive components.
  • the device uses only the elements already present in a CPAP and only assigns additional functions to them.
  • the fan In addition to the constant pressure, the fan must also generate an alternating pressure.
  • An electrically controllable fan is available in every modern CPAP, for example.
  • the control signal, which the fan requires in addition to generating the alternating pressure, can be provided by software from the control computer, which is also always present.
  • the pressure sensor in a CPAP must also measure an alternating pressure.
  • the breathing tube is no longer only used to supply air to the patient, but is also a reference resistor or pneumatic series resistor that converts the blower's alternating pressure into one Converts reference flow into the patient's breathing mask.
  • a reference resistor or pneumatic series resistor that converts the blower's alternating pressure into one Converts reference flow into the patient's breathing mask.
  • only inexpensive electronic functional stages, a selective amplifier, a rectifier and a filter element are required; and these functional levels can also be implemented inexpensively using software.
  • Fig. 3 Signal curves of the pressure in the breathing mask.
  • the operating voltage source for the motor 2 consists of two components U CPAP and u ws connected in series and controlled by the computer 3.
  • the motor 2 thereby receives a DC supply voltage which is superimposed by a smaller AC supply voltage.
  • the pressure of the art atmosphere generated by the blower 1 then also consists of a constant pressure-dependent constant-pressure component which is superimposed by an alternating-pressure component.
  • the amplitude of the AC voltage source u W s should be chosen to be as small as possible so that the patient does not perceive the periodic pressure fluctuations that arise. Of course, this type of printing only works when using a motor 2 with extremely high dynamics.
  • the flow resistances of the breathing tube 5 and the internal resistance R ⁇ represent that of Fan 1 outgoing alternating flow portion represents an impedance.
  • This impedance is constant due to the constant frequency of the pressure oscillations and the fixed geometry of the hose and the internal structure of CPAP and fan 1 and thus the reference impedance of the measuring device.
  • the breathing tube 5 usually has a length of 1.7 m and thus has a high impedance for a frequency of 20 Hz, for example. For the patient's normal ateral frequency of approximately 0.2 Hz to 1 Hz, the tube impedance is small and does not hinder spontaneous breathing.
  • the airway resistance R ⁇ w is the sum of the series connected flow resistances of the free or misplaced upper respiratory tract 7 and the bronchi in the lungs. Strictly speaking, this airway resistance is also frequency-dependent and therefore an impedance.
  • the air pressure p M inside the breathing mask 6 is measured by feeding it to a pressure sensor 10 using a measuring tube 9.
  • the pressure sensor 10 delivers at its output the pressure-proportional electrical signal u M , which consists of a therapy-dependent direct voltage signal and a 20 Hz alternating voltage signal u os .
  • the very small AC voltage component is amplified with the aid of a selective amplifier 11 which is matched to the frequency of the alternating pressure and then with a rectifier 12 into a DC voltage converted. After smoothing with the filter element 13, the voltage U 0 s is obtained.
  • This voltage U 0 s represents the oscillatory airway resistance R 0 s of a patient, which is known to correlate quite well with the airway resistance R AW measured by other medical methods (body plethysmography, interrupter method).
  • the preferred ventilator for therapy of sleep apnea is a CPAP device. Changes in the airway resistance R 0s only occur if the cross section of the upper airways 7 changes with the degree of an obstruction.
  • the voltage U 0 s can be supplied to the computer 3 so that it can optimize the constant pressure portion of the therapy pressure with regard to the therapy quality with the aid of its program algorithm. Alternatively or additionally, it can also be shown with the aid of a display 14.
  • CPAP systems have a ventilation opening 15 with a cross section of approximately 12 mm 2 , often only a 4 mm hole directly in the breathing mask, for the discharge of the C0 2 -breathed exhaled air. This vent opening 15 represents a constant resistance, which is connected in parallel with the airway resistance.
  • the alternating pressure component generated by the blower 1 leads to a reference flow through the series connection of reference impedance and breathing resistance R m of the patient 4.
  • the reference impedance is dimensioned by the choice of the frequency so that it is large compared to a healthy airway resistance, and therefore, almost the entire alternating pressure generated by the blower 1 already drops at the comparatively large reference impedance.
  • R AW small airway resistance
  • the flow resistance of the vent opening 15 is hardly noticeable Weight because it is large compared to a small airway resistance.
  • the alternating pressure prevailing in the respiratory mask 6 reaches the pressure sensor 10 with the aid of the measuring tube 9.
  • the voltage O 0S 1 is obtained which represents the airway resistance R 0 s , Since the airways are open and therefore the airway resistance is small, the voltages u 0 s and U os are also small.
  • the voltage U 0 s is fed to the computer 3 for further processing and can also be displayed using the display 14.
  • the voltage at the output of the filter element 13 will assume various values between almost ZERO and U OSM RX depending on the degree of an obstruction and will be monitored by the computer 3.
  • the computer 3 also receives the output voltage u M of the pressure sensor. Previously, this should be freed of its AC voltage components using the low-pass filter 16.
  • the computer 3 needs this voltage to monitor an optimal therapy pressure determined according to the present program algorithm. This is constantly in computer 3 Dependent on the course of the oscillatory airway resistance Ros or in dependence on the course of the magnitude of the voltage U 0 s.

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Abstract

Mit der Erfindung soll ein Beatmungsgerät zur Therapie der Schlafapnoe geschaffen werden, bei dem eine Messung des Atemwegswiderstandes ROS des Menschen durch Bewertung des in der Atemmaske entstehenden Wechseldrucks, insbesondere während einer Atemtherapie möglich ist. Dabei sollen weder eine zusätzliche ventillose Pumpe zur Erzeugung einer Referenzströmung noch ein zusätzlicher Einleitungsschlauch zur Einspeisung der Referenzströmung in die Atemmaske zur Anwendung kommen. Dazu wird vorgeschlagen ein Beatmungsgerät zur Therapie der Schlafapnoe mit einer an einen Atemschlauch (5) angeschlossenen Atemmaske (6) einem elektrisch mit veränderbarer Drehzahl angetriebenen Gebläse (1) zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Therapiedruckes und einer Steuervorrichtung, insbesondere einem Computer (3), zur Steuerung der Gebläsedrehzahl und einem Drucksensor (10) zur Feststellung eines in der Atemmaske (6) herrschenden Druckes, welcher Drucksensor (10) im Betrieb ein elektrisches Druckmesssignal (uM) abgibt, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Steuerung zur periodischen Veränderung der Drehzahl des Gebläses (1) mit einer konstanten, vorzugsweise im nicht hörbaren Frequenzbereich liegenden, Frequenz und zur Auswertung der aufgrund der durch die periodische Veränderung der Drehzahl des Gebläses (1) an dessen Auslass erzeugten Druckschwankungen im elektrischen Druckmesssignal (uM) enthaltenen Wechselspannungsanteile zur Therapiebeeinflussung, insbesondere zur Einstellung des Therapiedruckes, eingerichtet ist.

Description

Beatmungsgerät zur Therapie der Schlafapnoe sowie Verfahren zu dessen Steuerung
Die Erfindung betrifft ein Beatmungsgerät zur Therapie der Schlafapnoe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere ein Auto-CPAP (CPAP mit Auto-Adjust Funktion) , welches geeignet ist, den Strömungswiderstand der Atemwege eines Menschen oder Veränderungen dieses Strömungswiderstandes ausreichend genau zu messen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Beatmungsgerätes.
Ein vergleichbares Beatmungsgerät zur Durchführung einer CPAP- Therapie ist ebenso wie ein Verfahren zu dessen Steuerung in der EP 0 705 615 AI offenbart.
Während einer CPAP-Therapie (CPAP = Continuous Positive Airway Pressure) , atmet der Patient an einer künstlichen Atmosphäre, die von einem CPAP erzeugt wird und deren Druck gegenüber der natürlichen Atmosphäre kontinuierlich erhöht ist. Der erhöhte Druck verhindert ein Kollabieren der weichen oberen Atemwege eines Patienten, wenn der Muskeltonus nach dem Einschlafen schwindet. Die Atemwege und besonders der Atemweg durch den Rachen bleiben sozusagen pneumatisch aufgespannt, wodurch der Patient seine natürliche Spontanatmung für den
Respirationsvorgang ungehindert einsetzen kann. Ohne Benutzung eines CPAP kann ein Patient, der an einer obstruktiven Schlafapnoe erkrankt ist, zahlreiche (bis zu mehreren hundert) Atemstillstände in einer Nacht erleiden. Dadurch ist der Schlaf nicht mehr erholsam, er wird im Gegenteil zu einer außerordentlichen Belastung. Die unmittelbaren Folgen sind permanente Tagesmüdigkeit. Wenn die Krankheit untherapiert bleibt, kann sich die Lebenserwartung des Betroffenen be¬ trächtlich verkürzen. Bei einer CPAP-Therapie kommt es darauf an, den Therapiedruck so groß wie nötig und so klein wie möglich einzustellen. Da jedoch die körperliche Verfassung ständigen Veränderungen unterliegt, ist ein unverändert konstanter Therapiedruck nicht optimal. Sogar innerhalb einer Nacht, in der verschiedene Schlafphasen durchlebt werden, können jeweils ≤mgepasste unterschiedliche Drücke gegenüber einem starr voreingestellten Therapiedruck vorteilig sein. Ein zu kleiner Druck bewirkt, dass die Symptome der obstruktiven Schlafapnoe wiederkehren. Ein zu hoher Druck führt zu negativen Nebenwirkungen, beispielsweise verringert sich das Herzschlagvolumen infolge des von außen auf den Herzbeutel wirkenden Drucks.
Ein Atemstillstand kann aber auch bei völlig offenen Atemwegen auftreten, wenn das Atemregulationszentrum im Gehirn die Spontanatmung unterbricht. Ein solcher vom Zentralnervensystem ausgelöster Atemstillstand wird als zentrale Apnoe bezeichnet. Die Häufigkeit zentraler Apnoen steigt mit der Erhöhung des CPAP-Druckes an. Insbesondere werden zentrale Apnoen durch Druckerhöhung verlängert. Nur bei einer obstruktiven Apnoe bewirkt eine Druckerhöhung die Rückkehr zur Spontanatmung. Die Unterscheidung einer obstruktiven Apnoe von einer zentralen Apnoe bekommt dadurch eine besondere Wichtigkeit in einem Algorithmus zur Steuerung eines Auto-CPAP.
Eine Obstruktion oder Verlegung des Atemweges bewirkt, dass der Strömungswiderstand auf dem Weg von den natürlichen Atemöffnungen Mund oder Nase in die Lunge hinexn groß ist. Bei einer zentralen Apnoe sind die Atemwege zwischen den natürlichen Atemöffnungen und der Lunge frei. Daraus resultiert auch ein kleiner Atemwegswiderstand, und es fehlen lediglich die Atemanstrengungen des Patienten. Der Atemwegswiderstand ist somit ein hilfreicher Parameter für die Unterscheidung obstruktiver Apnoen von zentralen Apnoen und von Bedeutung für die automatische Drucksteuerung in einem Auto-CPAP.
Aus der OS 25 08 319 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei welchem der Patient über ein Mundstück durch ein Referenzrohr an der freien Atmosphäre atmet. Eine ventillose Pumpe erzeugt eine Referenzströmung mit konstanter Frequenz, der über einen Einleitungsschlauch in das Mundstück eingespeist wird, wobei die Frequenz etwa 10 Hz und das Hubvolumen konstant etwa 1,5 cm3 betragen. Der im Mundstück entstehende Wechseldruck wird mit einer Druckmessvorrichtung gemessen und angezeigt.
Länge und Durchmesser des Referenzrohres sind so bemessen, dass sich für die niederfrequente Spontanatmung eine kleine und für die höherfrequente Referenzströmung eine große Impedanz ergeben. Die Referenzströmung kann somit nicht einfach durch das als pneumatische Drossel wirkende Referenzrohr in die freie Atmosphäre entweichen. In das Mundstück münden aber auch die Atemwege des Patienten und die können entweder einen großen oder einen kleinen Strömungswiderstand besitzen.
Wenn die Atemwege in die Lunge des Patienten hinein durch eine Obstruktion ganz oder teilweise verlegt sind, kann die Referenzströmung auch nicht in die Lunge hinein entweichen. In diesem Fall verursacht die Referenzströmung im Mundstück einen hohen Wechseldruck.
Wenn die Atemwege des Patienten frei sind, dann entweicht die ins Mundstück eingespeiste Referenzströmung durch die Atemwege in die Lunge und wird dort vom Körpergewebe absorbiert. In diesem Fall kann die Referenzströmung im Mundstück nur einen geringen Wechseldruck bewirken. Der mit dieser Vorrichtung gemessene Wechseldruck korreliert recht gut mit dem tatsächlichen Atemwegswiderstand, der mit Hilfe eines Bodyplethysmografen gemessen werden kann. Um zu kennzeichnen, dass zur Messwertgewinnung ein Wechselstromsignal verwendet wurde, wird der erhaltene Messwert allgemein mit dem Index „os" und somit der gemessene Atemwegswiderstand als Ros (oszillatorisch gemessener oder oszillatorischer Atemwegswiderstand) gekennzeichnet.
Inzwischen sind auch Auto-CPAP Geräte bekannt, in denen der oszillatorische Atemwiderstand mit der in der OS 25 08 319 beschriebenen Vorrichtung gemessen wird, die zu diesem Zweck in das Atemtherapiegerät integriert ist. Diese Geräte benutzen den Atemschlauch als Referenzrohr und die Atemmaske als Mundstück. Der in der Atemmaske gemessene Wechseldruck ist ein Signal, das die Größe des Atemwegswiderstandes repräsentiert und wird zur Beeinflussung des CPAP-Druckes ausgewertet. Eine solche Vorrichtung ist in der eingangs bereits genannten EP 0 705 615 AI beschrieben.
Nachteilig ist, dass die Vorrichtung eine ventillose Pumpe erfordert, mit der eine oszillierende Referenzströmung erzeugt wird und diese Pumpe ein Aufwand ist, der zusätzliche Kosten verursacht. Nachteilig ist ebenfalls, dass ein zusätzlicher Einleitungsschlauch zur Einspeisung der Referenzströmung in das Mundstück notwendig ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Beatmungsgerätes zur Therapie der Schlafapnoe, bei dem eine Messung des oszillatorischen Atemwegswiderstandes Ros des Menschen durch Bewertung des in der Atemmaske entstehenden Wechseldrucks, insbesondere während einer Atemtherapie möglich ist. Dabei sollen weder eine zusätzliche ventillose Pumpe zur Erzeugung der Referenzströmung noch ein zusätzlicher Einleitungsschlauch zur Einspeisung der Referenzströmung in die Atemmaske zur Anwendung kommen. Ferner soll ein Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes zur Therapie der Schlafapnoe angegeben werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Beatmungsgerät zur Therapie der Schlafapnoe gelöst, dessen Merkmale im Anspruch 1 dargelegt sind. Vorteilhafte Weiterbildungen des Beatmungsgerätes sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Ein den oben dargelegten Ansprüchen gerecht werdendes Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes zur Therapie der Schlafapnoe ist in Anspruch 6 angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe werden die in jedem CPAP ohne Auto- Adjust Funktion vorhandenen Elemente, wie Gebläse Atemmaske, Atemschlauch, Druckmessschlauch und Drucksensor verwendet, indem diesen Elementen in einer neuen Anordnung zusätzliche Funktionen aufgegeben werden. Darüber hinaus notwendige Elemente sind der Steuerung als elektronische Funktionsstufen oder als Softwarelösungen hinzugefügt.
Das Beatmungsgerät erlaubt die Messung des
Atemwegswiderstandes Ros eines Patienten, insbesondere während einer Therapie mit Hilfe eines Auto-CPAP, das ein elektrisch betriebenes Gebläse enthält, dessen Drehzahl veränderbar ist, indem bspw. entweder die Höhe einer Versorgungsgleichspannung oder die Höhe der Frequenz einer Drehstrom-Versorgungsspannung für das Gebläse mit einem von einer Steuervorrichtung oder einem Computer gelieferten Steuersignal verändert wird, und welches einen drehzahlabhängigen Druck erzeugt, der über einen Atemschlauch in eine Atemmaske eines Patienten geleitet wird, wobei der in der Atemmaske herrschende Druck mit Hilfe eines Messschlauches einem Drucksensor zugeleitet wird, damit dieser daraus ein elektrisches Signal erzeugt. Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass zur Veränderung von Höhe oder Frequenz der Versorgungsspannung, was von der Art der jeweils verwendeten Versorgungsspannung abhängt, ein periodisch veränderliches Steuersignal benutzt wird. Das Steuersignal ist außerdem so gestaltet, dass die Drehzahl des Gebläses und damit der erzeugte Druck mit kleiner Amplitude und konstanter Frequenz schwanken, wobei die Schwankungsfrequenz vorzugsweise in einem für den Menschen unhörbaren Schallbereich liegt.
Das elektrische Signal, das der Drucksensor daraufhin liefert, besteht aus einem Gleichspannungsanteil, der proportional zur Höhe der erzeugten Kunstatmosphäre ist, einem Wechselspannungsanteil, der auf die periodischen Druckschwankungen zurückzuführen ist, und einem eventuell vorhandenen Spannungsanteil, der von sehr niederfrequenten oder sehr hochfrequenten Druckänderungen hervorgerufen werden kann, beispielsweise vom Schall eines Schnarchgeräusches. Deshalb ist es zweckmäßig, mit Hilfe eines selektiven Verstärkers denjenigen Wechselspannungsanteil herauszufiltern, der allein auf die periodischen Druckschwankungen zurückzuführen ist. Dieser ist ein Maß für den oszillatorischen Atemwegswiderstand Ros des Patienten.
Es ist außerdem zweckmäßig, das vom selektiven Verstärker abgegebene Signal mit Hilfe eines Gleichrichters auf eine Gleichspannung abzubilden. Mit Hilfe eines Siebgliedes kann daraus eine geglättete Signalspannung erzeugt werden, die zu Drucksteuerungszwecken von einem Steuergerät oder Computer bequemer verarbeitet und außerdem mit geringfügigen Mitteln zur Anzeige gebracht werden kann. Aus der Höhe der Signalspannung kann ein Computer mit Hilfe seines eingegebenen Programms vorzugsweise automatisch entscheiden, ob der gerade herrschende Therapiedruck zur Behandlung einer obstruktiven Schlafapnoe erhöht, verringert oder unbeeinflusst bleiben sollte .
Bei bekannten Vorrichtungen zur Messung des oszillatorischen Atemwegswiderstandes sind ausnahmslos alle Elemente, die ventillose Oszillationspumpe, das Referenzrohr, der Atemwegswiderstand der Lunge und schließlich auch die Druckmessvorrichtung, parallel zwischen dem Mundstück als dem einen Konten und dem Atmosphärenpotential als dem zweiten Knoten angeordnet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dagegen ist das Gebläse als Wechseldruckgenerator, mit dem als Referenzrohr wirkende Atemschlauch und dem Atemwegswiderstand der Lunge in Reihe geschaltet. Die DruckmessVorrichtung misst den Wechseldruck, der zwischen dem Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Widerstände von Schlauch und Atemweg einerseits und freier Atmosphäre andererseits entsteht.
Vorteilig dabei ist, dass die erfindungsgemäße Anordnung keine zusätzlichen kostenintensiven Bauteile erfordert. Die Vorrichtung nutzt ausschließlich nur die in einem CPAP bereits vorhandenen Elemente und weist diesen lediglich zusätzliche Funktionen zu. So muss das Gebläse neben dem Gleichdruck zusätzlich einen Wechseldruck erzeugen. Ein elektrisch steuerbares Gebläse ist bspw. in jedem modernen CPAP vorhanden. Das Steuersignal, welches das Gebläse zusätzlich zur Wechseldruckerzeugung benötigt, kann mittels Software von dem ebenfalls immer vorhandenen Steuercomputer bereitgestellt werden.
Der bspw. in einem CPAP vorhandene Drucksensor muss zusätzlich einen Wechseldruck messen. Der Atemschlauch dient nicht mehr allein der Luftzuführung zum Patienten, sondern ist gleichzeitig ein Referenzwiderstand oder pneumatischer Vorwiderstand, der den Wechseldruck des Gebläses in eine Referenzströmung in die Atemmaske des Patienten hinein umwandelt. Darüber hinaus werden nur kostengünstige elektronische Funktionsstufen, ein selektiver Verstärker ein Gleichrichter und ein Siebglied benötigt; und diese Funktionsstufen können kostengünstig auch mittels Software realisiert werden.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
Fig. 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2: ein elektrisches Ersatzschaltbild der pneumatischen Elemente,
Fig. 3: Signalverläufe des Druckes in der Atemmaske.
In diesem Beispiel wird ein Motor 2 mit
Gleichspannungsversorgung verwendet, und somit ist der von dem Gebläse 1 erzeugte Druck von der Größe der Betriebsspannung des Motors 2 abhängig. Die Betriebsspannungsquelle für den Motor 2 besteht aus zwei in Reihe geschalteten und vom Computer 3 angesteuerten Komponenten UCPAP und uws. Der Motor 2 erhält dadurch eine Versorgungs-Gleichspannung, die von einer kleineren Versorgungs-Wechselspannung überlagert ist. Im Ergebnis besteht dann auch der vom Gebläse 1 erzeugte Druck der Kunstatmosphäre aus einem zeitlich konstanten therapieabhängigen Gleichdruck-Anteil, der von einem Wechseldruck-Anteil überlagert ist. Die Amplitude der Wechselspannungsquelle uWs sollte möglichst klein gewählt werden, damit der Patient die entstehende periodischen Druckschwankungen nicht wahrnimmt . Selbstverständlich funktioniert diese Art der Druckbereitstellung nur bei Verwendung eines Motors 2 mit außerordentlich hoher Dynamik. Der vom Gebläse 1 erzeugte Druck gelangt nach Passieren eines Innenwiderstandes R±, der von den Strömungswiderständen der Gebläseteile und den Kanälen im inneren Atemsystem des CPAP gebildet wird, in den Atemschlauch 5. Die Strömungswiderstände des Atemschlauchs 5 und des Innenwiderstandes Rτ stellen für den vom Gebläse 1 ausgehenden Wechselströmungs-Anteil eine Impedanz dar. Diese Impedanz ist Aufgrund der konstanten Frequenz der Druckoszillationen und der fest vorgegebenen Geometrie von Schlauch und innerem Aufbau von CPAP und Gebläse 1 konstant und damit die Referenzimpedanz der Messvorrichtung. Der Atemschlauch 5 hat üblicherweise eine Länge von 1,7 m und besitzt damit für eine Frequenz von beispielsweise 20 Hz eine hohe Impedanz. Für die normale Aterαfrequenz des Patienten von etwa 0,2 Hz bis 1 Hz ist die Schlauchimpedanz klein und behindert die Spontanatmung nicht.
Die durch den Atemschlauch 5 geleitete Luft gelangt auf ihrem weiteren Weg in die Atemmaske 6 und von dort weiter über die oberen Atemwege 7 des Rachens in die Lunge 8. Der Atemwegswiderstand RÄw ist die Summe der in Reihe geschalteten Strömungswiderstände der freien bzw. verlegten oberen Atemwege 7 und der Bronchien in der Lunge. Genau genommen ist auch dieser Atemwegswiderstand frequenzabhängig und somit eine Impedanz.
Der Luftdruck pM im Innern der Atemmaske 6 wird gemessen, indem dieser mit Hilfe eines Messschlauches 9 einem Drucksensor 10 zugeleitet wird. Der Drucksensor 10 liefert an seinem Ausgang das druckproportionale elektrische Signal uM, das aus einem therapieabhängigen Gleichspannungs signal und einem 20 Hz Wechselspannungssignal uos besteht. Der sehr kleine Wechselspannungsanteil wird mit Hilfe eines auf die Frequenz des Wechseldrucks abgestimmten selektiven Verstärkers 11 verstärkt und anschließend mit einem Gleichrichter 12 in eine Gleichspannung umgewandelt. Nach Glättung mit dem Siebglied 13 erhält man die Spannung U0s- Diese Spannung U0s repräsentiert den oszillatorischen Atemwegswiderstand R0s eines Patienten, der bekannterweise recht gut mit dem nach anderen medizinischen Verfahren (Bodyplethysmografie, Unterbrechermethode) gemessenen Atemwegswiderstand RAW korreliert. Das bevorzugte Beatmungsgerät zur Therapie der Schlafapnoe ist ein CPAP-Gerät. Änderungen des Atemwegswiderstandes R0s entstehen nur, wenn sich der Querschnitt der oberen Atemwege 7 mit dem Grad einer Obstruktion verändert.
Die Spannung U0s kann dem Computer 3 zugeführt werden, damit dieser mit Hilfe seines Programm-Algorithmus den Gleichdruck- Anteil des Therapiedrucks hinsichtlich der Therapie-Qualität optimieren kann. Sie kann aber auch alternativ oder zusätzlich mit Hilfe eines Displays 14 angezeigt werden. CPAP-Systeme besitzen zur Abführung der C02-belasteten Ausatemluft eine Entlüftungsöffnung 15 von etwa 12 mm2 Querschnitt, oft nur ein 4 mm Loch direkt in der Atemmaske. Diese Entlüftungsöffnung 15 stellt einen konstanten Widerstand dar, der dem Atemwegswiderstand parallel geschaltet ist.
Es wird nun angenommen, dass der obere Atemweg 7 des Patienten 4 frei und bis in die Lunge 8 hinein offen ist. In diesem Fall führt der vom Gebläse 1 erzeugte Wechseldruck-Anteil zu einer Referenzströmung durch die Reihenschaltung von Referenzimpedanz und Atem egswiderstand Rm des Patienten 4. Die Referenzimpedanz ist durch die Wahl der Frequenz so bemessen, dass sie groß gegenüber einem gesunden Atemwegswiderstand ist, und deshalb fällt nahezu der gesamte vom Gebläse 1 erzeugte Wechseldruck bereits an der vergleichsweise großen Referenzimpedanz ab. Am kleinen Atemwegswiderstand RAW des Patienten fällt kaum noch ein Wechseldruck ab. Auch der Strömungswiderstand der Entlüftungsöffnung 15 fällt kaum ins Gewicht, da er gegenüber einem kleinen Atemwegswiderstand groß ist. Der in der Atemmaske 6 herrschende Wechseldruck gelangt mit Hilfe des Messschlauches 9 an den Drucksensor 10. Nach Verstärkung mit dem Selektivverstärker 1, Gleichrichtung mit dem Gleichrichter 12 und Siebung mit dem Siebglied 13 erhält man die Spannung O0S l die den Atemwegswiderstand R0s repräsentiert. Da die Atemwege offen und deshalb der Atemwegswiderstand klein ist, sind auch die Spannungen u0s bzw. Uos klein. Die Spannung U0s wird zur Weiterverarbeitung dem Computer 3 zugeführt und kann außerdem mit Hilfe des Displays 14 angezeigt werden.
Nun soll angenommen werden, dass die oberen Atemwege 7 des Patienten 4 obstruktiv völlig verlegt sind. Der Atemwegswiderstand Raw ist in diesem Zustand unendlich groß. Der vom Gebläse 1 erzeugte Wechseldruck-Anteil führt jetzt zu einer Referenzströmung, die nach Durchströmen der Referenzimpedanz nur durch die Entlüftungsöffnung 15 ins Freie strömen kann. In der Atemmaske entsteht somit der größte mögliche Wechseldruck als Druckabfall am Strömungswiderstand der Entlüftungsöffnung 15, und dieser führt nach Messung, Verstärkung, Filterung und Gleichrichtung zur größten möglichen Spannung U0SMÄX am Ausgang des Siebgliedes 13.
Im praktischen Betrieb wird die Spannung am Ausgang des Siebgliedes 13 je nach Grad einer Obstruktion verschiedene Werte zwischen nahezu NULL und UOSMRX annehmen und vom Computer 3 überwacht werden. Der Computer 3 erhält außerdem die Ausgangsspannung uM des Drucksensors zugeführt. Zuvor sollte diese mit Hilfe des Tiefpasses 16 von ihren Wechselspannungsanteilen befreit werden. Der Computer 3 benötigt diese Spannung zur Überwachung eines nach dem vorliegenden Programmalgorithmus ermittelten optimalen Therapiedruckes. Dieser wird vom Computer 3 ständig in Abhängigkeit vom Verlauf des oszillatorischen Atemwegswiderstandes Ros bzw. in Abhängigkeit vom Verlauf der Größe der Spannung U0s eingeregelt.
Bezugszeichenliste
1 Gebläse
2 Motor
3 Computer
4 Patient
5 Atemschlauch
6 Atemmaske
7 obere Atemwege
8 Lunge
9 Messschlauch
10 Drucksensor
11 selektiver Verstärker
12 Gleichrichter
13 Siebglied
14 Display
15 Entlüftungsöffnung
16 Tiefpass
UCPÄP Versorgungsgleichspannung
uwS Versorgungswechselspannung Ri CPAP-Innenwiderstand
PM Atemmaskendruck
RAW Atemwegswiderstand
Ros os zillatorischer Atemwegswiderstand
uM ele ktrisches Signals für den Atemmaskendruck
u0s ele ktri sches Signal für den os zillatorischen
Atemwegs wider st and
U0s gleichgerichte und gesiebte Spannung Uos
Uosmax maximal mögliche Größe der Spannung U0s

Claims

Patentansprüche
1. Beatmungsgerät zur Therapie der Schlafapnoe mit einer an einen Atemschlauch (5) angeschlossenen Atemmaske (6) einem elektrisch mit veränderbarer Drehzahl angetriebenen Gebläse (1) zur Erzeugung eines drehzahlabhängigen Druckes und einer Steuervorrichtung, insbesondere einem Computer (3), zur Steuerung der Gebläsedrehzahl und einem Drucksensor (10) zur Feststellung eines in der Atemmaske (6) herrschenden Druckes, welcher Drucksensor (10) im Betrieb ein elektrisches Druckmesssignal (uM) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zur periodischen Veränderung der Drehzahl des Gebläses (1) mit einer konstanten, vorzugsweise im nicht hörbaren Frequenzbereich liegenden, Frequenz und zur Auswertung der aufgrund der durch die periodische Veränderung der Drehzahl des Gebläses (1) an dessen Auslass erzeugten Druckschwankungen im elektrischen Druckmesssignal (uM) enthaltenen Wechselspannungsanteile zur Therapiebeeinflussung, insbesondere zur Einstellung des Therapiedruckes, eingerichtet ist.
2. Beatmungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse durch die Wahl der Höhe einer Versorgungsspannung (UCPAP, UWS) in seiner Drehzahl veränderbar ist.
3. Beatmungsgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse durch die Wahl einer Frequenz einer Wechsel- bzw. Drehstrom-Versorgungsspannung in seiner Drehzahl veränderbar ist.
4. Beatmungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen eines auf die Frequenz der Drehzahl-Änderungen abgestimmten, selektiven Verstärker (11) aufweist, mit dessen Hilfe das vom Drucksensor (10) abgegebene elektrische Druckmesssignal (uM) verstärkt wird und damit ein im Signal vorhandener Gleichspannungsanteil und Signalanteile, die von langsamen oder höherfrequenten Druckänderungen hervorgerufen worden sind, entfernt werden.
5. Beatmungsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Gleichrichter (12) aufweist, mit dessen Hilfe ein vom Ausgang des selektiven Verstärkers (11) abgegebenes Signal auf eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom abgebildet wird.
6. Verfahren zur Steuerung eines Beatmungsgerätes zur Therapie der Schlafapnoe wobei in einer Atemmaske des Beatmungsgerätes kontinuierlich eine mit vorgegebener Frequenz wechselnde Druckamplitude erzeugt und aus einer Druckmessung in der Atemmaske der Atemwiderstand eines Patienten ermittelt wird wobei bei einem gegenüber einem als individuellen Basiswert für den Atemwiderstand des Patienten ermittelten Wert erhöht gemessenen Atemwiderstand dem Patienten unter einem erhöhten Therapiedruck Atemgas zugeführt wird und der Therapiedruck verringert oder beibehalten wird, wenn der Atemwiderstand den Basiswert wieder annähernd erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der oszillierenden Druckamplitude ein elektrisch angetriebenes Gebläse verwendet wird, mit dem auch der Therapiedruck erzeugt wird.
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